英特尔孤注一掷

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自「arstechnica」，谢谢。

上个月，英特尔首席执行官 Pat Gelsinger 在凤凰城郊外的一个朦胧、狂风吹拂的日子走上讲台，然后高呼：“这是不是很棒！” 在他身后，两台大型建筑设备戏剧性地摆在亚利桑那州赭石土上，在公司的 Ocotillo 园区内形成了井井有条的管道、钢材和围栏。“如果这不能让你兴奋，那就检查一下你的脉搏，”他笑着说。与此同时，少数高管和政府官员在适当的时候鼓掌。

尽管沙尘暴正在聚集，盖尔辛格似乎真的很享受。他在亚利桑那州宣布的不是一个而是两个新的晶圆厂，完成后将形成 200 亿美元的赌注，押注英特尔可以重新回到半导体制造的领先地位，这是世界上最赚钱、最具挑战性和最残酷的业务之一。

“如今半导体是一个热门话题，”Gelsinger 继续说道。“您生活的哪个方面没有越来越受到数字化转型的推动？如果对此有任何疑问，COVID将其消除。”

在过去的一年半里，随着大流行的发生，让每个人都转向他们的屏幕，这就使得全球对设备（手机和笔记本电脑）和云服务（Netflix 和 Zoom）的需求激增，所有这些都由一系列先进的半导体提供支持。制造商竞相从其晶圆厂中挤出更多芯片，但在大流行之前，许多制造商已接近极限。尽管如此，英特尔及其竞争对手并没有急于建造新的晶圆厂——因为晶圆厂的成本高得惊人，如果没有持续的需求，半导体公司不愿意建造更多。

但是现在，随着全球大流行继续扰乱供应链，芯片制造商已经决定当前的需求激增不会消失。英特尔 200 亿美元的投资只是一个例子。三星在 5 月份宣布，它将在未来十年内斥资 1510 亿美元来提高其半导体产能。台积电在 4 月份也发表了类似的声明，承诺仅在未来三年内投资 1000 亿美元。

保持领先地位（制造最先进芯片的地方）所需的投资已将半导体竞争对手的数量从 2001 年的 20 多个减少到今天的仅两个。“有真的只有这几家厂商处于领先位置，因为这涉及庞大的资金成本”，乔治城大学的中心安全和新兴技术研究分析师Will Hunt说。

该成本是由在芯片上蚀刻越来越小的特征所需的设备价格驱动的。几年前，业界开始使用极紫外光刻 (EUV) 来缩小晶体管尺寸。EUV 机器是物理学和工程学的奇迹，一个工具的成本高达 1.2 亿美元。为了保持相关性，公司将需要在未来几年内每年购买十几个或更多。

为了使这类投资有意义，半导体制造商必须生产和销售大量芯片。哈佛商学院管理学教授Willy Shih表示：“当你有批量订单时，你就可以进行良率实验，提高良率，而良率就是一切，因为这就是你支付成本的方式。”

这就是为什么在 Gelsinger 领导下的英特尔现在正在做一些它历来回避的事情。“我们现在是一家代工厂，”Gelsinger 在亚利桑那州的奠基仪式上说。他说，在未来几年，英特尔将“为整个社区打开我们晶圆厂的大门，以满足我们客户的代工需求——其中许多是今天完全依赖外国供应来源的美国公司。”

但成为领先的代工厂不仅仅是建造晶圆厂和告诉客户你有产能制造他们的芯片。Gelsinger 将不得不改变英特尔的文化，并在某种程度上改变其技术，这两者都是根深蒂固的。“他必须让一艘巨轮掉头，”半导体顾问公司总裁Robert Maire说。

在未来几年，英特尔要同时应对多项挑战。随着公司推出新的商业模式，它还需要加倍研发力度，同时仍需谨慎对待现金流。（英特尔已经远远落后，以至于它现在计划将其最先进芯片的生产以及随之而来的部分利润外包给台积电。）这种转变需要高度关注。“代工业务可能会让人分心，”Shih说。

与此同时，他补充说，苹果、谷歌、亚马逊和其他公司正在从英特尔的标准化芯片转向他们自己的定制设计。如果英特尔不与时俱进，就有可能被甩在后面。“会有很多挑战，也会面临考验，”Shih说。“这会很难。”

尝试与失败

那是佛蒙特州伯灵顿一个晴朗的秋天早晨，州长Peter Shumlin在距离尚普兰湖仅几个街区的一座两层砖砌建筑中的拥挤房间里发表讲话。乌云从南方滚滚而来，反映了 IBM 将其芯片业务移交给 GlobalFoundries 的消息泄露后，绿山州上空的阴暗情绪。IBM 位于 Essex Junction 的晶圆厂距离 Shumlin 所在的地方 6 英里，当时雇佣了大约 4,000 名员工，使蓝色巨人成为该州最大的私营制造商。

前一天晚上，舒姆林与 IBM 和 GlobalFoundries 的高管进行了交谈，他们向他保证，他们没有裁员的计划。“这对佛蒙特州来说是个好消息，”舒姆林说，“因为 GlobalFoundries 从事芯片制造和开发业务。这就是他们所做的。”

尽管如此，佛蒙特人完全有理由担心。“我们都知道，近年来，IBM 在这一特定业务中的未来存在很多不确定性，”Shumlin承认。在高峰的时候，该工厂曾雇佣了 8000 多名员工，但到 2014 年宣布出售时，IBM 的微电子部门在经过几轮裁员后大幅缩水。该部门也拖累了 IBM 的利润，2013 年亏损7 亿美元，2014 年上半年又亏损 4 亿美元。

对于这个行业最著名的名字之一来说，这是一个可耻的结局。IBM 是首批从贝尔实验室获得晶体管专利许可的公司之一，几十年来，IBM制造的芯片使其大型机和服务器在竞争中脱颖而出。该公司的芯片制造技术因其独创性而广受赞誉。

在他们的大部分历史中，IBM 和其他美国半导体公司设计了他们制造的芯片，使他们成为所谓的集成设备制造商或 IDM。多年来，他们意识到他们可以出售晶圆厂的过剩产能以保持昂贵的机器忙碌，但这仍然是他们业务中相对较小的一部分。

这让时任加州理工学院教授的Carver Mead感到沮丧。在 1970 年代，Mead正在教他的学生如何设计和制造芯片，他对管理将设计转化为蚀刻硅所需的物流越来越感到厌烦。他能够将学生的工作偷偷带入英特尔的试运行，因为他认识创始人 Bob Noyce 和 Gordon Moore，并且教过许多在晶圆厂工作的工程师。但他也知道并不是每个人都可以使用这个选项。

Mead希望任何人都能够设计芯片，让其他人来处理其余的工作，他认为这个想法可能是一项可行的业务。“我从英特尔开始，”Mead说，“然后我会去找各家公司的 CEO，向他们解释为什么这可能是个好生意。” 他们都拒绝了他，说他们想拥有这些设计。“我基本上没有前景了，”他补充道。

然而，当他被邀请到台湾到政府的工业技术研究所演讲时，他的命运发生了转变。“他们对此非常兴奋，”Mead回忆道。那是在 1980 年代初期，台湾的目标是实现经济现代化。ITRI 的任务是支持制造业。台湾在设计、营销或销售先进芯片方面没有太多专业知识，但它在制造方面做得很好。台湾政府抓住了 Mead 的愿景，并请来了德州仪器 (TI) 前高管 Morris Chang，开设了一家致力于制造其他公司芯片的代工厂。

台积电于 1987 年在台湾政府和荷兰电子公司飞利浦的资助下成立。多年来，它吸引了更大的客户；甚至英特尔也开始与台积电合作制造一些鲜为人知的芯片。

其他公司也注意到了。IBM 于 1990 年代初开始认真出售其过剩产能，到 1998 年，它为 AMD 和 Cyrix 制造与 Intel 兼容的 x86 芯片。它向潜在客户（其中许多位于加利福尼亚）的部分宣传是，与 IBM 合作可以使其供应链多样化。“什么符合客户的利益？” IBM 的一位高管当时表示。“任何二次采购零件的简单能力。其他一些晶圆厂希望成为唯一的来源。”

2002 年，IBM 出售其过剩产能的另一个原因是其位于纽约东菲什基尔的价值 30 亿美元的尖端晶圆厂。公司历史上没有其他项目的成本如此之高，蓝色巨人需要收回部分投资，加倍努力赢得代工客户。到第二年，该公司已成为收入第三大代工厂——仍远远落后于台积电，但拥有一批蓝筹客户，其中包括索尼、高通、英伟达和 AMD。其晶圆厂技术令业界羡慕不已。“IBM 绝对是最好的，”一位行业分析师当时表示。“你为此付出了代价，但它是很棒的东西。”

然而，并非所有潜在客户都相信获得最好的技术值得冒险。一些人担心，一旦对其高利润服务器的需求回升，IBM 会将其代工客户推到最后。其他人则担心 IBM 的代工厂为自己保留了最好的技术，只有在他们的优势减弱后才共享它们。它确实共享的那些并没有迎合广泛的客户，并且公司对容纳他们几乎没有兴趣。曾在 AMD 和 GlobalFoundries 工作数十年的 HJL Lithography 首席光刻师Harry Levinson表示，IBM 的芯片技术“由其服务器组的要求定义” 。“他们基本上为一个客户制作了所有东西，那就是他们自己的内部客户。”

一个著名的例子是苹果，它在 IBM 的旧技术上苦苦挣扎。在 2000 年代初期，IBM 设计并向 Apple 提供了 PowerPC G5，这是 POWER4 服务器处理器的衍生产品。它在 Apple 宽敞的 Power Mac 塔中运行良好，但 Apple 难以将这种发热、低效的芯片装入笔记本电脑。在越来越多的客户购买笔记本电脑的时候，Apple 的 PowerBooks 开始进一步落后于 Windows PC。

最终，苹果转而使用英特尔的节能酷睿处理器，而 IBM 似乎并没有对这一决定感到心碎。众所周知，苹果是一个要求苛刻的客户，而 PC 芯片的利润率低于它们的服务器同类产品。“IBM 知道客户是谁——这是他们的服务器业务，”莱文森说。“它只是不承认这与他们的代工野心不符。”

当索尼、任天堂和微软在 2000 年代中期都在他们的游戏机上采用 PowerPC 架构时，IBM 的芯片部门被扔了一条生命线，但这还不够。“IBM 并没有将代工厂作为利润中心，”Maire 说。结果，该公司从未投入使业务成功所需的资金，很快其半导体业务就岌岌可危。IBM 最终向 GlobalFoundries 支付了 15 亿美元，把工厂转给后者。

小步骤

与此同时，台积电正在崛起。在整个 2000 年代，他们的收入不断流动，使他们能够投资于更大、更先进的晶圆厂。该公司正在证明代工业务不仅可行，而且利润丰厚。

很快台积电就开始向苹果求爱，此举最终将这家台湾公司推向了领先地位。苹果已经开始为 iPhone 设计自己的芯片，虽然早期版本是由三星制造的，但一场专利纠纷导致苹果寻找替代品。

苹果对台积电的芯片进行了几年的测试，然后在 2015 年的 iPhone 6s 中与三星的芯片进行了较量。三星名义上具有优势——它的晶体管更小，应该比台积电的更高效。但在大多数情况下，事实并非如此。台积电的芯片保持着自己的地位，当 iPhone 7 推出时，三星就出局了。分析师称赞这款手机“极其轻薄”和强大的处理器，从那时起，台积电就一直在 iPhone 中出现。

台积电掌握了低功耗处理器的艺术，部分原因是它已经为数百个不同的客户改进了技术。加州大学伯克利分校教授、台积电前首席技术官胡正明说：“当你拥有大量代工客户时，这些客户的产品周期并不都是同步的。” “几乎任何时候，只要您拥有一项新技术，就会有一些客户愿意为其付费。”

能够兼顾多个客户和技术的代工厂可以迅速超越竞争对手。例如，台积电的规模使其能够比其他任何公司更快地掌握极紫外光刻技术，从而减少了制造先进芯片所需的步骤数量并提高了其晶圆厂的产量。

胡正明接着说，大型代工厂有几十或几百个客户，这鼓励他们采取更小的进步，因为总有一个感兴趣的客户。他说：“当你采取更大的进步时，比采取更多的小进步更有可能滑倒。”公司也更容易从跌跌撞撞中恢复过来。

英特尔历来采取了重大飞跃，试图反映摩尔定律，该定律描述了晶体管密度每 18-24 个月翻一番。在公司历史的大部分时间里，英特尔都取得了成功，推出了令人印象深刻的更新，使公司大幅度领先于竞争对手。但随后在 2015 年，它下滑了。英特尔宣布在其 10 纳米节点上制造的芯片将被推迟。2017 年，它宣布再次推迟。很快，这家行业巨头不仅在竞争中持平，而且落后了。

与此同时，其他公司开始效仿苹果，设计自己的芯片，而不是像英特尔出售的那样购买现成的零件。随着台积电的领先，越来越多的公司将他们的设计发送给它，这让这家台湾公司有更多机会改进其工艺。如今，大约 90% 的前沿芯片由台积电制造，其余由三星制造。

“开发新一代技术非常困难，”胡说。“英特尔在非常领先的技术上落后于台积电和三星，可以追溯到英特尔没有参与代工的事实。”

信任代工厂

“真正的问题是，英特尔进入代工业务是否有助于他们重新回到前沿？” Eurasia Group 技术实践负责人Paul Triolo说。

半导体行业的成功在很大程度上依赖于规模。更多的销售意味着更多的机会来完善您的流程，而完善您的流程有助于您进入下一个节点。“这就是正在台积电发生的事情。在某个时候，他们达到了临界质量的能力和客户关系。这就是这个良性循环——这就是你所需要的，”Triolo 说。

“美国能否在不进入代工厂的情况下保持其技术领先地位？这确实是 Gelsinger 努力解决的问题，”胡说。“我当然同意这个结论，不，如果不涉足代工业务，英特尔就无法保持领先技术。”

对于英特尔和美国而言，采用代工模式代表着重大转变。从历史上看，领先的美国公司要么充当设计和制造芯片的 IDM，要么充当将生产外包给另一家公司（通常在亚洲）的无晶圆厂设计师。部分原因是计算机芯片的大部分利润来自设计和销售，而不是制造。台积电作为一家纯代工厂的成功“在历史上几乎是反常的，”加州州立大学蒙特雷湾分校创新与研究副主任詹妮弗·关说。不仅如此，“台积电已经证明这是一项有利可图的业务，”她补充道。很多人没想到会是这样。

现在，英特尔似乎正满怀热情地追求代工业务。到目前为止，英特尔已经宣布高通和亚马逊网络服务成为客户，代工战略和规划副总裁克劳斯·舒格拉夫表示，还有 100 家公司表示了兴趣。“这是一本很长的订单，他们来自各行各业。” 目前，英特尔似乎专注于高性能市场。“我们看到未来五年、十年的业务增长主要来自领先优势，”Schuegraf 说。

然而，代工市场的真正挑战不是吸引客户，甚至不是开发更好的技术——而是确保满足每个客户的需求。乔治城大学研究员亨特说，让台积电与众不同的一件事是它“能够满足广泛、广泛的客户需求”，尤其是芯片设计公司的需求。“英特尔在这方面没有那么丰富的经验。”

作为一家纯代工厂，台积电客户不必担心他们设计的独特元素会以某种方式泄漏到制造商自己的芯片上。“当您与台积电交谈时，基本原则之一是客户信任，” 斯坦福大学教授H.-S. Philip Wong说，他在2018-2020 年领导台积电的研发。“这对他们来说与制造能力一样重要。”

英特尔似乎已经从其之前尝试启动代工厂的失败中吸取了教训。与上一次不同，新的英特尔代工厂服务是一个独立的业务部门，直接向 Gelsinger 报告。Schuegraf 表示，多年来，该公司一直在与供应商建立关键关系，这样无晶圆厂公司就不必将他们的设计强加于英特尔的做事方式。而且他们的流程已经建立，因此客户不必担心他们的秘方会出现在其他芯片中。

“在我们利用英特尔核心的同时，我们能够隔离客户机密信息、划分这些信息并为这些客户提供服务，”Schuegraf 说。英特尔为特定客户定制的任何流程“只有那些需要知道的人才知道。” 他补充说，该公司还致力于“在我们如何分配产能方面保持公平和透明”。“这看起来很像与其他代工厂打交道。”

收购可能有助于英特尔快速获得其中的一些技能。今年早些时候，有传言称英特尔正在与 GlobalFoundries 进行谈判，但到目前为止还没有任何进展。“英特尔之前代工尝试的主要失败不是以客户为中心，也不是专注于为大量不同的客户制造大量零件，”Maire 说。“GlobalFoundries 做到了这一点。”

Schuegraf 承认，适应广泛的客户要求可能会考验公司，该公司历来依赖于其内部设计师与其制造部门之间的紧密关系。但他认为这是英特尔可以克服的挑战。“这会让我们有点紧张。但从根本上说，我们已经准备好做到这一点。”

处于十字路口的美国

任何人都需要一段时间才能判断英特尔的代工野心是成功还是失败。观察人士认为，在这之前至少需要三年，更有可能是五年。建造晶圆厂需要几年时间，而新的芯片设计则需要数月或数年的时间来测试和生产。“这些事情总是需要一些时间，”哈佛教授Shih说。

从长远来看，英特尔的成功还取决于美国的产业政策。台积电的成本低于英特尔，部分原因是它得到了台湾政府的大力支持。美国半导体工业协会估计，在美国建造和运营 10 年的晶圆厂成本比亚洲高30%，其中大约一半的成本差异归结为政府补贴。

国会正在考虑向半导体行业注资约 500 亿美元，以激励研发和国内晶圆厂的建设。这将在一定程度上促进公平竞争，但也会带来新的挑战。加州大学伯克利分校工程学院院长刘子杰表示，如果该法案获得通过，半导体行业每年将创造数以万计的新工作岗位。（刘也是英特尔的董事会成员，尽管她只是以院长的身份与 Ars 交谈。）“这意味着我们每年需要 5,000-10,000 名应届毕业生。没有任何一所大学——甚至像加州大学这样的大学系统——能够满足这种劳动力发展需求，”她说。

亨特说，短期内，高技能移民将有助于填补这一空白。但从长远来看，美国需要找到“增加我们即将涌现的人才数量”的方法，他说。“这真的是一切，从拥有职业学位的人到拥有博士学位的人。” 沿着这些思路，刘和她的同事一直在开发一个跨越行业、大学和社区学院的项目来满足需求。“我们希望采用半导体教育的最佳实践，并将其传播到全国，”她说。

美国和英特尔要重新获得半导体制造业的领先优势还有一段陡峭的山坡要爬，但与 Ars 交谈过的任何人都没有准备好放弃他们的机会。“我认为有一种观点认为，‘整个公司’专注于制造已经提高了台积电超越英特尔的可能性。但我不认为发生的事情是不可避免的，”亨特说。“美国拥有来自世界各地的人才，我们拥有强大的知识产权保护，我们拥有渴望与美国代工厂合作的设计公司生态系统。”

伯克利教授胡正明也同意这个观点。他指出：“我们有一个领导者，即英特尔，我们有技术基础，基本上可以与世界上最好的大学相提并论，”他说，“而且我们仍然拥有该领域最好的大学。” 也许，缺少的是一种紧迫感。能否取得成功，胡补充说，“实际上取决于你是否认为你必须这样做。”

目前，很多人认为美国——尤其是英特尔——别无选择。“我们已经看到，新冠病毒加剧了半导体相对较小的短缺，并使全球经济陷入混乱，”梅尔说。“美国的成功在很大程度上取决于这一点。”

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