晶圆代工台积电

苹果和高通都只做芯片的设计,不自产芯片。高通的芯片,全部都交给中国台湾积体电路制造股份有限公司(简称台积电)代工。苹果的处理器芯片最初交给三星代工,后来还是把处理器芯片的订单全都给了台积电。三星手机是苹果手机的最大竞争对手,苹果自然希望尽量减少给三星的订单,台积电的晶圆加工能力远胜于三星也是事实。台积电一个企业就占据了全球晶圆加工产业的半壁江山,一个中国台湾的代工企业,又是如何做到这么厉害的?

1958年夏,德州仪器的许多员工都正在享受公司为期两周的传统假期。新入职的杰克·基尔比因没有攒够假期,不得不在公司加班。就在这段比较郁闷的时光里,基尔比突发奇想:“将晶体管一个个排列在半导体晶片上,是可以做出极小的微型电路的。”他兴奋地把这个想法告诉了一个和他关系很好的同事,来自中国台湾的张忠谋。张忠谋对此不以为然,由此错失了一个可以名留青史的好机会。当年9月12日,基尔比把这个想法变成了现实,研制出世界上第一块集成电路——在面积不超过4平方厘米的电路板上,集成了晶体管、电阻和电容等20余个元器件。基尔比凭借这项“轮子之后最重要的发明”获得了诺贝尔物理学奖。

张忠谋也并非一无所获。见证集成电路的诞生,让他体会到前沿技术的力量。从那以后,即便是那些看似和自己当下事业无关但有可能改变产业的新技术,张忠谋一律都会关心。即使他日后获得了相当巨大的成就,他仍然一直感谢基尔比早年给他的启发。

1974年,中国台湾效仿美国硅谷产学研相结合的模式建立电子工业研究中心,即工业技术研究院(简称工研院)的前身。工研院选派了一批工程师前往美国无线电公司学习集成电路的设计和制造技术,这批工程师中有不少对中国台湾半导体产业的崛起起到关键作用的人物,其中包括联发科(Media Tek)公司的创始人蔡明介、世界先进公司前董事长章青驹等。工研院还于1985年在硅谷设立办公室,跟踪和学习先进技术,并招募华裔工程师。海外留学人才从此持续、大量地回到中国台湾。有了人才和技术,工研院还扮演孵化器角色,中国台湾第一家芯片设计与制造的联华电子股份有限公司(简称联电)、全球最大晶圆加工厂台积电、第一家8英寸生产线世界先进半导体等公司均由工研院分衍出来,并在新竹产业园共同构筑起完整的产业链,形成联合生产群。工研院和新竹产业园在中国台湾半导体产业发展的过程中发挥了至关重要的作用。

曾经在德州仪器做到资深副总裁的张忠谋,正是在这一背景下被请回中国台湾,出任工研院院长。1987年,在张忠谋的主导下,台湾当局出资1亿美元,与飞利浦和其他资本,共同成立了台积电。工研院和飞利浦都给了台积电重要的技术支持。创立之初,由于生产工艺落后,台积电的盈利情况很差。不过转机来得很快,当时正在进行的美日半导体战争给了中国台湾意外的机遇。

英特尔在存储器领域称霸多年,在当时人们的心目中,英特尔就等同于存储器。相较存储器来说,处理器只是英特尔的副业。在日本人“定价永远低10%”的疯狂进攻下,英特尔存储器的销售份额直线下滑。要不要在存储器领域坚持下去?当时的英特尔执行总裁安迪·格鲁夫问了CEO摩尔一个问题:“如果我们被踢出董事会,他们找个新的CEO,你认为他会采取什么行动?”摩尔犹豫了一下,答道:“他会放弃存储器的生意。”格鲁夫死死地盯着摩尔的眼睛,然后说:“那我们为什么不自己动手呢?”安迪·格鲁夫:《只有偏执狂才能生存》,中信出版社,2010年,83页。

于是,摩尔和格鲁夫破釜沉舟地抛弃了存储器业务,一口气关闭了八家工厂中的七家,将全部精力转向处理器业务,这才成就了后来的处理器巨人。1987年,英特尔换帅,格鲁夫成为CEO。张忠谋与格鲁夫的私交甚好,于是就请英特尔对台积电可以进行代工生产的认证。格鲁夫也需要应对日本半导体产品的低价竞争,于是就在台积电晶圆加工工艺落后英特尔两代的情况下,将部分订单交给了台积电。英特尔的订单不仅是台积电的第一桶金,还是对台积电生产能力最好的背书,相当于给台积电打了一个全球性的广告。张忠谋从此坚定了只走代工道路的信念,这在当时是一件不可想象的事情。因为那时甚至还没有独立的半导体设计公司,全世界半导体企业都是一体化模式。英特尔、德州仪器、IBM、东芝、富士通等巨头自己设计芯片,在自有的晶圆厂生产,并且自己完成芯片测试与封装,产业链完全封闭。几乎没有人看好台积电首创的分工模式,但张忠谋认为,这是一个巨大的商机。这个决定对台积电,乃至对整个世界的半导体产业链,都产生了深远的影响。

2000年,全球晶圆加工进入从8英寸厂转向12英寸厂的迭代,高达30亿美元的投资成本远远高过1995年由6英寸厂转向8英寸厂时的资本开支,许多芯片一体化巨头犹豫了,最大的担心就是产能不满而可能产生的巨额亏损。半导体产业深受经济波动的影响,当时正逢全球互联网泡沫破裂,半导体产业跟着进入衰退周期。但半导体产业建厂一定要在行业低潮期,逆周期投资才能实现赶超。张忠谋看到了机会,加速扩产。当时台积电一年获利也不过30亿美元,张忠谋竟然坚持连续建了三座12英寸工厂,将竞争对手远远甩在后面。一旦领跑,台积电就采用激进的5年折旧政策,折旧期内高价销售,获取了超额利润和充沛的现金流来支持高额资本开支,设备折旧完了就打价格战,阻击追赶者,维持领先优势。实行一体化模式的企业,包括张忠谋的老东家德州仪器在内,就这样被台积电一一击溃,现在仍坚持这一模式的仅剩下英特尔与三星两家公司。

仅有资本支持,没有技术领先也是不行的。另一场关键的战役是发生在2003年的0.13微米制程之争。生产芯片的精度越高,工艺也就越先进,用同样的材料可以制造更多的电子元件,连接线也更细,处理器的集成度自然更高,功耗也会随之变得更小。过去晶圆加工的技术多是授权自IBM,台积电亦然。发展到0.13微米的时候,台积电毅然放弃与IBM的合作,第一次自己开发技术。这一役,让台积电的技术发展获得重大飞跃,在0.13微米世代上,拉开与联电之间的缠斗,并在迭代到65纳米及之后都一直保持领先地位。而联电因选择继续与IBM合作0.13微米制程而最终落后。

台积电通过开创晶圆代工、瓦解芯片行业的一体化模式而取得成功。事实上,在芯片产业,它不是第一个这么干的,也不会是最后一个。比如计算机产业,早期的电脑企业如苹果和IBM,都是一个企业将芯片、操作系统、电脑组装到应用软件的所有事情都干了。今天的一台电脑,却是英特尔的芯片、微软的操作系统、联想的电脑到众多的应用软件商的分工组合。应该说,从纵向一体化到横向分工化,是信息产业的普遍规律。

晶圆代工模式看似简单,却是个很难坚持的道路。与台积电并称中国台湾“晶圆双雄”的联电,比台积电还早7年创立,可是联电同时也跨足芯片设计,让国际芯片设计公司担心在联电代工有可能技术外流。走一体化路线的英特尔和三星亦难拿到外部订单,比如英特尔一直想从高通手中抢走苹果芯片的订单,因此高通就不可能把订单下给英特尔。台积电始终坚持“不与客户竞争”的铁律,才将竞争对手全都远远抛在身后。

中国台湾的半导体产业大约与韩国同时起步,发展路径也很相似。中国台湾早期依靠给在台建厂的美日厂商做低端加工起步,积累所需知识与技术。当时在台的美日厂商愿意授权的仅有制造和封测技术,中国台湾缺少自己的核心技术。在韩国的半导体产业崛起后,日本眼看无法在价格与规模上和韩国竞争,就将低代线的液晶面板技术和存储器技术授权给中国台湾的企业,扶持中国台湾半导体产业的成长。

三星为了控制成本和降低风险,也有30%的液晶面板要向中国台湾采购。中国台湾面板行业快速崛起,位居前列的五家企业号称“面板五虎”。2007年,台湾友达光电的面板发货量排名全球第一,LG飞利浦和三星电子分别排名第二和第三。数据来自美国专业显示器调研机构Display Search。然而,台湾面板业未能风光多久。2008年全球金融危机期间,三星和LG的彩电销量下降,就不再外购面板,自己的面板生产线的产能就足够使用。友达、奇美等台湾企业由于没有自有彩电品牌,在面板需求大幅下滑时无计可施,最后依靠祖国大陆彩电企业的支持才渡过难关。

不仅是面板,存储器价格也受金融危机冲击而雪崩,从2.25美元跌至0.31美元,中国台湾的众厂商哀鸿遍野,三星却做出一个令人瞠目结舌的决定:将三星电子上一年的利润全部用于扩大产能,增加市场的供应。三星可以依靠运营其他产业来给存储器业务提供资金支持,而中国台湾的6家存储器企业仅从事单一业务,融资能力又弱,结果全军覆没。连给中国台湾的企业提供技术授权的欧洲奇梦达(Qimonda)公司和日本尔必达(Elpida)公司也都倒闭了,分别被中国紫光公司和美国美光科技(Micron Technology)公司收购。

中国台湾的企业没有韩国财阀那样的融资能力和抗风险能力,在存储器、面板等项目上都竞争不过韩国,半导体技术整体上始终落后。中国台湾最终还是在旱涝保收的代工领域找到了最适合自己的位置,也避开与美日韩半导体产业链的直接竞争。

晶圆代工模式的兴起,大大降低了半导体行业的进入门槛,催生了大量的芯片设计企业,造就了全球半导体产业链的繁荣。没有台积电就不可能有高通、博通这样的芯片设计巨擘出现。台积电也开启了全球半导体产业向中国台湾分流的历史潮流,让中国台湾因晶圆代工的兴起而拥有了不少半导体龙头企业,如芯片设计的联发科、做封测的日月光等。

而联发科2003年推出的手机系统芯片,又在深圳掀起了一场轩然大波。