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彎道超車台積電?英特爾一年前還拒用EUV 如今能否靠兩大黑科技達陣

英特爾希望靠高數值孔徑EUV在製程技術競賽扳回一城。路透
英特爾希望靠高數值孔徑EUV在製程技術競賽扳回一城。路透

本文共3026字

經濟日報 編譯葉亭均/綜合外電

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三年前,英特爾喊出要大舉進軍晶圓代工產業,震撼市場。然而,英特爾這一路來顯然沒有及時抓到台積電成功的「祕訣」之一,因為執行長基辛格在4月初的一場投資人會議上透露,英特爾甚至在一年多前,還反對使用ASML的極紫外光(EUV)微影設備。

台積電是在2019年宣布,在7奈米製程首度導入EUV微影技術,此舉一路為6奈米、5奈米、3奈米等更先進的製程奠定了良好的基礎;三星也同樣在7奈米製程就導入了EUV技術,甚至還有消息傳出,三星電子董事長李在鎔在出獄後就飛往荷蘭,親自拜訪ASML公司,除了要搶EUV機台,更要求ASML獨家供應更先進的設備。

英特爾採用EUV 比台積電晚了四年

相較下,根據荷蘭科技媒體Bits&Chips的一篇分析報導,英特爾直到2023年的9月才開始採用EUV設備進行量產,大約比三星和台積電晚了四年。

在今年4月2日,基辛格透露晶片代工業務受到決策錯誤的拖累,包括一年前反對使用荷蘭艾司摩爾(ASML)的EUV設備,而這樣的錯誤導致英特爾已經把30%的晶圓外包給台積電等外部合約業者生產。英特爾另外在一段宣傳影片中,把其晶圓代工事業的欠缺獲利能力歸咎於受到「過往決定拖累」。

英特爾執行長基辛格。美聯社
英特爾執行長基辛格。美聯社

基辛格說,英特爾現在已經改用EUV微影設備,隨著舊機器被逐步淘汰,EUV設備將滿足愈來愈多的生產需求。他指出,在採用EUV之後,「我們看到我們現在在價格、性能和重返領導地位方面都很有競爭力」。他說,相較下,在還沒採用EUV的時代,「我們承擔了大量成本,缺乏競爭力」。

英特爾已率先搶到更先進的EUV—高數值孔徑極紫外光

事實顯示,英特爾在「知錯」後,已卯起勁與台積電、三星等同業爭搶EUV機台。在去年12月,ASML於社群平台X貼出照片,表示開始將第一套最新半導體先進製程設備「高數值孔徑極紫外光」(High-NA EUV)系統的主要部分出貨給英特爾。

當時彭博報導,這套設備目的地是英特爾位於美國奧勒岡州的D1X廠,而英特爾執行長基辛格已承諾,要最先拿到這款機器,展現英特爾重新投入製造技術第一線的雄心。據報導,英特爾將獲得這種設備首十台中的六台。至於台積電,則也預告會在2024年取得高數值孔徑EUV設備。

基辛格在4月初的投資人會議上表示:「在我們度過不擁抱EUV和Intel 7的挫折的期間,使得產業(其他業者)迎頭趕上。但EUV的成本和複雜性導致整個產業的曲線趨於平坦」,「我們現在已突破EUV的壁壘,並轉向高數值孔徑EUV。重要的是,我們將經濟情勢重新納入摩爾定律……EUV的採用是這十年的障礙,而AI正推動運算需求爆炸性成長。物理學正在推動密度和封裝的發展,使更多的小晶片更加緊密地結合在一起,並以 3D的方式進行封裝。系統正在成為一個晶片,而當我們到達這種EUV過度的另一端時…英特爾在產業中是有高度價值地位的。」

觀察兩大發展:18A製程、率先採用高數值孔徑EUV的14A製程

究竟英特爾能不能達到目標在2030年超越三星、躍居第二大晶圓代工廠,並在接下來推動讓晶圓製程技術「彎道超車」台積電?接下來要觀察兩大發展。第一是英特爾18A製程的量產是否大為成功,第二則是能否利用高數值孔徑EUV抓住製程先機並順利搶客。

首先,Intel 18A製程是英特爾在2021年制訂「四年內推進五個製程節點」計畫的最終步驟。Intel 18A並非是使用高數值孔徑EUV,因為這項製程現在就要進入試產、年底前進入量產,但高數值孔徑EUV設備要等到今年稍後才會出貨。基辛格先前就曾透露,風險控管也是重要一環,因此延後了下一代微影技術的應用。

英特爾18A在2025年領先台積電與三星的技術優勢:晶片背部供電技術

儘管不會採用高數值孔徑EUV投入18A製程,但基辛格向巴隆周刊透露,他相信英特爾的18A製程節點會比台積電N2節點(2奈米製程技術)「超前一點」。Bits&Chips分析,18A將引進一大創新「晶片背部供電技術」(backside power delivery),而台積電打算在2025年下半年生產2奈米晶片,但在2026年前將不會開始提供晶背供電技術。

知名美國半導體科技部落格《SemiWiki》作者南尼(Daniel Nenni)指出,這代表英特爾將成為第一家提供晶背供電技術的晶圓代工業者,這對於尋求高性能、高能源效率晶片的客戶來說意義重大,也會成為英特爾在2025年勝過台積電和三星的優勢。

「晶背供電技術」主要是要降低功率損失的情況。英特爾採用的背面供電技術稱為PowerVia。傳統上,用來為晶片供電的細導線是位於晶片所有層的頂部,但隨著晶片技術變得先進,這種方式達到極限,提供電力的電線最終會與連接元件的導線互相干擾,導致浪費電力的混亂並導致效能降低。

PowerVia將電源的互相連結移到晶片背面,消除上述衝突。英特爾表示,這項變革使時脈速度(Clock Speed)提高6%,這代表效能更高。

PowerVia實際上會先用在英特爾20A製程,後者用於英特爾今年稍後將推出的Arrow Lake PC晶片,18A接著會改善20A的製程,並在2025年提供給晶圓代工客戶。南尼說,這代表英特爾在引進晶背供電技術方面將比台積電領先一年左右,這使得英特爾18A製程在明年提高產量時具有關鍵優勢,會比台積電預料將在其N2P製程節點中引進這項技術,到2026年某個時候才會推出搶先一步。

不過,18A能否大為成功,外界也並非沒有疑慮。台積電總裁魏哲家就曾表示,台積電的3奈米效能就比英特爾Intel 18A要好。另外,在一場研討會上,TechInsights分享台積電、英特爾、三星先進製程比較,也指出從電晶體密度看,不論台積電3奈米N3製程或強化版N3E,電晶體密度283MTx/mm²(每平方公釐百萬電晶體)及273MTx/mm² 都高過英特爾Intel 18A的195MTx/mm²。

採用高數值孔徑EUV帶來高成本疑慮

第二,則是觀察英特爾的第二張王牌,也就是能否順利靠「高數值孔徑EUV」來重新奪回半導體產業技術的領先地位。英特爾已宣布要在2027年前開發出下世代「Intel 14A」製程,雖然英特爾並未直接定義Intel 14A是多少製程技術節點,外界大多評估就是進入1.4奈米製程世代。屆時,14A將成為半導體業界第一個利用高數值孔徑EUV來製造的製程技術。

英特爾執行長基辛格今年3月24日為美國總統拜登解釋半導體技術。美聯社
英特爾執行長基辛格今年3月24日為美國總統拜登解釋半導體技術。美聯社

使用高數值孔徑EUV將讓業者避免EUV雙重圖案化,藉此改善設計自由度、降低製程複雜性並提高良率。要得到這些優勢,必須交換的代價是曝光面積減半,這使得製造大尺寸的晶粒(large die)變得複雜。

Bits&Chips報導,然而有報導指出,台積電目前還沒有全然相信高數值孔徑EUV的好處。半導體研究機構SemiAnalysis也在2023年底發表一篇報告,對高數值孔徑EUV的成本效益提出了質疑。

SemiAnalysis的報告指出:「我們的微影模型顯示,儘管降低複雜性,但在包括1.4奈米/14A在內的技術節點上,利用高數值孔徑EUV單一圖案化的成本,遠高於利用現有低數值孔徑機台進行雙重圖案化。此外,多重圖案化低數值孔徑EUV會比高數值孔徑能辦到更精細的間距特徵。」

英特爾希望靠高數值孔徑EUV在製程技術競賽扳回一城。路透
英特爾希望靠高數值孔徑EUV在製程技術競賽扳回一城。路透

這也令人好奇,英特爾是否會為了急於超車台積電,犧牲成本、急躁採用高數值孔徑EUV?或是將能利用高數值孔徑EUV來取得競爭優勢,以便在先前抗拒採用EUV而大大落後之後扳回一城?這會是未來幾年眾所聚焦的一場技術戰役。

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