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张忠谋退休,他创办的台积电改变了芯片产业

张智伟2017-10-26 07:12:05

创立第 30 年,台积电市值超越了它最早的大客户,英特尔。

10 月 23 日,全球市值最高的半导体企业台积电(TSMC)在台湾庆祝了它的 30 周岁生日。

在台积电创始人张忠谋的邀请下,苹果公司 COO Jeff Williams、英伟达创始人黄仁勋、高通公司 CEO 等七位半导体大佬悉数到场,并在一个小型研讨会上探讨了未来十年半导体行业的发展方向。

对于张忠谋而言,从 1987 年创办台积电到今天,他用了 30 年将这家公司从零打造成全球最大的晶圆代工集团,市值超过英特尔。

就像苹果委托富士康生产 iPhone 和 iPad 一样,今天的半导体行业已经把晶圆代工视为惯例。高通、英伟达、联发科、Broadcom 等半导体设计公司从上世纪 90 年代甚至更早就将芯片生产、封装及测试需求外包出去,自己的工程师团队则专注在架构设计工作上。

苹果近两年的移动处理器 A10 和 A11 Bionic,英伟达 Nvidia 设计的新一代 PC 显卡,华为公司的麒麟系列处理器,以及所有你知道型号的联发科 MTK 处理器,全都由台积电生产。

而在 30 年前,人们普遍不觉得对技术要求极高的晶圆外包是个好主意。张忠谋改变了整个行业的看法。

56 岁创办台积电

1985 年,张忠谋听从时任台湾行政院院长孙运璿的劝导,辞去了美国通用仪器公司首席运营官的工作,回到台湾担任工业研究院院长。

这一年的张忠谋 54 岁。他曾在知名半导体公司德州仪器(Texas Instruments)工作了 25 年,直接负责晶圆生产事务。

晶圆是芯片制造的根本。

大规模生产晶圆(wafer)涉及到的步骤和工序非常复杂。

简单来说,是先从二氧化硅(SiO2)矿石,比如石英砂中用一系列化学和物理冶炼的方法提纯出单晶硅片。

这些圆形的硅片还要经过多次蚀刻、光罩等处理,将微型电路覆盖到表面上。最后还要通过严格的测试、切割、封装、再测试等工序才形成了一枚最终可用的逻辑芯片。

2 寸、4 寸、6 寸、8 寸晶圆 | 图:维基百科

当时的德州仪器是一家蒸蒸日上的半导体公司,接到了 IBM 等好多家公司的晶圆订单。但也经常遇到良率下降、成品延期等情况。

张忠谋凭借自己的勤奋和聪明,将 IBM 生产线的良率提升到了非常理想的水平,还多次受到客户嘉奖。

德州仪器工作时期的张忠谋(中)| 图:NHK 纪录片

在德州仪器,张忠谋最高做到了副总裁,是整个公司的第三号人物。

但回到台湾,情况则很不一样。

作为一个政府资助的机构一把手,张忠谋的主要任务是将台湾打造成一个半导体商业中心。这也是孙运璿在 70 年代末为台湾定下的发展方向。

按照这位行政院长的规划,他希望张忠谋创立一家从架构设计到生产,再到封装测试的全能型半导体公司,行业内称其为集成设备制造商(Integrated Device Manufacturer)。当时硅谷的明星公司英特尔,就属于这个类型。

但八十年代的台湾,半导体产业基础几乎为零,也缺少资历丰富的专业人才。张忠谋仔细考察过后,决定创办一家只从事芯片制造和封装测试的公司,命名为台湾积体电路制造股份有限公司,TSMC

张忠谋在台积电开幕发布会上 | 图:NHK 纪录片
台积电的第一座晶圆工厂 1987 年

2013 年,张忠谋接受日本 NHK 电视台采访时回忆到,英特尔创始人戈登·摩尔得知后并不认为这是个好主意。

为了给台积电创立寻求第一笔风险投资用来建设厂房和采购设备,张忠谋亲自给美国、日本的十多家半导体企业写信。但包括索尼、三菱在内的大多数半导体公司都拒绝了,其原因都是认为单一的晶圆制造生意行不通。

几经辗转努力之后,台积电依靠台湾政府和荷兰皇家飞利浦的两笔资金,以及一些民间资本共计 13.775 亿新台币正式成立。

芯片产业从此产生了设计和制造分离

在创办的第一年,台积电的工厂只有 3 微米和 2.5 微米两种生产工艺,全年产能不到 7000 片六英寸晶圆,良率也不高,基本接不到大公司的晶圆订单,整个公司在以亏损的状态运行。

转机发生在 1988 年,英特尔 CEO 换成了更年轻的安德鲁·格鲁夫。他和张忠谋私交甚好,受邀到台湾参观台积电的晶圆工厂

左一:安德鲁·格鲁夫 | 图:维基百科

当时的英特尔,受日本东芝、索尼等半导体公司的激烈竞争,已经在 1985 年宣布退出动态存储芯片(DRAM)市场,集中研发力量设计更强大的 CPU 处理器。

格鲁夫参观完台积电工厂之后发现,其晶圆生产工艺比当时的英特尔落后两代半,但最终还是决定将一部分生产任务分派给台积电。

消息传出,在整个半导体行业形成了示范效应,主动来找台积电的半导体设计公司也多了起来。台积电也陆续在美国加州、荷兰阿姆斯特丹等地设立分公司,从而能更深入地了解客户需求。

到了 90 年代,硅谷涌现了一批新兴的半导体公司,Broadcom、Nvidia、Marvell 陆续创立。它们在网络芯片、图形处理、Wi-Fi 芯片设计等领域域各有专长。一个共同点是,这些半导体初创公司本身都没有自己的晶圆厂,也没有资金和人力搞定生产环节,对外部晶圆生产线有极强的需求。

台积电成了这些公司的第一选择。1998 年,英伟达同台积电达成战略合作,将所有的图形加速显卡交给台积电生产。双方合作的第二年,英伟达率先提出了 GPU(图形处理器)概念,可以帮助 CPU(中央处理器)分担一部分图形动态渲染等计算任务。这个概念后来被整个半导体行业所采用。

英伟达创始人黄仁勋 | 图:NHK 纪录片

有了英特尔、英伟达等成功的客户案例,台积电的晶圆代工模式迅速被半导体行业接受,接到的大订单也越来越多。到了 2000 年,台积电全年营收首次逼近 60 亿美元。十年后,这个数字翻了不止一倍。

台积电全年营收 | 图自:台积电

对于整个半导体产业而言,台积电只从事制造不涉足芯片设计降低了其它公司的进入半导体行业的门槛。

台积电同英伟达、高通、苹果、博通、以及后来的 ARM(安谋)等公司形成的紧密合作关系,甚至比 PC 时代微软和英特尔的联盟更加成功。

在这种分工模式下,ARM 能专心设计更优秀的指令集,高通、苹果则可以更好地处理器性能和功耗的平衡问题,剩下的生产、测试、封装等任务全部交给台积电,完全不用这些公司分散精力。

这也从硬件层面保证了智能手机的性能每年都在大幅提升,也越来越好用。

在总结台积电取得成功的经验时,张忠谋解释说,总能找到正确的客户对于一家代工企业来说至关重要。从早期的英特尔,到后来的英伟达、博通、Marvell、ATI、AMD、高通,包括联发科和华为海思,每家公司的芯片都有庞大的年出货量。客户的成功,为台积电带来更多营收,而张忠谋又把营收中的大部分用在扩充产能和新技术研发上,形成了正向循环。

到今天,台积电多年晶圆代工经验积累下的工艺技术、良率控制和封装测试能力,大幅降低了半导体公司采用新设计的门槛和研发成本。

十多年前开始研究手机处理器的华为受益于此,去年才涉足半导体行业的小米旗下松果电子也正从中获益。

只做“代工”的晶圆厂确保了摩尔定律的延续

2001 年,全球互联网经历了第一次泡沫破裂,无数家公司关门大吉。

半导体行业也受到影响,台积电营收在这一年首次出现了下滑。此时的张忠谋仍然在新技术研发上不计成本地投入。

他聘用 3D 晶体管技术(FinFET 和 FDSOI)的主要发明人胡正明为台积电 CTO。这项技术,简单讲是把晶体管排布方式从原来的平铺改为立体堆叠,使得单位面积内能容纳的晶体管数量更高。而一枚芯片的晶体管越多,一般认为它的计算性能就越强大。

在胡正明担任 CTO 的三年多时间里,台积电加速消化这一新技术,并在量产过程中不断尝试,终于在 2013 年率先将 16 纳米 FinFET 工艺投入风险生产(risk production),比三星电子旗下晶圆代工部门领先了差不多两年时间。

苹果公司在 2015 年推出的 iPhone 6S 就有大约一半采用了这种工艺制造出来的 A9 处理器。而 A9 的下两代处理器,A10 和 A11 Bionic 也都是台积电生产的。

2014 年,张忠谋为了攻克 10 纳米的技术难关,亲自在公司内部启动了“夜鹰计划”。这项计划募集近 400 位研发人员,以比较优渥的条件让这些工程师按照 24 小时三班倒的形式进行制程研发工作,最终解决了所有技术挑战。

iPhone 8 上搭载的 10 纳米制程的 A11 Bionic 就是“夜鹰计划”的成果之一。它的性能跑分成绩已经大幅领先了高通和三星的顶级 SoC。

对于未来,张忠谋在退休之前已经为台积电做好了中短期规划。

9 月 12 日,台积电在南京投资 30 亿美元的晶圆厂建设基本完成,张忠谋亲自出席了厂房移机仪式,并宣布从 2018 年下半年开始,在南京工厂生产 16 纳米晶圆,规划月产能达 20000 片。

与此同时,台积电希望继续按照摩尔定律,推进晶圆制造的工艺升级。根据台积电的路线图,预计从明年开始量产 7 纳米晶圆,2019 年将极紫外光刻(EUV)技术的 7nm+ 技术导入量产,2020 年计划 5 纳米开始量产。接下来还有 3 纳米和 2 纳米。

台积电路线图 | 图自:中时电子报

为了预防未来研发过程中可能遇到的阻碍,台积电还在这条路线图上增加了 8 纳米和 6 纳米制程。老对手英特尔还有三星也在拼命研发更尖端的半导体制造工艺。

如果说摩尔定律终有一天会失去效力,那么在台积电的计划里,我们距离那一天至少还有 4-5 年时间。


题图:中时电子报

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