半導體教父的台積電 如何顛覆了晶片產業

作者:張智偉   |   2017 / 11 / 01

文章來源:好奇心日報   |   圖片來源:Jayroz


10 月 23 日,全球市值最高的半導體企業台積電 (TSMC) 在台灣慶祝了它的 30 週歲生日。

在台積電創始人張忠謀的邀請下,蘋果公司 COO Jeff Williams、輝達 (Nvidia) 創始人黃仁勛、高通 (Qualcomm) 公司 CEO 等七位半導體大佬悉數到場,並在一個小型研討會上探討了未來十年半導體產業的發展方向。

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對於張忠謀而言,從 1987 年創辦台積電到今天,他用了 30 年將這家公司從零打造成全球最大的晶圓代工集團,市值超過英特爾 (Intel) 。

就像蘋果 (Apple) 委託富士康生產 iPhone 和 iPad 一樣,今天的半導體產業已經把晶圓代工視為慣例。高通、輝達、聯發科、Broadcom 等半導體設計公司從上世紀 90 年代甚至更早就將晶片生產、封裝及測試需求外包出去,自己的工程師團隊則專注在架構設計工作上。

蘋果近兩年的行動處理器 A10 和 A11 Bionic,輝達 Nvidia 設計的新一代 PC 顯示卡,華為公司的麒麟系列處理器,以及所有你知道型號的聯發科 MTK 處理器,全都由台積電生產。

而在 30 年前,人們普遍不覺得對技術要求極高的晶圓外包是個好主意。張忠謀改變了整個產業的看法。

56 歲創辦台積電

1985 年,張忠謀聽從時任台灣行政院院長孫運璿的勸導,辭去了美國通用儀器 (General Instrument) 公司營運長的工作,回到台灣擔任工業研究院院長。這一年的張忠謀 54 歲。他曾在知名半導體公司德州儀器 (Texas Instruments) 工作了 25 年,直接負責晶圓生產事務。

晶圓是晶片製造的根本。大規模生產晶圓 (wafer) 涉及到的步驟和工序非常複雜。簡單來說,是先從二氧化矽 (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單晶矽片。這些圓形的矽片還要經過多次蝕刻、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晶片。

20171020174147spi68TSMUgfCd4Lb.jpg-w600(2 寸、4 寸、6 寸、8 寸晶圓,圖:維基百科)

當時的德州儀器是一家蒸蒸日上的半導體公司,接到了 IBM 等好多家公司的晶圓訂單。但也經常遇到良率下降、成品延期等情況。

張忠謀憑藉自己的勤奮和聰明,將 IBM 生產線的良率提升到了非常理想的水平,還多次受到客戶嘉獎。

20171016152220Kxscyl1QE45GAdvI.png-w600(德州儀器工作時期的張忠謀 (中),圖:NHK 紀錄片)

在德州儀器,張忠謀最高做到了副總裁,是整個公司的第三號人物。但回到台灣,情況則很不一樣。作為一個政府資助的機構一把手,張忠謀的主要任務是將台灣打造成一個半導體商業中心。這也是孫運璿在 70 年代末為台灣定下的發展方向。

按照這位行政院長的規劃,他希望張忠謀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,產業內稱其為整合設備製造商 (Integrated Device Manufacturer) 。當時矽谷的明星公司英特爾,就屬於這個類型。

但八十年代的台灣,半導體產業基礎幾乎為零,也缺少資歷豐富的專業人才。張忠謀仔細考察過後,決定創辦一家只從事晶片製造和封裝測試的公司,命名為台灣積體電路製造股份有限公司,TSMC。

20171016150921IL4tupEKZGQDO9Hg.png-w600(張忠謀在台積電開幕發佈會上,圖:NHK 紀錄片)

2013 年,張忠謀接受日本 NHK 電視台採訪時回憶到,英特爾創始人戈登·摩爾(Gordon Moore)得知後並不認為這是個好主意。

為了給台積電創立尋求第一筆風險投資用來建設廠房和採購設備,張忠謀親自給美國、日本的十多家半導體企業寫信。但包括 Sony、三菱 (Mitsubishi) 在內的大多數半導體公司都拒絶了,其原因都是認為單一的晶圓製造生意行不通。

幾經輾轉努力之後,台積電依靠台灣政府和荷蘭皇家飛利浦 (Euronext) 的兩筆資金,以及一些民間資本共計 13.775 億新台幣正式成立。

晶片產業從此產生了設計和製造分離

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 片六英吋晶圓,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。

轉機發生在 1988 年,英特爾 CEO 換成了更年輕的安德魯·格魯夫 (Andrew Grove) 。他和張忠謀私交甚好,受邀到台灣參觀台積電的晶圓工廠。

201710161540050jBQOvgZ9TaPI43o.jpg-w600(左一:安德魯·格魯夫,圖:維基百科)

當時的英特爾,受日本東芝、Sony 等半導體公司的激烈競爭,已經在 1985 年宣佈退出動態存儲晶片 (DRAM) 市場,集中研發力量設計更強大的 CPU 處理器。

格魯夫參觀完台積電工廠之後發現,其晶圓生產工藝比當時的英特爾落後兩代半,但最終還是決定將一部分生產任務分派給台積電。

消息傳出,在整個半導體產業形成了示範效應,主動來找台積電的半導體設計公司也多了起來。台積電也陸續在美國加州、荷蘭阿姆斯特丹等地設立分公司,從而能更深入地瞭解客戶需求。

到了 90 年代,矽谷湧現了一批新興的半導體公司,Broadcom、輝達、Marvell 陸續創立。它們在網路晶片、圖形處理、Wi-Fi 晶片設計等領域域各有專長。一個共同點是,這些半導體新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。

台積電成了這些公司的第一選擇。1998 年,輝達同台積電達成戰略合作,將所有的圖形加速顯示卡交給台積電生產。雙方合作的第二年,輝達率先提出了 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產業改採用。

20171016153757gNGMjEYHCmFUbWcJ.png-w600(輝達創始人黃仁勛,圖:NHK 紀錄片)

有了英特爾、輝達等成功的客戶案例,台積電的晶圓代工模式迅速被半導體產業接受,接到的大訂單也越來越多。到了 2000 年,台積電全年營收首次逼近 60 億美元。十年後,這個數字翻了不止一倍。

20171016150750LPqMpBYWv67ZhDKt.jpg-w600(台積電全年營收,圖自:台積電)

對於整個半導體產業而言,台積電只從事製造不涉足晶片設計降低了其它公司進入半導體產業的門檻。台積電同輝達、高通、蘋果、博通、以及後來的 ARM (安謀) 等公司形成的緊密合作關係,甚至比 PC 時代微軟 (Microsoft) 和英特爾的聯盟更加成功。

在這種分工模式下,ARM 能專心設計更優秀的指令集,高通、蘋果則可以更好地處理器性能和功耗的平衡問題,剩下的生產、測試、封裝等任務全部交給台積電,完全不用這些公司分散精力。這也從硬體層面保證了智慧型手機的性能每年都在大幅提升,也越來越好用。

在總結台積電取得成功的經驗時,張忠謀解釋說,總能找到正確的客戶對於一家代工企業來說至關重要。從早期的英特爾,到後來的輝達、博通、Marvell、ATI、AMD、高通,包括聯發科和華為海思,每家公司的晶片都有龐大的年出貨量。客戶的成功,為台積電帶來更多營收,而張忠謀又把營收中的大部分用在擴充產能和新技術研發上,形成了正向循環。

到今天,台積電多年晶圓代工經驗積累下的工藝技術、良率控制和封裝測試能力,大幅降低了半導體公司採用新設計的門檻和研發成本。

十多年前開始研究手機處理器的華為受益於此,去年才涉足半導體產業的小米旗下松果電子也正從中獲益。

只做“代工”的晶圓廠確保了摩爾定律的延續

2001 年,全球網路經歷了第一次泡沫破裂,無數家公司關門大吉。半導體產業也受到影響,台積電營收在這一年首次出現了下滑。此時的張忠謀仍然在新技術研發上不計成本地投入。

他聘用 3D 晶體管技術 (FinFET 和 FDSOI) 的主要發明人胡正明為台積電 CTO。這項技術,簡單講是把晶體管排布方式從原來的平鋪改為立體堆疊,使得單位面積內能容納的晶體管數量更高。而一枚晶片的晶體管越多,一般認為它的計算性能就越強大。

在胡正明擔任 CTO 的三年多時間裡,台積電加速消化這一新技術,並在量產過程中不斷嘗試,終於在 2013 年率先將 16 奈米 FinFET 工藝投入風險生產 (risk production) ,比三星電子 (Samsung) 旗下晶圓代工部門領先了差不多兩年時間。

蘋果公司在 2015 年推出的 iPhone 6S 就有大約一半採用了這種工藝製造出來的 A9 處理器。而 A9 的下兩代處理器,A10 和 A11 Bionic 也都是台積電生產的。

2014 年,張忠謀為了攻克 10 奈米的技術難關,親自在公司內部啟動了“夜鷹計劃”。這項計劃募集近 400 位研發人員,以比較優渥的條件讓這些工程師按照 24 小時三班倒的形式進行製程研發工作,最終解決了所有技術挑戰。

iPhone 8 上搭載的 10 奈米製程的 A11 Bionic 就是“夜鷹計劃”的成果之一。它的性能跑分成績已經大幅領先了高通和三星的頂級 SoC。

對於未來,張忠謀在退休之前已經為台積電做好了中短期規劃。

今年 9 月 12 日,台積電在南京投資 30 億美元的晶圓廠建設基本完成,張忠謀親自出席了廠房移機儀式,並宣佈從 2018 年下半年開始,在南京工廠生產 16 奈米晶圓,規劃月產能達 2 萬片。

與此同時,台積電希望繼續按照摩爾定律,推進晶圓製造的工藝升級。根據台積電的路線圖,預計從明年開始量產 7 奈米晶圓,2019 年將極紫外光刻 (EUV) 技術的 7nm+ 技術導入量產,2020 年計劃 5 奈米開始量產。接下來還有 3 奈米和 2 奈米。

為了預防未來研發過程中可能遇到的阻礙,台積電還在這條路線圖上增加了 8 奈米和 6 奈米製程。老對手英特爾還有三星也在拚命研發更尖端的半導體製造工藝。

如果說摩爾定律終有一天會失去效力,那麼在台積電的計劃裡,我們距離那一天至少還有 4-5 年時間。

好奇心日報》授權轉載

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