材料之殤 老司機(jī)英特爾折戟7nm的背后

很多人在談到中國半導(dǎo)體的問題時(shí)，歸根結(jié)底溯源到了基礎(chǔ)科學(xué)的落后，特別是半導(dǎo)體材料和基礎(chǔ)理論的缺乏，其實(shí)這樣的問題不止中國半導(dǎo)體有，半導(dǎo)體工藝近20年來絕對領(lǐng)導(dǎo)者英特爾也因?yàn)椴牧蠁栴}遇到大麻煩。

英特爾最近有點(diǎn)煩，雖然二季度交出了亮眼的季報(bào)，但一條7nm預(yù)計(jì)會延遲半年以上的消息硬生生讓其股價(jià)下跌了7%。五六年前還曾在工藝上領(lǐng)先臺積電半年的英特爾，為何會在工藝方面如此迅速的落后？據(jù)不確切的消息，英特爾折戟7nm很大程度因?yàn)樾虏牧系膽?yīng)用中的問題始終無法解決。

先看英特爾交出的財(cái)報(bào)，英特爾第二季度營收為197.28億美元，與去年同期的165.05億美元相比增長20%；凈利潤為51.05億美元，與去年同期的41.79億美元相比增長22%。這要是放在很多公司，得是樂瘋了的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)啊！英特爾第二季度營收和調(diào)整后每股收益以及全年業(yè)績展望均超出華爾街分析師此前預(yù)期，但第三季度調(diào)整后每股收益展望未達(dá)預(yù)期，導(dǎo)致其盤后股價(jià)大幅下跌逾7%。雖然新冠疫情席卷全球，但英特爾連續(xù)兩季都實(shí)現(xiàn)了非常接近200億的營收，全年甚至可以展望一下800億這個(gè)無人企及的高度，但不幸的是，工藝問題的遲遲無法解決，讓英特爾的股價(jià)大幅下滑，相比于今年初的高位，整整下滑了30%，市值跌去了一個(gè)AMD。9.19的PE Ratio從某種角度來說，讓英特爾的這一數(shù)據(jù)接近于傳統(tǒng)制造業(yè)，而不像個(gè)高科技企業(yè)該有的樣子。（對比參考美國半導(dǎo)體股的PE R 大概在30左右，而中國科創(chuàng)板半導(dǎo)體股平均高達(dá)70）

相比于投資界只看結(jié)果，技術(shù)角度我們還是一起分析一下為啥英特爾這個(gè)半導(dǎo)體工藝的老司機(jī)這次遇到這么大的新問題，硬生生的從之前絕對領(lǐng)先到現(xiàn)在幾乎半代以上的工藝落后。一切的原因大概是從當(dāng)初10nm工藝節(jié)點(diǎn)開始的，而問題的核心就是這個(gè)“鈷”材料。正是鈷材料應(yīng)用的難產(chǎn)，讓英特爾從工藝上開始大幅落后，為何要?dú)w咎到新材料？因?yàn)橐杂⑻貭柡桶雽?dǎo)體設(shè)備廠之間的密切關(guān)系（在很多設(shè)備廠商那里，英特爾擁有最高的權(quán)限，專門的研發(fā)和服務(wù)團(tuán)隊(duì)，定制化的設(shè)備等），加上雄厚的半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，很難想象他們會在其他方面落后臺積電這么多。

鈷這個(gè)材料，算得上是普通金屬材料中比較特別的一個(gè)，元素符號Co，銀白色鐵磁性金屬，在周期表中位于第4周期、第Ⅷ族，原子序數(shù)27，鈷在地殼中的平均含量為0.001%（質(zhì)量），主要的工業(yè)用途是制造各種合金材料。值得一提的是，鈷是維生素B12組成部分，鈷元素能刺激人體骨髓的造血系統(tǒng)，促使血紅蛋白的合成及紅細(xì)胞數(shù)目的增加，而鈷和鈷化合物在2B類致癌物清單中。目前大家了解最多的可能是鈷60，作為常見的放射性元素用作放療化療應(yīng)用， 最近炒的比較熱的一顆就可以摧毀世界的正是基于鈷元素的。

電子傳輸是半導(dǎo)體芯片工作的物理基礎(chǔ)，半導(dǎo)體芯片是靠銅來作為基礎(chǔ)導(dǎo)電材料的，銅的電阻率低（金也一樣），綜合性價(jià)比最好。但當(dāng)工藝下降到10nm以下時(shí)，以銅作為導(dǎo)線材料就會出現(xiàn)導(dǎo)電速率不足的問題，這個(gè)時(shí)候就需要新的材料來替代成熟的銅導(dǎo)電方案，英特爾在這個(gè)時(shí)候選擇了鈷這個(gè)材料。2017年12月IEEE IEDM會議上，英特爾公司公開了將鈷金屬應(yīng)用于10納米芯片最細(xì)連接線的設(shè)想，并介紹了用鈷代替鎢制成的電接觸材料設(shè)備的性能。當(dāng)然這個(gè)技術(shù)并不是英特爾首創(chuàng)的，最早研究這個(gè)技術(shù)的是半導(dǎo)體設(shè)備老大應(yīng)用材料，他們早就布局研發(fā)來了一整套整合鈷金屬互連工藝解決是針對10納米/7納米以下制程的，可以滿足加速芯片效能，縮短芯片上市時(shí)間的需求。

相比于銅來說，鈷的電阻率是其3倍，但受到電遷移的可能性要小得多。當(dāng)電子加速穿過超薄線路時(shí)，它們會將原子驅(qū)趕到金屬中，就像是一位急匆匆的行人將另外一個(gè)人推到人行道外面一樣。為了保護(hù)銅互連，需要在纖細(xì)的線路中鑲嵌其他材料，如氮化鉭甚至是鈷。英特爾的報(bào)告中指出，在10納米加工技術(shù)的兩層超薄布線層中使用鈷互聯(lián)，電遷移減少了1/10至1/5，電阻率是原來的一半。改善后的互連線路將有助于半導(dǎo)體行業(yè)克服線路問題，進(jìn)一步縮小晶體管尺寸。在工藝改進(jìn)過程中，英特爾公司還曾經(jīng)將與晶體管柵極接觸的鎢金屬層替換成鈷金屬層。之前選擇用鎢是因?yàn)殒u有彈性且不會有電遷移問題。但是鎢的電阻率很高。

大家可以記住這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在2017年的時(shí)候，英特爾的14nm工藝和臺積電的16nm工藝不相上下，而在密度上英特爾表現(xiàn)更好，這個(gè)時(shí)候英特爾工藝依然有領(lǐng)先優(yōu)勢。這樣的重大技術(shù)革新，對英特爾這個(gè)老司機(jī)來說似乎是駕輕就熟的，畢竟過去20年來，幾乎所有的半導(dǎo)體工藝的重要革新，英特爾都是第一個(gè)嘗鮮者，甚至衍生出跟著英特爾走不會有錯(cuò)的論斷。比如最早的HKMG材料的應(yīng)用，比如最早的Gate-first和Gate-Last之爭，比如第一個(gè)FINFET工藝應(yīng)用等。即使第一個(gè)應(yīng)用新工藝新材料會帶來高額的成本壓力，即使鈷材料的基礎(chǔ)成本是銅材料的5-6倍，但財(cái)大氣粗的英特爾當(dāng)時(shí)有六百億的營收和30%+的凈利率支撐，加上CPU壟斷地位帶來的高額附加價(jià)值和豐富的調(diào)試新材料的經(jīng)驗(yàn)，一切看起來都那么美好，很多人可能都在期待在不遠(yuǎn)的將來英特爾帶著鈷材料引領(lǐng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)走向新的篇章。

但時(shí)間給出了截然不同的答案，選擇用銅合金的臺積電成了最大贏家，今天其市值已經(jīng)從18年初只有英特爾的一半到現(xiàn)在是英特爾的1.7倍。雖然在工藝追趕英特爾的路上，臺積電經(jīng)歷過40nm的難產(chǎn)（據(jù)透露背后的原因是臺積電從選擇IBM體系下的Gate-first研發(fā)到一半多之后轉(zhuǎn)而從頭研究Gate-Last，認(rèn)為英特爾當(dāng)初的方案才是能繼續(xù)走向28nm甚至22nm的正確方向），在張仲謀和蔣尚義的二次出山之后，臺積電的路逐漸走得越來越穩(wěn)健，并且在10nm和7nm工藝上選擇了更為穩(wěn)妥的銅合金而沒有去跟隨英特爾激進(jìn)的策略，從而實(shí)現(xiàn)了工藝節(jié)點(diǎn)上的反超，在目前英特爾7nm還沒有明確日期的情況下，臺積電今年下半年5nm即將量產(chǎn)并且已經(jīng)排滿了訂單。

雖然英特爾選擇讓首席工程師Murthy Renduchintala離職，并將技術(shù)部門重組為5個(gè)團(tuán)隊(duì)來應(yīng)對7nm工藝的難產(chǎn)和股價(jià)的下跌，但從另一個(gè)角度來說，這是選擇革命性工藝不得不承受的代價(jià)，賭就有風(fēng)險(xiǎn)，而這個(gè)賭注似乎只有英特爾承擔(dān)的起。素有牙膏廠雅號的英特爾正是因?yàn)閴艛嗟匚徊艜换挪幻Φ倪M(jìn)行技術(shù)更新和迭代，也才有底氣去挑戰(zhàn)新材料，而對于以代工為生的臺積電來說，一點(diǎn)點(diǎn)的失誤都可能帶來極大的損失，畢竟現(xiàn)在不是40nm時(shí)代即使出了問題后續(xù)依然有機(jī)會彌補(bǔ)（40nm的延誤不僅沒有讓臺積電失去客戶，反而因?yàn)?/span>28nm的快速推出拿下了當(dāng)時(shí)前十大半導(dǎo)體廠中從未合作過的三個(gè)），三星的步步緊逼讓臺積電必須確保自己的工藝演進(jìn)穩(wěn)定可靠。畢竟，材料這個(gè)問題讓英特爾去解決好了，反正兩家又不競爭，等技術(shù)真的成熟了之后自己再采用，這也是臺積電客戶們共同的呼聲吧。

于是我們現(xiàn)在看到的結(jié)果是，各種流言伴隨著英特爾的7nm量產(chǎn)推遲紛紛爆發(fā)出來，甚至還有人認(rèn)為英特爾會出售制造業(yè)務(wù)，筆者認(rèn)為這點(diǎn)很難出現(xiàn)，畢竟英特爾最核心的優(yōu)勢就是半導(dǎo)體工藝，這也是造就其cpu市場壟斷地位的最關(guān)鍵因素，即使現(xiàn)在英特爾的工藝方面依然有非常多行業(yè)頂尖的積累，而英特爾的工藝問題核心還是在材料應(yīng)用方面進(jìn)展遲緩，正如某位分析師所言，“英特爾一旦在互連材料的替代上取得先機(jī)，將銳不可擋。”筆者認(rèn)為，如果英特爾真的能在1-2年時(shí)間內(nèi)徹底解決鈷材料的問題，他們依然有機(jī)會在后續(xù)工藝制程中重新奪回領(lǐng)先的優(yōu)勢，畢竟新材料的威力值得任何人去期待。

800億的英特爾，據(jù)說迫于競爭壓力即將下單給400億的臺積電，這樣此消彼長情況下，臺積電的研發(fā)又有了新的支撐，而被迫大量代工的英特爾凈利率似乎要受到不小的影響，不過從半導(dǎo)體研發(fā)和設(shè)備投資來看，英特爾依然以百億美元的規(guī)模大幅領(lǐng)先臺積電，這依然是我們期待英特爾能成功突圍材料應(yīng)用難點(diǎn)的關(guān)鍵支撐，畢竟誰也不知道，真的到了3nm，銅合金材料是否還能繼續(xù)保持足夠可靠的電遷移表現(xiàn)呢？