老老實實做代工的台積電,在芯片業扮演什麼樣的角色。為什麼張忠謀退休是件大事

台積電改變了芯片製造,以及個人電腦和手機的發展

「這個領域沒人會寫一本 Principia(牛頓《原理》三卷本),然後維繫 200 年。計算機世界沒有被人瞻仰幾世紀的畫作、或者供人瞻仰數百年的教堂。不,在這個領域,一個人做了自己的工作,十年之後就會過時,一二十年之後連用都不能用了。」

「計算機領域有點像是沉積的岩石,你在一座山裡貢獻了其中薄薄的一層,使山變得更加高聳。但最終,人們只是站在山頂,只有帶着 X 光才能看到裏面是什麼樣子。」

1994 年正在艱難維繫第二家創業公司 NeXT 公司的喬布斯接受硅谷歷史協會(Silicon Valley Historical Association)採訪時這麼比喻自己的工作。

喬布斯本人因為 3 年後重返蘋果,在聚光燈下發佈 iPod、iPhone、iPad 又重新被人銘記至今。但計算機領域的大多數貢獻者確實就像他說的一樣,漸漸被人遺忘。

6 月 5 日,主持完台積電(TSMC)2017 年年度股東大會後,87 歲的張忠謀正式從他創辦的公司退休。跟李嘉誠退休的盛況相比,張忠謀退休的消息相對平淡,媒體報道基本在兩天內結束。而台灣媒體談的更多還是「台灣半導體教父」、半導體行業「強人時代」落幕,當然,還有已經用濫的「台灣之光」。

台積電對於世界的貢獻遠比讓台灣有了高科技產業大得多。

今天台積電市值超過 2000 億美元,是全球前 30 大上市公司。但它創辦 31 年來只做一個生意——把其它公司設計的芯片造出來。台積電是全球第一個專門做這生意的公司,它啟動了芯片製造的分工——有人專門設計、有人專門製造。

因為有台積電這樣的公司專註于越來越複雜的芯片製造,專門的設計公司,比如英偉達、ATI、高通、博通甚至蘋果才能專註於提升芯片設計。這種分工在 PC 時代帶來 3D 圖形處理革命,在智能手機時代更是直接促成因素之一。現在芯片業談起自動駕駛,台積電依然是背後的支柱。

像羅伯特·諾伊斯、比爾·蓋茨、史蒂夫·喬布斯一樣,張忠謀創造的公司在過去幾十年里改變了技術的發展,在那座山裡壘起不可缺少的一層。



股東大會上宣布退休的張忠謀

 

 

集成電路,現在計算機和互聯網存在的基石,也是台積電的開始
台積電(TSMC)是「台灣積體電路製造股份有限公司」 的縮寫。顧名思義,就是在台灣製造積體電路,也就是集成電路。

集成電路是現代計算機業的起點,它能在更小的空間里聚集更複雜的電路。在 1958 年集成電路發明之前,由晶體管組裝的計算機一台就幾乎要堆滿一整個房間。

但集成電路的出現和台積電或者張忠謀都沒什麼關係。那年 27 歲的張忠謀剛加入老牌半導體公司德州儀器。同年,比他早加入公司沒多久的工程師傑克·基爾比(Jack Kilby)發明了第一塊集成電路。

「當我在德州儀器日夜拚命的時候,一件驚天動地的大事在我眼前默默發生。但我當時不理解集成電路這個東西的實際用途,總覺得還遠得很。」這是張忠謀在幾十年後自傳中寫下的話。他當時倒也沒有看錯,基爾比最初的設計是在鍺上面,無法大規模生產。

仙童半導體解決了這個問題。1950 年代八個年輕的博士從肖克利半導體實驗室辭職,在銀行家阿瑟·洛克的幫助下成立了這家公司。這其中就有未來提出同名定律的摩爾博士,英特爾創始人諾伊斯等。在基爾比的發明出現半年之後,羅伊斯研製出了硅晶片上的集成電路,這讓大規模製造成為可能。

今天的數字芯片已經比當時複雜無數倍,但最終的原理都還是羅伊斯那會兒的硅集成電路。

兩個巨大的政府工程計劃推動了集成電路的爆發。在阿波羅登月計劃(Apollo Project)和「民兵」(Minuteman )導彈開發計劃的採購下,半導體行業迎來了增長。在半個世紀里,集成電路充斥在生活的各處電子設備中,從衛星到微波爐、從火箭到手機。集成電路也越做越小,變成設備內的微處理器——芯片。

隨後的 20 年間,美國最核心的投資者,科學家開始意識到芯片背後的半導體產業是一個機會巨大的舞台。資金,技術和年輕人不斷湧入這個行業。

與此同時,張忠謀一直在德州儀器工作,一路升任副總裁,管理 3 萬人規模的集成電路製造業務。



基爾比製作的第一塊集成電路,而現在的芯片只有指甲蓋大小了

 

 

摩爾定律運行二十年後,個人電腦形態確認,台灣開始籌備台積電

研究芯片多年的摩爾博士在 1965 年提出摩爾定律:每 18 個月左右,芯片上的晶體管數目將增加一倍,芯片的價格將降低一倍,而性能則增加一倍。比定律更重要的是,英特爾把它兌現了。比如英特爾 1971 年推出 4004 芯片,集成了 2250 個晶體管。到了 1985 年英特爾推出的 386 芯片,已經集成了 27.5 萬個晶體管。這是個人電腦革命到來的性能基礎。

在芯片成熟的同時,個人電腦形態開始成形。1981 年,第一台 IBM PC 問世,之後開放標準給第三方廠商生產。隨着廠商相互競爭,個人電腦的成本問題被解決。

1984 年,喬布斯帶隊研發的蘋果麥金塔電腦 (Macintosh)發佈,過於昂貴,但確定了個人電腦使用圖形用戶界面和鼠標的方向。個人電腦變得易用起來。

當然還有微軟在 1980 年代後期逐步完善的 Windows 操作系統和 Office 辦公軟件。個人電腦不再是車庫作坊里出來的極客玩具,企業開始大規模買入公司,提升辦公效率。

1980 年代另一個明顯的趨勢是,製造業開始從美國、西歐向亞洲轉移。1960 年代,國際的服裝生產中心就開始第二次轉移,從美國、日本轉移到新興地區,如韓國和台灣地區。

包括台灣在內的這些地區,勞動工資只有日本的一半,或不到一半,而且勞動力豐富,所以電子、電機工業、合成纖維等需要大量工人的壟斷資本開始向台灣擴張。接手簡單加工 20 年後,台灣決定從簡單的服裝加工進行產業升級。前台灣行政院院長孫運璿在 1970 年代就提出了要建立半導體產業的目標。

當時,孫運璿提出將台灣打造成一個半導體商業中心,創立一家從架構設計到生產,再到封裝測試的全能型半導體公司 —— 跟英特爾當時的定位一模一樣。為此他在 1982 年找到張忠謀,這個管理 3 萬人生產團隊的人是半導體行業里經驗最豐富的亞洲人。

但孫運璿第一次和張忠謀的接觸並沒有說動他。在半導體行業 25 年的張忠謀認為當時台灣半導體產業基礎幾乎為零,也缺少資歷豐富的專業人才。建立和英特爾一樣,自己設計自己生產的公司,在這個重資產,重技術的行業里註定會失敗。事實證明後來威盛也確實失敗了。

1985 年,德州儀器決定轉型做類似蘋果公司的消費電子,這和張忠謀的規劃背道而馳,而民國政府在幾年內多次邀請他回去。

最終,在德州儀器工作了 25 年的張忠謀決定辭職,並且打定主意不做和英特爾一樣的生意,而是只做這個生意的後半段——芯片製造。在回憶錄里張忠謀提到,自己一直看着同事離職創業,有設計芯片的想法,但很多因為湊不到足夠的投資建廠製造芯片而失敗。

這是一條從未有人走過的路,從一個沒有分工的行業里分了工。54 歲的張忠謀開始了第一次創業。



1971 到 2011 年芯片產品晶體管數量和時間對比圖,驗證了直線代表的摩爾定律。

 

 

台積電拿了巨資起步,開始不計成本的投入製造技術

「當時並沒有太多人看好只做芯片加工的生意。民國政府可能是當時最支持我的人,但他們也並不太理解,只是願意投資我試一試。「22 年之後,年過 7 旬的張忠謀在電腦歷史博物館的活動上接受英偉達 CEO 黃仁勛採訪時回憶起當時的經歷。

不只是投資人不看好,張忠謀向摩爾博士請教這個想法,也被直接否定。摩爾博士以及當時很多人認為,因為製造、封測均對芯片企業資金成本有着非常高的要求,尤其是製造行業,需要龐大的資金投入到新技術的研發中。

張忠謀在和英偉達 CEO 黃仁勛的聊天中提到,「在台積電創立之初,有一個占股 5% 的投資人請他吃了三次,每一次都要詢問眾多問題。但這個投資人並不懂半導體。他唯一擔心的問題就是,台積電該如何和巨頭英特爾競爭。」

「台積電和他們不存在競爭,這是一個完全新的模式,我們甚至會合作。」張忠謀笑着回答。但沒有過往道路上的成功者,這讓投資人更加害怕了。

為了籌到更多的錢,張忠謀寫信給索尼、三菱等半導體公司,但都被拒絕了。最終還是民國政府在背後幫了他。張忠謀稱籌款團隊裡有三個是政府的部長,「我記得最後總共有 5 個第三方投資者,其中兩個是被我說服的,另外那三個則是政府直接要求投資者入股的」。



1986 年,宣布台積電成立的張忠謀

台灣曾先後於 1984 年、1986 年籌設了 8 億和 16 億新台幣的風險投資政策性引導基金,由台灣行政院和國資銀行出資,旨在發展創新科技。

1986 年,台積電宣布成立,台灣民國政府幫助聯繫荷蘭皇家飛利浦共同注資約 2.2 億美元的資金,政府給的占其中 48%。如果計算這 30 多年的通貨膨脹,這筆資金等於現在的 36 億美元。和蘋果、微軟這些從車庫開始的小公司不同,台積電誕生之初就是一個擁有巨大資本的大公司。



拿到投資,張忠謀立刻在一年後建立起了晶圓廠/ 1987 年台積電晶圓廠

 

之所以張忠謀需要這麼多錢,原因就在於他知道製造芯片是一個花大錢的生意。

芯片生產極其複雜,而且正隨着摩爾定律變得越來越複雜。

簡單來說,是先從二氧化硅(SiO2)礦石,比如石英砂中用一系列化學和物理冶煉的方法提純出硅棒,然後切割成圓形的單晶硅片,這就是晶圓(wafer)。



從硅棒上切下的晶圓片

 

晶圓還要經過多次蝕刻、光罩等處理,將微型電路覆蓋到表面上。最後還要通過嚴格的測試、切割、封裝、再測試等工序才形成了一枚最終可用的邏輯芯片——它可能是 CPU、也可能是手機里負責移動通信的基帶處理器或者幫助電腦連上 Wi-Fi 的那塊小芯片。



蝕刻、光照的原理圖。利用芯片公司設計好的電路圖,紫外線透過光刻膠在晶圓片上覆蓋微型電路

即使建好了晶圓廠,並不意味着投入結束。晶圓尺寸,芯片製程的不斷升級都需要大量的資本投入才能達到。

現在我們常看到英特爾或者蘋果、高通芯片上說到的 CPU 製程這個概念,其實就是晶圓板上微型電路之間的間距,從最早的 3 微米到現在的 10 納米,7 納米等。如之前的摩爾定律所示,芯片行業幾乎每 1 年半就會在製程上升級。而晶圓片的大小也隨着技術的發展在增加,從原先的 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸到現在 16 寸大小的晶圓片。


 
2 寸、4 寸、6 寸、8 寸晶圓片

製程減少,晶圓片的尺寸增大,意味着同一塊晶圓上能放入更多的電路,最後切割出更多的芯片,芯片的成本也會進一步降低。

對於沒有太多資本的新興技術公司來說,承受技術進來帶來的成本提高,考慮建晶圓廠來自主生產芯片幾乎是不可能完成的事情。

台積電做的就是將複雜的生產包下來,讓新公司可以從 0 開始設計芯片。

有了資金,張忠謀立刻在 1987 年蓋起了第一座晶圓廠。在創辦的第一年,台積電的工廠只有 3 微米和 2.5 微米兩種生產工藝,全年產能不到 7000 片六英寸晶圓,良率也不高,基本接不到大公司的晶圓訂單,整個公司在以虧損的狀態運行。

但張忠謀並未停止對於工廠的技術升級,他請來英特爾來對工廠進行認證和升級,在一年內解決了 200 處技術問題。此後為了保持台積電在芯片技術上的領先優勢。張忠謀一直在台積電的管理中堅持高額的資本投入。

台積電這種在芯片製造技術上的巨大投入堅持到了現在,即便在 2001 年,互聯網泡沫破滅,互聯網公司和計算機公司都在成批量倒閉,但張忠謀還是堅信芯片需求不會變成,在當時將晶圓廠的研發支出上升到凈利潤 80%(那年因為泡沫破滅,台積電利潤已經暴跌)的地步。


2001 年,互聯網泡沫破滅,台積電依然保持高研發支出

到了 2015 年,英特爾的資本投入已經減少到 73 億,但台積電依然保持在 81 億美元的投入。

 




來源:海通證券報告

 

 

而最重要的研發支出方面,2000 年之後,台積電的研發支出始終占凈利潤的 20%。研發支出在營收中的佔比則從 90 年代的 3% 增長到現在的 8%。



來源:海通證券報告

 

在保持這樣的研發資本投入的過程中,台積電從 1994 年到 2015 年的收入規模擴大了 44 倍,收入增速年增加 19.7%。 2015 年台積電晶圓產量達到了 900 萬片的規模,是全世界最大的晶圓代工企業,產量佔全球一半的銷量。

如今來看,大力發展芯片製造技術是一件理所應當,並且獲利頗豐的事情,三星也靠半導體業務賺到豐厚的回報。

但回看過去,1980 年代火過的新技術太多了,智能語音、VR、人工智能都曾經是未來象徵。選對一個方向沒有那麼容易。

 

 

台積電促成了芯片分工,這是新一代芯片公司快速成長起來的基礎

隨着台積電的增長,芯片代工製造後來成了一個行業,不只常被提及的台灣台聯電,後來三星甚至英特爾都開始了代工業務。

這讓各類芯片設計公司都沒有關於生產的後顧之憂。

90 年代,北美湧現了一批新興的半導體公司,博通、英偉達、Marvell 陸續創立。它們在網絡芯片、圖形處理、Wi-Fi 芯片設計等領域域各有專長。一個共同點是,這些半導體初創公司本身都沒有自己的晶圓廠,也沒有資金和人力搞定生產環節,對外部晶圓生產線有極強的需求。

台積電成了大多數公司的選擇。1998 年,英偉達同台積電達成戰略合作,將所有的圖形加速顯卡交給台積電生產。雙方合作的第二年,英偉達提出了 GPU(圖形處理器)概念,可以幫助 CPU(中央處理器)分擔一部分圖形動態渲染等計算任務。這個概念後來被整個半導體行業所採用。

隨後,英偉達發佈的 GPU 備受市場追逐,為其代工的台積電也快速增長。1987 年到 1991 年之間,台積電的銷售複合增長率一度達到了 74%。而多年以來,台積電的銷售平均複合增長率也達到了 19.7%。張忠謀在這次的退休股東會上直接表示,「我自己都認為,31 年歷史的台積電,是一個奇蹟性的增長。」

而英偉達也受益於台積電快速,高效的芯片生產在那幾年保持了幾乎每年 70% 的複合增長率。私下和張忠謀關係交好的英偉達 CEO 黃仁勛曾半開玩笑說:「如果等我自己建廠生產 GPU 芯片,我現在可能就是一個守着幾千萬美元的公司,做個安逸的 CEO。」

台積電的巨額投入讓那些芯片設計廠商不再需要花費資金自己投資建設生產線,降低了設計環節進入壁壘,同時也降低產品研發失敗的風險,從而促使半導體設計環節內湧現更多中小廠商。

英特爾還是自己設計、自己製造,牢牢把持着利潤豐厚的桌面 CPU 市場,但逐漸,CPU 不再只是唯一重要的芯片。

 

 

多樣化的芯片業分工直接促成了智能手機的爆發

個人電腦時代對於電力沒有那麼多限制,一個極其高性能的 CPU 可以解決各種問題。到了手機,就儘可能將特定的工作交給專用芯片解決。

等到 2006 年蘋果開始為第一代 iPhone 製造開始衝刺的時候,芯片業已經豐富的芯片可以解決各種問題,大多數都沒有自己的工廠,而是交給台積電或其它晶圓廠製造。

Ifixit 拆開過第一代 iPhone。你可以在網站上看到其中所有芯片的型號。我們統計了其中由代工廠加工,芯片公司設計的功能芯片數量和型號。


CPU:Samsung ARM架構處理器 ARM1176JZF (三星設計生產)
內存:Samsung S3C6400(三星設計生產)
無線閃存堆棧芯片:1030W0YTQ2 (英特爾設計生產)
GPU:PowerVR MBX Lite 3D GPU (設計和生產分工,一開始是英特爾代工,2009 年後為台積電 )
音頻:Wolfson audio WM8758BG(Wolfson 只設計,生產外包給台積電)
電池管理芯片:Linear Technology 4066(Linear 只設計,生產外包)
無線網絡芯片:MARVELL,W8686B13(MARVELL 只設計,台積電代工)
手機信號功率放大器:Skyworks GSM / Edge(Skyworks 只設計,生產外包)
藍牙芯片:Skyworks CSR BlueCore4-ROM WLCSP(設計和生產分工)
手機信號管理芯片: Infineon M1817A11 (英飛凌只設計,2009 年生產外包給台積電)
多媒體芯片:Infineon PMB8876(英飛凌只設計,2009 年生產外包給台積電)

 

可以看到,在初代 iPhone 拆解的 11 個芯片里,三星和英特爾等採用自己設計的芯片、自己生產的芯片只佔了 4 個,而由台積電探索出來的設計和生產分開的芯片生產模式則提供了剩餘全部的芯片。

台積電所開啟的只專註芯片生產,而不涉及芯片設計的分工模式,讓移動手機內需要的大量不同功能的芯片誕生創造了條件。也讓一部手機內的芯片不再只是幾家芯片巨頭來壟斷。

之後高通,恩智浦等無廠芯片設計公司開始因為移動手機市場的爆發,營收開始不斷上升。其中,高通(也是台積電客戶)可以每年將 20% 以上的營收投入研發,一方面設計出技術最領先的芯片銷售,另一方面還產生了很多的核心專利,並將其授權給下游的廠商使用。這也得益於不需要在芯片生產上進行投入帶來的好處。

 

 

張忠謀退休,但台積電的生意還沒結束

作為製造業轉移的一部分,半導體的芯片製造因為晶圓加工的技術要求較高,並沒有向服裝加工業一樣走向低端化。

現在台積電的市值約為 2000 億美元左右,和英特爾的市值差不多,甚至一度在 2017 年超越了英特爾。而三星電子加上全球第一大手機生意,市值則是 2800 億,也只是比台積電多 1/2。

在 6 月 5 日,宣布退休的股東大會上,張忠謀表示,預計台積電 2018 年收入將增長 10-15%,驅動力來自高性能計算、各種物聯網應用、汽車駕駛等方面。

台積電最新的 7 nm 工藝預計本季度投產,並在第四季度達到最大產能,屆時有望為台積電貢獻 10% 左右的收入。張忠謀曾表示「台積電已經拿到了 7nm 100% 的市場份額」,暗示其最大競爭對手之一的三星,一份 7nm 工藝的芯片訂單都沒拿到。

而接下來,台積電新的兩位接班人之一的魏哲家表示,台積電計劃在未來 3 年拿出 250 億美元研發 5nm 的芯片製造技術。作為對比,台積電 2017 年總營收不過 330 億美元而已。

芯片製造的投資規模變得越來越大了。

但人們記住的更多是手機背面印着的品牌以及屏幕里互聯網公司的 Logo。Intel Inside 已經成為過去,你不會在手機上看到芯片的標誌。驍龍之類的名字只有媒體和發燒友還會掛在嘴上。最大的三個手機公司,三星、蘋果、華為也都自己設計芯片,而蘋果正將更多芯片製造代工從三星轉向沒有競爭關係的台積電。

芯片越來越隱形,但它依然是驅動這一切的動力。在計算機這座山裡,台積電 1980 年代帶來的那次分工依然是重要的一層。

好奇心日報 2018-06-25/羅驄 龔方毅

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