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台灣半导體產業再進入一個新的里程碑

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發表於 2021-8-10 17:56:37 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
台灣叱咤全球的半导體產業再進入一個新的里程碑!那就是晶圆代工龙头台积電位在南科的3 纳米廠正式举行上梁典礼。根据外媒《彭博社》的报导指出,台积電的3 纳米制程预计将在2022 年的下半年正式量產。台积電董事长刘德音也表示,3 纳米廠廠房基地面积约為35 公顷,無尘室面积将超過16 万平方公尺,大约是22 座标准足球場大小。而届时當3 纳米進入量產时,當年產能预估将超過每年60 万片12 吋晶圆,這也将使得台积電继续保持技術领先地位。

根据市場研究及调查機構《IC INSIGHTS》的最新研究数据显示,2020 年全球前15 大半导體廠當中,台积電的年营收可望达454.2 亿美元,将仅次南韩三星(Samsung)及处理器龙头英特尔Intel),居全球第3 大半导體廠。不過,相较于三星有记忆體及晶圆制造,英特尔以销售处理器及其他芯片為主的商業模式,台积電则是其中唯一的纯晶圆代工廠。

另外,根据TrendForce 旗下拓墣產業研究院的调研结果显示,2020 年第3 季台积電在全球晶圆代工市場的市占率高达53.9%,也就是在前10 名的晶圆代工企業當中,其他9 名的总和都没有台积電一家多。而這今日的台灣之光,掌握全球半导體制造產業的重要關键,當时是如何建立?這就得從1974 年在台北的一場會议中谈起。

推動经济转型促成两大龙头

1974 年,當时的行政院秘书长费骅,會同包括经济部长孙运璿、交通部长高玉树、電信总局局长方贤齐、工研院院长王兆振與電信研究所所长康宝煌等政府官员,再加上美國無線電公司( RCA)研究主任潘文渊聚在一起讨论如何促進台灣经济转型,希望能從原本的纺织業转而發展電子業。讨论结果最後决定,藉由政府的主导来發展集成電路產業,由经济部在工研院底下设立「電子工業研究發展中心」,也就是後来的工研院電子所,以電子表使用的芯片為基础,预计自美國引進集成電路技術。



潘文渊邀集海外华人组成「電子技術顾問委员會」(TAC),為工研院拟定技術合作邀请函,询問30 多家美國半导體廠商技術移转的意愿,最後選定RCA。當时RCA 已经在台灣设廠生產電子產品,而且愿意代训人才,并负有更新技術之义務,以及買回所生產出的芯片,因而雀屏中選。當时工研院選派杨丁元、史钦泰、章青驹等多人赴美國RCA 工廠培训,回台灣在電子所设立集成電路示范工廠,後来這些人均成為台灣半导體產業的關键人物。

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 個月後便超過RCA 估计的最高良率80%。此後甚至超越美國的平均良率83%,而达到88%,连RCA 都自叹不如。後来,RCA 甚至一度请求工研院将示范工廠或是技術卖回RCA,但為工研院拒绝,之後開启了台灣集成電路產業的辉煌世代。

不過,產品大受欢迎的情况下,却產生了另一個問题,那就示范工廠越来越商業化,需要扩廠的資金需求也越来越高,而這與工研院身為研究機構,准备專心第二期集成電路研究计画產生冲突,因此决定将示范工廠切割出去,這也就是在1980 年成立衍生公司联华電子(联電)的由来。

至于,後来台积電的成立,则是工研院電子所「超大型集成電路计画」的產物,之後成為继联電後的第2 家衍生公司。如同联電一般,1987 年成立台积電之际,时任行政院长俞國华希望民間持股能够至少有51%,以便确保台积電成為民营公司,但是同样因為台灣企業家缺乏信心而募資不顺,最後只得寻求外資合作,之後由行政院開發基金投資48.3%、荷兰飞利浦公司投資27.5%,本地民間資本仅占24.2%。

英特尔也帮了一把

台积電創立後,1988 年董事长张忠谋做了一個關键的决定,那就是透過私人情谊将老朋友Andy Grove(前英特尔創辦人暨执行长)请到台灣對台积電展開認证,并争取為英特尔代工產品。當时,拿到英特尔的認证對于台积電来说至關重要,因為拿到世界级的認证就是對其生產能力最好的背书,同时也為公司建立起了规章制度上的國际化标准。

在顺利通過英特尔的認证之後,等于為其所拥有的晶圆代工模式打開生意的大門,使得成立不久的台积電逐渐步上稳健的经营轨道,并在1994 年9 月5 日正式在台灣证券交易所上市,股票代码為2330.TW。之後的1997 年10 月8 日,台积電海外存托凭证又在纽约证券交易所上市,股票代码為TSM.N。

而随着台积電後来在晶圆代工领域惊人的成功,尤其是在营業额屡創新高之际,依旧维持将近50% 的毛利率,台灣及世界各地的半导體設計公司因此大幅增加,加速了半导體產業的技術進步。之後,许多企業争相模仿,首先是新加坡的特许半导體(Chartered Semiconductor)也以纯晶圆代工模式與台积電竞争,此外,南韩三星、日本的富士重工、川崎鋼铁、神户鋼铁與山叶以及美國的英特尔等公司,也在自身業務外投入晶圆代工產業。

面對晶圆代工市場的百花齐放,此时的台积電仍依照自己既定的步伐迈進。1999 年,台积電领先業界推出可商業量產的0.18 微米铜制程制造服務。2001 年,台积電推出業界第一套参考設計流程(Reference DesignFlow),协助開發0.25 微米及0.18 微米的客户降低設計障碍,以达到快速量產之目标。2005 年,领先業界成功试產65 纳米制程芯片。同年6 月,张忠谋辞去台积電执行职務,将棒子移交给其一手培養起来的接班人蔡力行,自己则仅担任董事长的职務。

世代交替几经波折

不過,世代轮替後的台积電并没有因此而一帆风顺。首先是2008 年全球金融海啸冲击,使得2009 年营收较2008 年下滑了11.2%,而且還因為劳資争议事件闹的满城风雨。再加上當时台积電正在积极開發的40 纳米制程遇上瓶颈,這些因素都讓公司营运面临亏损的危機。

2009 年6 月,在卸任4 年之後,张忠谋以78 岁高龄,重新回锅担任台积電执行长职務,透過一系列的危機处理,使台积電的营运重回正轨。而其中之一的關键,就是继40 纳米制程之後的28 纳米制程,台积電决定采用與英特尔相同的Gate-last 架構,放弃IBM 的Gate-First 架構,使得當时同样在開發28 纳米制程的竞争對手联電、三星、格罗方德都還持续在研發卡關的时刻,台积電能在2011 年正式量產28 纳米制程。

28 纳米制程抢先成關键

有人称28 纳米制程為帮助台积電後来全面脱胎换骨的關键,现在看来一點都不為過。原因在于當其他竞争對手都還持续在與28 纳米制程技術奋斗之际,台积電率先推出28 纳米制程芯片,使得制程技術和台积電落差無法缩小落差的情况下,只能在65 及40 纳米的技術節點上彼此削價竞争。使得當初以高阶芯片為主的IC 設計公司在選择代工廠之际,可说除了台积電以外,就没有第二選择,也因此使得台积電在28 纳米節點上的优势维持了数年之久,而该制程亦可说是历年来對台积電营收贡献最大的制程之一,這也使得台积電之後進一步拉大與其他竞争對手差距,成為持续稳坐晶圆代工龙头的最大助力。

2013 年,台积電挟28 纳米制程的技術與市場优势,推出半節點升级的20 纳米制程,只是,20 纳米為28 纳米制程所改良而来,在芯片面积微缩及功耗提升有限的情况下,较知名的除了苹果的A8 处理器外,正式采用的客户并不多,未能延续台积電在28 纳米制程上的优势,使得這时的台积電開始将期望放在下一個全節點提升的16纳米制程發展上。

被迫與三星分单反突显优势

2014 年,台积電推出在20 纳米制程基础上加入FinFET 技術而成16 纳米制程,并且取得使用于搭载于苹果iPhone 6s 和iPhone 6s+ 智慧型手機上A9 处理器的部分订单。當时,台积電的竞争對手南韩三星,因為在28 纳米制程上始终無法突破台积電的优势之後,就将發展目标進一步跳過20 纳米制程,放置到更先進的14 纳米制程上,并且找来前台积電负责研發的梁孟松進行技術指點,之後领先台积電的16 纳米制程,率先推出14 纳米制程,後来還與先前持续在制程上领先台积電共享苹果A9 处理器订单。

當时,苹果采取了使用双供應商的策略,同样的芯片設計分别由三星電子和台积電完成晶圆代工。三星生產的芯片代号為APL0898,使用14 纳米制程制造,面积為96 平方公厘;而台积電生產的芯片代号為APL1022,使用了16 纳米制程制造,面积為104.5 平方公厘。虽然略有區别,但是苹果宣称性能并無显著區别。

之後,2015 年10 月,市場却傳出,根据测试程式的结果,搭载三星代工芯片的iPhone 续航能力,较搭载台积電代工芯片的iPhone 更低的情况,一系列报导引起了消费者热议。虽然,這消息為苹果及三星所否認。但是自A9 系列处理器之後,苹果自A10 系列处理器開始,直到近期最新的A14 系列处理器,苹果就再也没有讓三星進行代工,可以想像這次事件影响的巨大。

制程优势一路领先

虽然台积電與三星在16 及14 纳米制程上仍在激烈竞争,但當时的台积電已经開始着手新一代10 纳米制程的開發,而這其中還加入台积電後来關键的致胜武器──InFO 扇出型晶圆级封装技術,并在2016 年正式推出。事实上,扇出型晶圆级封装技術早在2010 年就已经被英特尔研發出来,最初用在英特尔的行動解决方案上,但可惜的是,英特尔并未坚持下去,反而台积電接手该技術的研發,并推出完全版的InFO 封装技術。而该封装技術的最大好处就是降低成本、加快芯片制造周期,在制程良率达到最佳水平时效率尤其明显。

随着10 纳米制程之後,台积電紧接着迎接個位数纳米制程的来临。台积電的第1 代7 纳米制程于2017 年4 月開始開始大规模投產,相较于上一代的10 纳米FinFET 制程技術,台积電的7 纳米制程技術在逻辑闸密度提高1.6 倍,运算速度增快约20%,功耗降低约40%。至于,第二代的7 纳米(N7+)制程技術,在采用了及紫外光曝光技術(EUV) 之後,则于2018 年8 月開始试產。

而台积電也曾表示,自2020 年7 月份终于生產出了第10 亿個7 纳米制程芯片之後,换句话说,7 纳米制程自投產開始,到生產出第10 亿個芯片仅花费27 個月的时間,在平均每個月生產出3,700 万片7 纳米芯片的情况下,使得该制程较過去的其他制程都要更快达到其量產规模。另外,目前采用7 纳米制程的客户有数十家,其所生產的產品搭载在100 多種的產品上,而如果将這10 亿個内含数十亿個電機體的7 纳米芯片铺平,则足以覆盖13 個纽约曼哈顿。

紧接着7 纳米制程的發展,2020 年台积電的5 纳米制程也進入正式的量產阶段。而根据台积電公布的資料显示,5 纳米制程将會是台积電的再一個重要制程節點,其中将分為N5、N5P 两個版本。N5 相较于前一個節點的N7 的7 纳米制程性能要再提升15%、功耗降低30%。而更先進的N5P 则将在N5 的基础上再将性能提升7%、功耗降低15%,而N5P 制程技術则预计于2021 年正式量產。

回顾历程,台积電在1987 年成立时由1 座6 吋廠開始,如今已经發展成拥有4 座12 吋超大晶圆廠、4 座8 吋晶圆廠和1 座6 吋晶圆廠,并拥有一家百分之百持有之海外子公司──台积電(南京)有限公司之12 吋晶圆廠,及2 家百分之百持有之海外子公司──WaferTech 美國子公司、台积電(中國)有限公司之8 吋晶圆廠,再加上4 座後段封测廠的跨國性大型半导體公司。
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