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遙遙領先,臺積電做對了什么?

2020-11-26
來源:半導體行業觀察
關鍵詞: 臺積電 三星

     11 月24 日,臺灣叱咤全球的半導體產業再進入一個新的里程碑!那就是晶圓代工龍頭臺積電位在南科的3 納米廠正式舉行上梁典禮。根據外媒《彭博社》的報導指出,臺積電的3 納米制程預計將在2022 年的下半年正式量產。臺積電董事長劉德音也表示,3 納米廠廠房基地面積約為35 公頃,無塵室面積將超過16 萬平方公尺,大約是22 座標準足球場大小。而屆時當3 納米進入量產時,當年產能預估將超過每年60 萬片12 吋晶圓,這也將使得臺積電繼續保持技術領先地位。

  根據市場研究及調查機構《IC INSIGHTS》的最新研究數據顯示,2020 年全球前15 大半導體廠當中,臺積電的年營收可望達454.2 億美元,將僅次南韓三星(Samsung)及處理器龍頭英特爾(Intel),居全球第3 大半導體廠。不過,相較于三星有記憶體及晶圓制造,英特爾以銷售處理器及其他芯片為主的商業模式,臺積電則是其中唯一的純晶圓代工廠。

  另外,根據TrendForce 旗下拓墣產業研究院的調研結果顯示,2020 年第3 季臺積電在全球晶圓代工市場的市占率高達53.9%,也就是在前10 名的晶圓代工企業當中,其他9 名的總和都沒有臺積電一家多。而這今日的臺灣之光,掌握全球半導體制造產業的重要關鍵,當時是如何建立?這就得從1974 年在臺北的一場會議中談起。

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  推動經濟轉型促成兩大龍頭

  1974 年,當時的行政院秘書長費驊,會同包括經濟部長孫運璿、交通部長高玉樹、電信總局局長方賢齊、工研院院長王兆振與電信研究所所長康寶煌等政府官員,再加上美國無線電公司( RCA)研究主任潘文淵聚在一起討論如何促進臺灣經濟轉型,希望能從原本的紡織業轉而發展電子業。討論結果最后決定,藉由政府的主導來發展集成電路產業,由經濟部在工研院底下設立「電子工業研究發展中心」,也就是后來的工研院電子所,以電子表使用的芯片為基礎,預計自美國引進集成電路技術。

  潘文淵邀集海外華人組成「電子技術顧問委員會」(TAC),為工研院擬定技術合作邀請函,詢問30 多家美國半導體廠商技術移轉的意愿,最后選定RCA。當時RCA 已經在臺灣設廠生產電子產品,而且愿意代訓人才,并負有更新技術之義務,以及買回所生產出的芯片,因而雀屏中選。當時工研院選派楊丁元、史欽泰、章青駒等多人赴美國RCA 工廠培訓,回臺灣在電子所設立集成電路示范工廠,后來這些人均成為臺灣半導體產業的關鍵人物。

  而電子示范工廠生產的首批電子表電路CD4007 A 的良率為55.7%,但4 個月后便超過RCA 估計的最高良率80%。此后甚至超越美國的平均良率83%,而達到88%,連RCA 都自嘆不如。后來,RCA 甚至一度請求工研院將示范工廠或是技術賣回RCA,但為工研院拒絕,之后開啟了臺灣集成電路產業的輝煌世代。

  不過,產品大受歡迎的情況下,卻產生了另一個問題,那就示范工廠越來越商業化,需要擴廠的資金需求也越來越高,而這與工研院身為研究機構,準備專心第二期集成電路研究計畫產生沖突,因此決定將示范工廠切割出去,這也就是在1980 年成立衍生公司聯華電子(聯電)的由來。

  至于,后來臺積電的成立,則是工研院電子所「超大型集成電路計畫」的產物,之后成為繼聯電后的第2 家衍生公司。如同聯電一般,1987 年成立臺積電之際,時任行政院長俞國華希望民間持股能夠至少有51%,以便確保臺積電成為民營公司,但是同樣因為臺灣企業家缺乏信心而募資不順,最后只得尋求外資合作,之后由行政院開發基金投資48.3%、荷蘭飛利浦公司投資27.5%,本地民間資本僅占24.2%。

  英特爾也幫了一把

  臺積電創立后,1988 年董事長張忠謀做了一個關鍵的決定,那就是透過私人情誼將老朋友Andy Grove(前英特爾創辦人暨執行長)請到臺灣對臺積電展開認證,并爭取為英特爾代工產品。當時,拿到英特爾的認證對于臺積電來說至關重要,因為拿到世界級的認證就是對其生產能力最好的背書,同時也為公司建立起了規章制度上的國際化標準。

  在順利通過英特爾的認證之后,等于為其所擁有的晶圓代工模式打開生意的大門,使得成立不久的臺積電逐漸步上穩健的經營軌道,并在1994 年9 月5 日正式在臺灣證券交易所上市,股票代碼為2330.TW。之后的1997 年10 月8 日,臺積電海外存托憑證又在紐約證券交易所上市,股票代碼為TSM.N。

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  而隨著臺積電后來在晶圓代工領域驚人的成功,尤其是在營業額屢創新高之際,依舊維持將近50% 的毛利率,臺灣及世界各地的半導體設計公司因此大幅增加,加速了半導體產業的技術進步。之后,許多企業爭相模仿,首先是新加坡的特許半導體(Chartered Semiconductor)也以純晶圓代工模式與臺積電競爭,此外,南韓三星、日本的富士重工、川崎鋼鐵、神戶鋼鐵與山葉以及美國的英特爾等公司,也在自身業務外投入晶圓代工產業。

  面對晶圓代工市場的百花齊放,此時的臺積電仍依照自己既定的步伐邁進。1999 年,臺積電領先業界推出可商業量產的0.18 微米銅制程制造服務。2001 年,臺積電推出業界第一套參考設計流程(Reference DesignFlow),協助開發0.25 微米及0.18 微米的客戶降低設計障礙,以達到快速量產之目標。2005 年,領先業界成功試產65 納米制程芯片。同年6 月,張忠謀辭去臺積電執行職務,將棒子移交給其一手培養起來的接班人蔡力行,自己則僅擔任董事長的職務。

  世代交替幾經波折

  不過,世代輪替后的臺積電并沒有因此而一帆風順。首先是2008 年全球金融海嘯沖擊,使得2009 年營收較2008 年下滑了11.2%,而且還因為勞資爭議事件鬧的滿城風雨。再加上當時臺積電正在積極開發的40 納米制程遇上瓶頸,這些因素都讓公司營運面臨虧損的危機。

  2009 年6 月,在卸任4 年之后,張忠謀以78 歲高齡,重新回鍋擔任臺積電執行長職務,透過一系列的危機處理,使臺積電的營運重回正軌。而其中之一的關鍵,就是繼40 納米制程之后的28 納米制程,臺積電決定采用與英特爾相同的Gate-last 架構,放棄IBM 的Gate-First 架構,使得當時同樣在開發28 納米制程的競爭對手聯電、三星、格羅方德都還持續在研發卡關的時刻,臺積電能在2011 年正式量產28 納米制程。

  28 納米制程搶先成關鍵

  有人稱28 納米制程為幫助臺積電后來全面脫胎換骨的關鍵,現在看來一點都不為過。原因在于當其他競爭對手都還持續在與28 納米制程技術奮斗之際,臺積電率先推出28 納米制程芯片,使得制程技術和臺積電落差無法縮小落差的情況下,只能在65 及40 納米的技術節點上彼此削價競爭。使得當初以高階芯片為主的IC 設計公司在選擇代工廠之際,可說除了臺積電以外,就沒有第二選擇,也因此使得臺積電在28 納米節點上的優勢維持了數年之久,而該制程亦可說是歷年來對臺積電營收貢獻最大的制程之一,這也使得臺積電之后進一步拉大與其他競爭對手差距,成為持續穩坐晶圓代工龍頭的最大助力。

  2013 年,臺積電挾28 納米制程的技術與市場優勢,推出半節點升級的20 納米制程,只是,20 納米為28 納米制程所改良而來,在芯片面積微縮及功耗提升有限的情況下,較知名的除了蘋果的A8 處理器外,正式采用的客戶并不多,未能延續臺積電在28 納米制程上的優勢,使得這時的臺積電開始將期望放在下一個全節點提升的16納米制程發展上。

  被迫與三星分單反突顯優勢

  2014 年,臺積電推出在20 納米制程基礎上加入FinFET 技術而成16 納米制程,并且取得使用于搭載于蘋果iPhone 6s 和iPhone 6s+ 智慧型手機上A9 處理器的部分訂單。當時,臺積電的競爭對手南韓三星,因為在28 納米制程上始終無法突破臺積電的優勢之后,就將發展目標進一步跳過20 納米制程,放置到更先進的14 納米制程上,并且找來前臺積電負責研發的梁孟松進行技術指點,之后領先臺積電的16 納米制程,率先推出14 納米制程,后來還與先前持續在制程上領先臺積電共享蘋果A9 處理器訂單。

  當時,蘋果采取了使用雙供應商的策略,同樣的芯片設計分別由三星電子和臺積電完成晶圓代工。三星生產的芯片代號為APL0898,使用14 納米制程制造,面積為96 平方公厘;而臺積電生產的芯片代號為APL1022,使用了16 納米制程制造,面積為104.5 平方公厘。雖然略有區別,但是蘋果宣稱性能并無顯著區別。

  之后,2015 年10 月,市場卻傳出,根據測試程式的結果,搭載三星代工芯片的iPhone 續航能力,較搭載臺積電代工芯片的iPhone 更低的情況,一系列報導引起了消費者熱議。雖然,這消息為蘋果及三星所否認。但是自A9 系列處理器之后,蘋果自A10 系列處理器開始,直到近期最新的A14 系列處理器,蘋果就再也沒有讓三星進行代工,可以想像這次事件影響的巨大。

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  制程優勢一路領先

  雖然臺積電與三星在16 及14 納米制程上仍在激烈競爭,但當時的臺積電已經開始著手新一代10 納米制程的開發,而這其中還加入臺積電后來關鍵的致勝武器──InFO 扇出型晶圓級封裝技術,并在2016 年正式推出。事實上,扇出型晶圓級封裝技術早在2010 年就已經被英特爾研發出來,最初用在英特爾的行動解決方案上,但可惜的是,英特爾并未堅持下去,反而臺積電接手該技術的研發,并推出完全版的InFO 封裝技術。而該封裝技術的最大好處就是降低成本、加快芯片制造周期,在制程良率達到最佳水平時效率尤其明顯。

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  隨著10 納米制程之后,臺積電緊接著迎接個位數納米制程的來臨。臺積電的第1 代7 納米制程于2017 年4 月開始開始大規模投產,相較于上一代的10 納米FinFET 制程技術,臺積電的7 納米制程技術在邏輯閘密度提高1.6 倍,運算速度增快約20%,功耗降低約40%。至于,第二代的7 納米(N7+)制程技術,在采用了及紫外光曝光技術(EUV) 之后,則于2018 年8 月開始試產。

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  而臺積電也曾表示,自2020 年7 月份終于生產出了第10 億個7 納米制程芯片之后,換句話說,7 納米制程自投產開始,到生產出第10 億個芯片僅花費27 個月的時間,在平均每個月生產出3,700 萬片7 納米芯片的情況下,使得該制程較過去的其他制程都要更快達到其量產規模。另外,目前采用7 納米制程的客戶有數十家,其所生產的產品搭載在100 多種的產品上,而如果將這10 億個內含數十億個電機體的7 納米芯片鋪平,則足以覆蓋13 個紐約曼哈頓。

  緊接著7 納米制程的發展,2020 年臺積電的5 納米制程也進入正式的量產階段。而根據臺積電公布的資料顯示,5 納米制程將會是臺積電的再一個重要制程節點,其中將分為N5、N5P 兩個版本。N5 相較于前一個節點的N7 的7 納米制程性能要再提升15%、功耗降低30%。而更先進的N5P 則將在N5 的基礎上再將性能提升7%、功耗降低15%,而N5P 制程技術則預計于2021 年正式量產。

  回顧歷程,臺積電在1987 年成立時由1 座6 吋廠開始,如今已經發展成擁有4 座12 吋超大晶圓廠、4 座8 吋晶圓廠和1 座6 吋晶圓廠,并擁有一家百分之百持有之海外子公司──臺積電(南京)有限公司之12 吋晶圓廠,及2 家百分之百持有之海外子公司──WaferTech 美國子公司、臺積電(中國)有限公司之8 吋晶圓廠,再加上4 座后段封測廠的跨國性大型半導體公司。

  截至2019 年為止,臺積電也提供最廣泛的先進制程、特殊制程及先進封裝等272 種制程技術,為499 個客戶生產1 萬761 種不同產品。而2020 年前3 季也繳出,收達新臺幣9,777.22 億元,較2019 年同期增加29.9%,毛利率52.8%,較2019 年同期增加8.5 個百分點,稅后純益3,751.19 億元,較2019 年同期增加63.6%,每股EPS 為14.47 元的亮麗成績。緊接著,隨著南科3 納米廠的逐步完工,預計臺積電未來還將持續發展,其將能為者個半導體產業帶來什么樣的改變,也讓大家持續期待。

 


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