改个名字反超台积电？Intel 2024年搞定2nm

2021年7月27日，intelceo帕特·基辛格在“intel加速创新：制程工艺和封装技术线上发布会”上发表演讲。

在这次线上发布会中，intel首次公布了未来数年的制程工艺和封装技术路线图，并对intel的工艺节点进行了重新命名，同时发布了全新的晶体管架构ribbonfet 和背面电能传输网络powervia，以及全新的foveros omni和foveros direct封装技术。

此外，在晶圆代工业务方面，intel也获得了突破。在今天的线上会议上，intel宣布已经与高通达成了20a工艺节点上的合作，同时在先进封装上也与亚马逊aws达成了合作。

一、intel启用全新工艺节点命名，2024年量产20a制程

众所周知，在半导*程工艺节点的命名上，通常是按照晶体管栅极长度来命名，数字越小越好。

但是在多年前，不少厂商为了取得市场营销上的优势，就已经脱离了严格按照晶体管栅极长度来命名制程工艺节点的方式，所以目前即使在同样的节点的命名下，各家在实际性能上也有着非常大的差异。

目前，单纯从节点命名上来看，台积电和三星今年将量产第二代的5nm工艺，相对于intel来说，处于领先的地位，但是从具体的性能来看，台积电的5nm性能是领先于三星的，而intel公布的数据则显示，其即将推出的7nm工艺性能则与台积电5nm相当。

此前intel在推出10nm工艺之时，曾极力推动以晶体管密度来衡量制程工艺性能，但收效不佳。

或许是为了规避目前混乱的制程工艺节点命名方式给intel带来的不利的竞争影响，此次intel公布未来制程工艺路线图时，也对其工艺节点的命名方式进行了重构。

intel引入了基于关键技术参数——包括性能、功耗和面积等的新命名体系。从上一个节点到下一个节点命名的数字递减，反映了对这些关键参数改进的整体评估。

以下是intel制程技术路线图、实现每个节点的创新技术以及新节点命名的详细信息：

● intel 7

intel 10纳米superfin的命名保持不变，但是新一代的“10纳米enhanced superfin”的制程节点将重新名为“intel 7”。

据介绍，通过finfet晶体管优化，“intel 7”的每瓦性能将比intel10纳米superfin提升约10%～15%，优化方面包括更高应变性能、更低电阻的材料、新型高密度蚀刻技术、流线型结构，以及更高的金属堆栈实现布线优化。

intel于2021年推出的面向客户端的alder lake将会率先采用“intel 7”工艺，后续预计将于2022年第一季度投产的面向数据中心的sapphire rapids也将会采用“intel 7”工艺。

● intel 4

此前被称之为intel 7纳米工艺的节点将被重新命名为“intel 4”。

据intel介绍，与intel 7相比，intel 4的每瓦性能提高了约20% ，同时它也将是首个完全采用euv光刻技术的intelfinfet节点。此前台积电的7nm euv工艺也只是极少部分环节采用了euv工艺。

具体的量产时间上，intel表示，intel 4将于2022年下半年投产，2023年出货，产品包括面向客户端的meteor lake和面向数据中心的granite rapids。

● intel 3

intel 3 将继续获益于finfet，相比前代的intel 4，intel 3将在每瓦性能上实现约18%的提升。这是一个比通常的标准全节点改进水平更高的晶体管性能提升。

intel称，intel 3实现了更高密度、更高性能的库；提高了内在驱动电流；通过减少通孔电阻，优化了互连金属堆栈；与intel 4相比，intel 3在更多工序中增加了更多的euv的使用。

intel 3将于2023年下半年开始生产相关产品。

虽然intel并未公布intel 3所对应的intel自身此前制程节点，或者其他友商的制程节点，但是从intel的介绍来看，intel 3应该相当于intel原来的5nm，而在具体每瓦功耗性能上可能相当于台积电的3nm工艺。这也是为何英特将其以intel 3 命名的原因。

● intel 20a

随着制程工艺越来越接近于原子水平的“1纳米”节点，工艺制程的优化和提升将会变的越来越困难，因此，intel将再度改变命名方式，将在intel 3之后的下一个节点将被命名为intel 20a（20埃米），以更好地反映更为细节上的创新。

而为了实现intel 20a制程，intel将会引入全新的两项突破性技术powervia和ribbonfet。

所谓ribbonfet实际上就是intel研发的gate all around（gaa）晶体管。intel表示，ribbonfet可提供更快的晶体管开关速度，同时以更小的占用空间实现与多鳍结构相同的驱动电流。不过，intel并未介绍其gaa晶体管架构与台积电、三星的gaa的区别。

△以上为intel提供的演示动画，并不代表最终实际产品形态

根据之前的资料显示，台积电将会采用典型的gaa形式——gaafet是（gate-all-around fets），即采用的是纳米线沟道设计，沟道整个外轮廓都被栅极完全包裹，代表栅极对沟道的控制性更好。相比之下，传统的finfet 沟道仅3 面被栅极包围。gaafet 架构的晶体管提供比finfet 更好的静电特性，可满足某些栅极宽度的需求。这主要表现在同等尺寸结构下，gaa 的沟道控制能力强化，尺寸可以进一步微缩。

而三星三星认为采用纳米线沟道设计不仅复杂，且付出的成本可能也大于收益。因此，三星设计了一种全新的gaa形式——mbcfet（multi-bridge-channel fet，多桥-通道场效应管），采用多层堆叠的纳米片来替代gaafet中的纳米线。这种纳米片设计已被研究机构imec当作finfet 架构后续产品进行大量研究，并由ibm 与三星和格罗方德合作发展。

而从intel公布的演示动画来看，intel可能采用了类似三星gaa的纳米片架构设计。

至于powervia，则是intel独有、业界首个背面电能传输网络。传统的互连技术是在晶体管层的顶部进行互联，由此产生的电源线和信号线的互混，导致了布线效率低下的问题，会影响性能和功耗。对此intel创新性的把电源线置于晶体管层的下面（即晶圆的背面），通过消除晶圆正面的电源布线需求，可以腾出更多的资源用于优化信号布线并减少时延，通过减少下垂和降低干扰，也有助于实现更好的电能传输，这使得intel可以根据产品需求对性能功耗或面积进行优化。

根据intel的预计，其intel 20a制程将在2024年推出。此外，intel还透露将会在2025年推出18a制程。

intel高级副总裁兼技术开发总经理ann kelleher博士表示：“intel有着悠久的制程工艺基础性创新的历史，这些创新均驱动了行业的飞跃。我们引领了从90纳米应变硅向45纳米高k金属栅极的过渡，并在22纳米时率先引入finfet。凭借ribbonfet和powervia两大开创性技术，intel 20a将成为制程技术的另一个分水岭。”

△intel高级副总裁兼技术开发总经理ann kelleher博士

二、率先采用high-na euv工艺

极紫外（euv）光刻技是采用高度复杂的透镜和反射镜光学系统，将13.5纳米波长的光对焦，从而在硅片上刻印极微小的图样。而目前asml是全球唯一的euv光刻机供应商。目前要实现7nm以下的先进制程，都必须要使用euv光刻机。

从7nm工艺开始，部分工艺已经采用了na(numerical aperture)=0.33的euv光刻设备，并通过降低波长来实现5nm工艺，但对于2nm以后的超精细工艺，需要实现更高的分辨率光刻设备。

intel要想实现20a制程，则需要依赖于asml的下一代高数值孔径（high-na）的euv光刻机。

asml去年已经完成了high-na euv光刻设备nxe：5000系列的基本设计，计划于2022年左右商业化。

intel表示，其有望率先获得业界第一台high-na euv光刻机，同时也将是业界首家将high-na euv光刻机应用到量产环节的厂商。这也是intel在制程工艺上能够重回领先地位的关键。

三、2024年超越台积电

从公布的相关制程节点的量产时间来看，intel将自今年开始量产intel 7 制程，此后每一年将会推出新一代的全新制程，这相比之前intel本就已经多次延宕的“tick-tock”节奏成倍提升。根据intel公布的信息，其将在2025年量产20a（20埃米，相当于2nm）制程。

如果intel20a制程能够如期量产的话，那么无疑将赶上台积电的节奏。按照台积电的规划，其2022年将会量产3nm制程，最快2024年量产2nm制程，而台积电的1nm尚未有相关信息。也就是说，intel将会藉由2024年的20a制程，从而实现对台积电的反超（按照晶体管密度来衡量，intel20a性能上可能相当于台积电的1nm制程），重新成为继续推动摩尔定律前进的领军企业。

“摩尔定律仍在持续生效。对于未来十年走向超越‘1纳米’节点的创新，intel有着一条清晰的路径。我想说，在穷尽元素周期表之前，摩尔定律都不会失效，intel将持续利用硅的神奇力量不断推进创新。”intel公司ceo帕特·基辛格非常有信心的说到。

四、先进封装技术再度升级

随着摩尔定律推进的速度的放缓，以及先进制程所能够带来的经济效益大幅减少（性能提升逐步减少，成本却持续大幅提升），先进封装技术已经成为了继续推进摩尔定律的经济效益的重要手段。

目前业界流行的多芯片先进封装架构，基本原则都是使用最优制程工艺制作不同ip模块，然后借助各种封装方式，在一个封装内实现多个芯片间以及与小芯片之间的高带宽、低时延的高速互联，构成一个异构计算平台，同时使得整个芯片封装体实现类似单芯片soc的性能，但是成本却大幅低于单芯片soc。

作为先进封装领域的领军企业，intel早在2017年实现了基于2.5d封装技术emib（嵌入式多芯片互连桥接）产品的出货。sapphire rapids是基于emib技术批量出货的首个intel至强数据中心产品。

intel表示，它也是业界首个提供几乎与单片设计相同性能的，但整合了两个光罩尺寸的器件。继sapphire rapids之后，下一代emib的凸点间距将从55微米缩短至45微米。

随后在2018年年底的intel架构日活动上，intel推出了业界首创的3d逻辑芯片封装技术——foveros 3d，它可实现在逻辑芯片上堆叠不同制程的逻辑芯片。以前只能把逻辑芯片和存储芯片连在一起，因为中间的带宽和数据要求要低一些。而foveros 3d则可以把不同制程的逻辑芯片堆叠在一起，实现晶圆级封装，裸片间的互联间隙只有50μm，同时可保证连接的带宽足够大、速度够快、功耗够低，而且3d的堆叠封装形式，还可以保持较小的面积。

据intel介绍，meteor lake是在客户端产品中实现foveros技术的第二代部署。该产品具有36微米的凸点间距，不同晶片可基于多个制程节点，热设计功率范围为5-125w。

除了emib、foveros 3d等封装技术之外，在2019年7月于美国旧金山举行的semicon west大会上，intel又公布旗下三项全新的先进芯片封装技术：co-emib、odi和mdio。

co-emib就是利用高密度的互连技术，将emib 2d封装和foveros 3d封装技术结合在一起，实现高带宽、低功耗，以及相当有竞争力的i/o密度。

odi（omni-directional interconnect）就是全方位互连技术，可以为封装中小芯片之间的全方位互连通信提供更大的灵活性。

mdio（multi-die io），即多裸片输入输出，是aib（高级互连总线）的进化版，为emib提供一个标准化的sip phy级接口，可互连多个小芯片。

在今天的线上会议上，intel又推出了全新的封装技术foveros omni和foveros direct。

据介绍，foveros omni开创了下一代foveros技术，通过高性能3d堆叠技术为裸片到裸片的互连和模块化设计提供了无限制的灵活性。foveros omni允许裸片分解，将基于不同晶圆制程节点的多个顶片与多个基片混合搭配，凸点密度翻了四倍，达到了1600 io/mm?。

而foveros direct实现了向直接铜对铜键合的转变，它可以实现低电阻互连，并使得从晶圆制成到封装开始，两者之间的界限不再那么截然。foveros direct实现了10微米以下的凸点间距，使3d堆叠的互连密度提高了一个数量级，为功能性裸片分区提出了新的概念，这在以前是无法实现的。

intel表示，foveros omni预计将于2023年用到量产的产品中。foveros direct则是对foveros omni的补充，预计也将于2023年用到量产的产品中。

五、intel代工服务获得突破

在今年的3月的在主题为“intel发力：以工程技术创未来”的全球直播活动上，新上任的intelceo基辛格公布了intel的idm 2.0战略，宣布投资200亿美元在美国新建两座晶圆厂，并重启了intel的代工服务（ifs）。

而对于代工业务来说，最为关键的两大因素就是产能和技术。

在技术上，intel目前在先进封装技术领域处于业界领先地位，并拥有多项独有技术。但是在先进制程技术上，intel相比台积电处于落后地位。不过，根据intel今天最新公布的路线图来看，如果一切都能够按照既定的时间节点落实的话，那么intel将会在2024年在制程工艺上实现对台积电的反超。

intel在今天的会议上对外表示，intel的先进封装及先进制程工艺将会全面对外开放。也就是说，其他的芯片厂商都可以采用intel最先进的制程及封装技术，这无疑是具有很大吸引力的。

在今天的会议上，intel也宣布已经与亚马逊签约，亚马逊将成为首家采用intel代工服务的封装解决方案客户。

此外，在晶圆代工方面，intel宣布高通将会成为首批采用intel20a制程工艺的客户。也就是说，高通2024年底推出的旗舰芯片或将由intel的20a制程工艺代工。

前面提到，对于代工业务来说，产能也是极为关键的一环。在今年3月，intel宣布投资200亿美元在美国亚利桑那州新建两座晶圆厂之后，今年5月，intel还投资35亿美元对美国新墨西哥州的rio rancho工厂进行升级，斥资100亿美元在以色列兴建新的晶圆厂。近日，intel 还追加了对哥斯达黎加封测厂投资，金额由2020 年12月的3.5亿美元，提高超过70%到6 亿美元。

最新的消息还显示，intel计划投资200亿美元在多个欧盟成员国建造芯片工厂。目前intel公司正在游说，希望赢得欧盟对该项目的财政和政治支持。

在今天的会议上，intelceo基辛格透露，将会在今年年底进一步公布在欧洲和美国的投资布局，“这是一笔足以支持大型晶圆厂的巨额投资”。

这一系列的投资无疑将极大提升intel在晶圆制造和先进封装方面的产能供应，这对于intel代工业务的后续发展非常关键。

不过需要指出的是，今天intel公布的突破性技术主要在intel俄勒冈州和亚利桑那州的工厂开发。

“intel正在针对制程和封装技术的未来进行创新，intel将按照既定节奏推出这些创新技术，intel将把我们出色的技术推至更广泛的行业领域。我们正以破竹之势前进，业界对于intel的回归反应热烈。可以说，intel的代工业务已经扬帆起航。”基辛格非常兴奋的说到。

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