半導體風雲錄》33 年發展登晶圓代工龍頭,台積電改變全球半導體生態

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 25 日 17:40 | 分類 公司治理 , 國際貿易 , 晶圓 Telegram share ! follow us in feedly


11 月 24 日,台灣叱吒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台積電位在南科的 3 奈米廠正式舉行上樑典禮。根據外媒《彭博社》的報導指出,台積電的 3 奈米製程預計將在 2022 年的下半年正式量產。台積電董事長劉德音也表示,3 奈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 奈米進入量產時,當年產能預估將超過每年 60 萬片 12 吋晶圓,這也將使得台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,台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,相較於三星有記憶體及晶圓製造,英特爾以銷售處理器及其他晶片為主的商業模式,台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 季台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 名的總和都沒有台積電一家多。而這今日的台灣之光,掌握全球半導體製造產業的重要關鍵,當時是如何建立?這就得從 1974 年在台北的一場會議中談起。

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台灣經濟轉型,希望能從原本的紡織業轉而發展電子業。討論結果最後決定,藉由政府的主導來發展積體電路產業,由經濟部在工研院底下設立「電子工業研究發展中心」,也就是後來的工研院電子所,以電子錶使用的晶片為基礎,預計自美國引進積體電路技術。

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願,最後選定 RCA。當時 RCA 已經在台灣設廠生產電子產品,而且願意代訓人才,並負有更新技術之義務,以及買回所生產出的晶片,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,回台灣在電子所設立積體電路示範工廠,後來這些人均成為台灣半導體產業的關鍵人物。

而電子示範工廠生產的首批電子表電路 CD4007 A 的良率為 55.7%,但 4 個月後便超過 RCA 估計的最高良率 80%。此後甚至超越美國的平均良率 83%,而達到 88%,連 RCA 都自嘆不如。後來,RCA 甚至一度請求工研院將示範工廠或是技術賣回 RCA,但為工研院拒絕,之後開啟了台灣積體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,那就示範工廠越來越商業化,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,準備專心第二期積體電路研究計畫產生衝突,因此決定將示範工廠切割出去,這也就是在 1980 年成立衍生公司聯華電子(聯電)的由來。

至於,後來台積電的成立,則是工研院電子所「超大型積體電路計畫」的產物,之後成為繼聯電後的第 2 家衍生公司。如同聯電一般,1987 年成立台積電之際,時任行政院長俞國華希望民間持股能夠至少有 51%,以便確保台積電成為民營公司,但是同樣因為台灣企業家缺乏信心而募資不順,最後只得尋求外資合作,之後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

台積電創立後,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)請到台灣對台積電展開認證,並爭取為英特爾代工產品。當時,拿到英特爾的認證對於台積電來說至關重要,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後,等於為其所擁有的晶圓代工模式打開生意的大門,使得成立不久的台積電逐漸步上穩健的經營軌道,並在 1994 年 9 月 5 日正式在台灣證券交易所上市,股票代碼為 2330.TW。之後的 1997 年 10 月 8 日,台積電海外存託憑證又在紐約證券交易所上市,股票代碼為 TSM.N。

而隨著台積電後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,台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。之後,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台積電競爭,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,此時的台積電仍依照自己既定的步伐邁進。1999 年,台積電領先業界推出可商業量產的 0.18 微米銅制程製造服務。2001 年,台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 奈米製程晶片。同年 6 月,張忠謀辭去台積電執行職務,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,世代輪替後的台積電並沒有因此而一帆風順。首先是 2008 年全球金融海嘯衝擊,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。再加上當時台積電正在積極開發的 40 奈米製程遇上瓶頸,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 年之後,張忠謀以 78 歲高齡,重新回鍋擔任台積電執行長職務,透過一系列的危機處理,使台積電的營運重回正軌。而其中之一的關鍵,就是繼 40 奈米製程之後的 28 奈米製程,台積電決定採用與英特爾相同的 Gate-last 架構,放棄 IBM 的 Gate-First 架構,使得當時同樣在開發 28 奈米製程的競爭對手聯電、三星、格羅方德都還持續在研發卡關的時刻,台積電能在 2011 年正式量產 28 奈米製程。

28 奈米製程搶先成關鍵

有人稱 28 奈米製程為幫助台積電後來全面脫胎換骨的關鍵,現在看來一點都不為過。原因在於當其他競爭對手都還持續在與 28 奈米製程技術奮鬥之際,台積電率先推出 28 奈米製程晶片,使得製程技術和台積電落差無法縮小落差的情況下,只能在 65 及 40 奈米的技術節點上彼此削價競爭。使得當初以高階晶片為主的 IC 設計公司在選擇代工廠之際,可說除了台積電以外,就沒有第二選擇,也因此使得台積電在 28 奈米節點上的優勢維持了數年之久,而該製程亦可說是歷年來對台積電營收貢獻最大的製程之一,這也使得台積電之後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。

▲ 台積電製程技術演進。(Source:台積電)

2013 年,台積電挾 28 奈米製程的技術與市場優勢,推出半節點升級的 20 奈米製程,只是,20 奈米為 28 奈米製程所改良而來,在晶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,正式採用的客戶並不多,未能延續台積電在 28 奈米製程上的優勢,使得這時的台積電開始將期望放在下一個全節點提升的 16 奈米製程發展上。

被迫與三星分單反突顯優勢

2014 年,台積電推出在 20 奈米製程基礎上加入 FinFET 技術而成 16 奈米製程,並且取得使用於搭載於蘋果 iPhone 6s 和 iPhone 6s+ 智慧型手機上 A9 處理器的部分訂單。當時,台積電的競爭對手南韓三星,因為在 28 奈米製程上始終無法突破台積電的優勢之後,就將發展目標進一步跳過 20 奈米製程,放置到更先進的 14 奈米製程上,並且找來前台積電負責研發的梁孟松進行技術指點,之後領先台積電的 16 奈米製程,率先推出 14 奈米製程,後來還與先前持續在製程上領先台積電共享蘋果 A9 處理器訂單。

當時,蘋果採取了使用雙供應商的策略,同樣的晶片設計分別由三星電子和台積電完成晶圓代工。三星生產的晶片代號為 APL0898,使用 14 奈米製程製造,面積為 96 平方公厘;而台積電生產的晶片代號為 APL1022,使用了 16 奈米製程製造,面積為 104.5 平方公厘。雖然略有區別,但是蘋果宣稱性能並無顯著區別。

之後,2015 年 10 月,市場卻傳出,根據測試程式的結果,搭載三星代工晶片的 iPhone 續航能力,較搭載台積電代工晶片的 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 系列處理器之後,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。

製程優勢一路領先

雖然台積電與三星在 16 及 14 奈米製程上仍在激烈競爭,但當時的台積電已經開始著手新一代 10 奈米製程的開發,而這其中還加入台積電後來關鍵的致勝武器──InFO 扇出型晶圓級封裝技術,並在 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,英特爾並未堅持下去,反而台積電接手該技術的研發,並推出完全版的 InFO 封裝技術。而該封裝技術的最大好處就是降低成本、加快晶片製造週期,在製程良率達到最佳水平時效率尤其明顯。

隨著 10 奈米製程之後,台積電緊接著迎接個位數奈米製程的來臨。台積電的第 1 代 7 奈米製程於 2017 年 4 月開始開始大規模投產,相較於上一代的 10 奈米 FinFET 製程技術,台積電的 7 奈米製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%。至於,第二代的 7 奈米(N7+)製程技術,在採用了及紫外光曝光技術 (EUV) 之後,則於 2018 年 8 月開始試產。

而台積電也曾表示,自 2020 年 7 月份終於生產出了第 10 億個 7 奈米製程晶片之後,換句話說,7 奈米製程自投產開始,到生產出第 10 億個晶片僅花費 27 個月的時間,在平均每個月生產出 3,700 萬片 7 奈米晶片的情況下,使得該製程較過去的其他製程都要更快達到其量產規模。另外,目前採用 7 奈米製程的客戶有數十家,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 奈米晶片舖平,則足以覆蓋 13 個紐約曼哈頓。

緊接著 7 奈米製程的發展,2020 年台積電的 5 奈米製程也進入正式的量產階段。而根據台積電公布的資料顯示,5 奈米製程將會是台積電的再一個重要製程節點,其中將分為 N5、N5P 兩個版本。N5 相較於前一個節點的 N7 的 7 奈米製程性能要再提升 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 製程技術則預計於 2021 年正式量產。

回顧歷程,台積電在 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,並擁有一家百分之百持有之海外子公司──台積電(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、台積電(中國)有限公司之 8 吋晶圓廠,再加上 4 座後段封測廠的跨國性大型半導體公司。

截至 2019 年為止,台積電也提供最廣泛的先進製程、特殊製程及先進封裝等 272 種製程技術,為 499 個客戶生產 1 萬 761 種不同產品。而 2020 年前 3 季也繳出,收達新台幣 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,稅後純益 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 奈米廠的逐步完工,預計台積電未來還將持續發展,其將能為整個半導體產業帶來什麼樣的改變,也讓大家持續期待。

(首圖來源:台積電)

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