国防部将高端先进制程芯片定义为工艺制程在7nm及更低尺寸的芯片【1】。从根本上说，集成电路是在很薄的半导体材料衬底中通过多层金属线相互连接的微电子器件组合。集成电路上的元件可以包括有源器件（例如，晶体管和二极管）和无源器件（例如，电容器和电阻器）。随着时间的推移，由于基础制造技术的不断进步，这些器件的尺寸已经大大缩小。随着晶体管越来越小，制造工艺中的流程与设备与前几代产品有很大的不同，从而需要更多的资金投入，技术经验和商业需求引领。因此，能够参与高端先进制程芯片制造领域的公司大幅减少。当前美国只有一家公司继续在该市场追击——英特尔。
A.美国最后一家高端先进制程集成电路制造商
在AMD和IBM分别于2009年和2014年将其制造设施出售给格罗方德半导体股份有限公司(GlobalFoundries)之后，英特尔成为美国仅存的可以自主设计和制造芯片的垂直整合制造商（Integrated Device Manufacturer，IDM）之一。在上个世纪，英特尔决定专注于服务器的处理器，而不是移动通信技术。这使得该公司未能从移动通信领域的大规模潮流中获益，从而降低了整体全球竞争力【2】。英特尔过去几年的年报表明了昂贵的制造成本是如何迫使该公司对无利润增长的业务线进行重组和成本削减的。例如，英特尔数据中心集团的收入在2015年至2019年期间增长了46%，而其半导体生产业务（可编程解决方案集团PSG，即原Altera FPGA业务）在同一时期只增长了15%，且2019年的年利润下降了6.4%【3】。相比之下，从2015年到2019年台积电增长了27%【4】，三星电子在同期出现了7%的增长，且一直呈现逐年上升的趋势【5】。
在多次的工艺节点延误之后，英特尔未能在更高端芯片生产的竞赛中跟上步伐。这一事实也许表明了以英特尔目前做法，已不可能自主生产超过特定精度的芯片【6】。英特尔已经承认了其创新进度变慢的趋势，并且几年来一直在努力应对【7】。虽然英特尔与美国国防部签订了合同，可以推动其部分业务为国家安全应用服务，但国防部的投入不足以帮助英特尔保持在美国的业务。这导致了美国半导体业务进一步外包和离岸制造，从而给所有国防部系统中必要组件的供应链带来更多风险。
通常，英特尔以10年为周期规划其研发模型。在2010年，它向股东发布了从2010年到2020年的技术路线图【8】（见图2-1）。
注：英特尔，2010
图2-1.预计的投资路线图
根据该路线图，英特尔计划在2015年开始制造10nm芯片，进一步在2017年开始制造7nm芯片。该路线图最初与英特尔在2013年三季度中开始研发10nm芯片的相关公告相吻合【9】。但是，英特尔在其10nm制造工艺中一直被延误的问题困扰。这些问题，特别是跟良率有关的问题【10】，导致英特尔不断推迟10nm芯片的发布日期。由于这些延误，英特尔直到2017年才开始研发7nm芯片【11】。尽管如此，英特尔终于在2019年发布了其10nm芯片【12】，并宣布将在2021年发布7nm芯片【13】。不幸的是，同10mm一样，7nm的制造过程一直在相同的问题中挣扎，研制过程中发现的一个缺陷将制造推迟到2022或2023年【14】。图2-2显示了这种延期的严重影响。上述延期情况使英特尔落后于与其最为接近的竞争对手（台积电和三星）整整两个工艺节点。然而，在比较英特尔、三星和台积电时，晶体管性能和节点尺寸以外的因素也必须纳入考虑。
持续的延误使英特尔越来越落后于其竞争对手。因此，英特尔与台积电达成协议，将使用台积电作为第三方代工厂。从2021年开始，英特尔将使用台积电的5nm节点制造低端芯片，最终将在2022年使用台积电的3nm节点生产中高端芯片【15】。英特尔还报道，其新的7nm独立显卡GPU将由台积电制造【16】。这可能会对美国阿贡国家实验室原本计划使用英特尔7nm GPU的Aurora超级计算机产生影响【17】。尽管英特尔表示直到2023年之前，仍然计划在其自己的工厂中进行大部分的生产【18】，且英特尔和台积电双方都认为这更像是一次性的协议【19】。但大家仍然非常担心，美国在短期内不会有任何本国的高端代工厂。
B.享受国家补贴的国外竞争者
英特尔在制造业的竞争对手获得了所在国家的投资或政府的优惠待遇。国防部将持续尝试提出鼓励国内半导体生产者的提案，这将不得不在供应链不同层次与补贴、政府支持、个别企业的商业决定以及隐性知识等现象竞争。英特尔的竞争力在于品质和最前沿的技术。然而当台积电达到最前沿水平时，英特尔的传统模式很难持续。
来自于台积电和三星的竞争的主要原因是，台湾和韩国政府的政策都有意促进科技行业的发展。自20世纪70年代和80年代以来，双方都致力于进行商品制造向高科技制造业的战略转移。三星的半导体业务在20世纪80年代的最初阶段得到了国家的推动。为了使韩国打入电信市场，韩国交通部向其全力提供半导体研究和资金支持【20】。此外，三星作为一家韩国“财阀”企业，获得了多种形式的国家援助。政府的有利政策以及其多样化的产业投资组合使三星占到了韩国GDP的15%【21】。与东亚的其他竞争对手不同，三星这个巨大的企业集团经常被比作韩国版的“经联会”（注：原文为Keiretsu，指的是日本三菱、三井一类与政府有密切联系的财团），与韩国政府有着深厚的关系，尽管没有任何关于国家支持的组织是其主要所有者的报道。
台湾有多种政府主导的发展途径。一直以来，政府资金和拨款通过台湾的工业研究设计院，被用于孵化高科技公司，其中就包括台积电和联电。根据Crunchbase的数据，在2019年，工业研究院收到了多项来自外国实体的拨款，包括来自阿联酋Krypto Labs创新实验室的拨款【22】。台积电的最大股东之一是台湾国发基金。该基金成立于1973年，旨在促进台湾的经济发展，由台湾行政院（政府的行政部门）运营【23】。台积电的另一个顶级股东是在2019年年报中列出的新加坡政府投资的新加坡政府投资公司（以下称GIC）【24】。GIC是新加坡财政部运营的两个国有财富基金之一，其既定目标为“实现高于全球通胀的良好长期回报，并保持和提高在我们管理下储备的国际购买力”【25】。这些活动和新加坡的另一家基金淡马锡控股公司是分开的，淡马锡控股公司被用于“在商业上拥有和管理其资产与投资”【26】。台积电总股权的11.64%由政府大股东投资构成，其中6.38%由台湾国发基金提供，2.93%由GIC持有，0.92%由台湾新劳工养老基金持有，剩下的1.41%由挪威中央银行持有，该行管理着挪威国有财富基金——全球政府养老基金。这些政府支持承担了原本只能由私人投资者承担的金融风险，使公司免受外部经济冲击，如市场波动和经济衰退或萧条。剩下的最大股东是美国资本集团（0.83%）和两个先锋领航集团的实体（总共2.33%）。
台积电并不是GIC唯一感兴趣的半导体生产企业。有报道称，GIC有兴趣投资中国最大的芯片制造商中芯国际【27】。通过政府投资，中国政府为新的集成电路制造企业提供基础设施、建设，甚至住房【28】。2020年8月，中国政府发布了一项税收政策，如果企业能够生产一定精密度的芯片，则可以免除该企业的企业所得税【29】。中芯国际主要生成低端制程的产品，同时也在奋力达到具有国际竞争力的水平，追求提供低成本的大宗商用芯片，同时试图将更先进的制造业本土化。
C.台积电专题研究
除三星外，在全球范围内，没有任何一家公司在制造精度增长方面具有与台积电相同的扩展能力。格罗方德（GlobalFoundries）放弃了10nm和7nm芯片制程，这使得高端先进制程芯片的竞争市场范围进一步缩小。台积电超越英特尔的原因，部分源于其作为芯片生产代工厂的位置。这使该公司能扩大收入合同的来源，也能通过制造商用的低精度芯片，来提高购买新制造设备的投资回报率。台积电从来不是芯片的设计者，仅仅是芯片的制造商，不必承担以越来越高的精度开发芯片所需的成本或风险，因此从这一角色定位中获得了收益。
台积电的竞争优势在过去两年中不断增强，争取到了与英特尔合作了几十年的主要客户。如图2-1所示，台积电一直奉行非常激进的发展战略，不断推进芯片制造的下一工艺节点。这使得台积电在高端先进制程集成电路领域获得了竞争优势。由于专门代工芯片制造，台积电已经主导了产品中需要高端先进制程集成电路的大科技公司的市场。例如，苹果公司曾经在其Mac电脑上使用基于英特尔的芯片，然而，它为其未来可预见的所有产品开发了一种基于ARM的先进芯片架构，并交由台积电生产【30】。作为英特尔的长期合作伙伴，微软最近宣布会设计自己的PC芯片和服务器芯片【31】，该芯片基于ARM架构，由台积电制造。亚马逊网络服务（AWS）几乎完全在由台积电制造的基于ARM架构的芯片上运行【32】。
台积电目前正在亚利桑那州建造一座价值120亿美元的工厂，那里有其他几家高科技制造商（包括英特尔）。目前的预测表明，该工厂可能以5nm节点为目标进行全面生产，每月生产约2万块晶圆【33】。报告显示，台积电开设这一家工厂可能是为了讨好美国政府，据称美国政府曾向台积电施压，要求其在美国开设工厂，专门支持与美国军队相关的业务【34】。由于台积电与华为关系密切，其地理位置接近中国大陆，可能受到中国政府的影响，且美国对任何在中国从事商业活动的公司施加经济制裁，因此美国一直对台积电进行严格的审查【35】。最近美国对包括华为在内的中国企业进行出口管制与制裁，实际上有效禁止了台积电与华为的商业往来。由于台积电依赖美国的技术来生产集成电路产品（主要是设计知识产权和部分制造设备），因此其受到美国的控制。台积电已经报告遵守了这些要求，并已采取行动吸纳新客户来抵消之前华为订单所带来的收入损失【36】。
D.高端先进制程芯片组的差异
目前，仅有台积电与三星有全面制造高端先进制程芯片组的能力。英特尔正在努力研发其7nm设计工艺【37】。据报道，中芯国际有能力制造7纳米芯片，但没有能力将7nm芯片投入大规模生产【38】。然而，芯片工艺节点的尺寸并不等同于芯片的先进程度。芯片制造商在先进工艺上采取了不同的技术路线，彼此之间不具有可比性，因此工艺节点的尺寸不是一个可以用来统一比较的性能指标，而更像是一个营销术语。一个更好的衡量标准是该工艺节点的单个裸片上所容纳的晶体管数量【39】。当芯片互相比较时，晶体管密度能够更加准确地代表芯片的性能，所以与单个芯片的性能这一指标更加接近的是晶体管密度。但是由于不同的芯片商有不同的芯片规格，这个指标也存在一些可比性的问题。表2-1展示了目前四个主要集成电路制造商晶体管密度的比较。
表2-1.过程节点的代表性性能
英特尔的10nm的晶体管密度要优于三星7nm的晶体管密度，并且其表现仅略逊于台积电第二代7nm节点工艺，二者晶体管密度分别为100.76和113.88。然而，台积电和三星已经突破了7nm节点工艺，开始全面生产5nm产品，并且台积电5nm节点的晶体管密度要明显高于英特尔10nm节点的晶体管密度。台积电还计划在2021年开始生产其3nm节点芯片，据称该节点芯片的晶体管密度几乎是其5nm节点的两倍【40】。如果英特尔在7nm节点复制其以往的性能目标，那么英特尔就能够和台积电、三星的5nm节点竞争。但是英特尔何时能够在7nm及7nm以下节点进行生产仍然是一个未知数。如表2-1所示，美国唯一的先进代工厂格罗方德已经决定不对12nm节点以下的工艺进行投资，即使在12nm节点，格罗方德的性能也已被其他制造商超越。
E.节点标签的转变
工艺节点的尺寸已经成为了营销标签，而不能够真正代表芯片性能的高低。如上文所述，英特尔10nm节点工艺的晶体管密度在物理上要低于台积电7nm节点工艺【41】。对于旧的芯片节点（节点大于20nm），纳米级测量才是“芯片内部真正的物理测量”，但是在20nm节点的开发过程中，由于厂商采用了新的制造模型——鳍状场效应管（FinFET）时，这一测量结果便出现了偏差【42】。FinFET是一种晶体管工艺，该工艺用一种新的晶体管来替代旧的平面晶体管，这种新的晶体管在晶体管的栅极上添加了“鳍片”，从而允许其更好地控制通过栅极的电流，并在栅极处于“关闭”状态时减少漏电流【43】。英特尔在其20nm节点上成功引进了FinFET工艺，但其他制造商（如台积电、三星和格罗方德）却在各自的工艺上苦苦挣扎。当其他制造商在20nm节点上不得不反复迭代并开发其他方法时，尽管他们的产品节点工艺并不小于20nm，他们仍然决定将产品标记为16nm/14nm，仿佛它们是下一代产品【44】。从那时起，除了英特尔外的其他制造商便开始根据这些曲解的惯例来命名他们的下一代产品（每次缩小30%），这也就导致了英特尔的节点工艺与其他代工厂的节点工艺之间有显著差异。这些惯例造成了英特尔的工艺落后于其他制造商，但其性能却不相上下。
F.节点光刻技术的转变
在7nm节点的前一代是10nm节点，是由被称作自对准多重曝光（SAQP）光刻机所制造的【45】。这种方法使图案在硅片上形成轮廓，通过提高所使用光刻技术的精度，允许芯片制造商在节点尺寸上超越物理限制。这种方法涉及到芯片上层叠多种图案，使得芯片制造商能够在更精细的层面上操作【46】。这种方法不同于老式的光刻-蚀刻-光刻-蚀刻（LELE）的方法，其通过减少芯片完成所需步骤来简化工艺。然而值得注意的是三星在其10nm节点仍然使用LELE工艺【47】，这可能会显著增加其生产成本，与此同时台积电和英特尔都采用了SAQP方法。
先进制程节点的决定性特征之一是大规模生产所需的新的光刻方法。极紫外光刻（EUV）技术能够产生超短波长的光，这使得其光刻工艺的精度比SAQP高得多，让制造商的产品节点越来越小【48】。EUV使用了与之前的SAQP完全不同的波长，并且需要专门的机器完成这一过程。【49】
译文 | 《高端先进制程集成电路供应链风险》（美国国防分析研究所）连载一：摘要及第一部分：https://mp.weixin.qq.com/s/TlXp2hL4oc7IHwjfe4BLZA
参考文献：
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6.David Rotman, “We’re Not Prepared for the End of Moore’s Law,” MIT Technology Review, February 24, 2020. https://www.technologyreview.com/2020/02/24/905789/were-not-prepared-for-the-end-ofmoores-law/.
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19.https://www.pcgamer.com/intel-tsmc-not-long-term/.
20.Peter Evans, Embedded Autonomy, Princeton University Press, Princeton, NJ. 1995.
21.Peter Pham, “What Is South Korea's Secret Weapon?” Forbes, May 13, 2018. https://www.forbes.com/sites/peterpham/2018/05/31/what-is-south-koreas-secretweapon/?sh=77159c416b2f.
22.“Krypto Labs,” Crunchbase, https://www.crunchbase.com/organization/krypto-labs.
23.Op. cit., TSMC Annual Report 2019.
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27.https://www.spglobal.com/marketintelligence/en/news-insights/latest-news-headlines/chinesechipmaker-to-chase-more-advanced-technology-with-ipo-proceeds-59327563.
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29.Op. cit., “Government Incentives and US Competitiveness in Semiconductor Manufacturing.”
30.https://www.wired.com/story/apple-mac-intel-switch-guide/.
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34.https://hothardware.com/news/tsmc-under-pressure-to-build-chips-in-us.
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38.https://www.tomshardware.com/news/chinese-smic-tapes-out-first-n-7-nm-chip-but-mass-productionuncertain
39.https://semiengineering.com/knowledge_centers/manufacturing/process/nodes/.
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47.https://www.eetimes.com/apple-huawei-use-tsmc-but-their-7nm-socs-are-different/2/.
48.https://semiengineering.com/knowledge_centers/manufacturing/lithography/euv/.
49.Ibid.
原文来源：网络安全应急技术国家工程研究中心
原文始发于微信公众号（关键基础设施安全应急响应中心）：译文 | 《高端先进制程集成电路供应链风险》（美国国防分析研究所）连载二
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