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老老实实做代工的台积电,在芯片业扮演什么样的角色。为什么张忠谋退休是件大事 | 好奇心商业史

商业

老老实实做代工的台积电,在芯片业扮演什么样的角色。为什么张忠谋退休是件大事 | 好奇心商业史

罗骢 龚方毅2018-06-25 15:38:40

台积电改变了芯片制造,以及个人电脑和手机的发展

“这个领域没人会写一本 Principia(牛顿《原理》三卷本),然后维系 200 年。计算机世界没有被人瞻仰几世纪的画作、或者供人瞻仰数百年的教堂。不,在这个领域,一个人做了自己的工作,十年之后就会过时,一二十年之后连用都不能用了。”
“计算机领域有点像是沉积的岩石,你在一座山里贡献了其中薄薄的一层,使山变得更加高耸。但最终,人们只是站在山顶,只有带着 X 光才能看到里面是什么样子。”

1994 年正在艰难维系第二家创业公司 NeXT 公司的乔布斯接受硅谷历史协会(Silicon Valley Historical Association)采访时这么比喻自己的工作。

乔布斯本人因为 3 年后重返苹果,在聚光灯下发布 iPod、iPhone、iPad 又重新被人铭记至今。但计算机领域的大多数贡献者确实就像他说的一样,渐渐被人遗忘。

6 月 5 日,主持完台积电(TSMC)2017 年年度股东大会后,87 岁的张忠谋正式从他创办的公司退休。跟李嘉诚退休的盛况相比,张忠谋退休的消息相对平淡,媒体报道基本在两天内结束。而台湾媒体谈的更多还是“台湾半导体教父”、半导体行业“强人时代”落幕,当然,还有已经用滥的“台湾之光”。

股东大会上宣布退休的张忠谋

台积电对于世界的贡献远比让台湾有了高科技产业大得多。

今天台积电市值超过 2000 亿美元,是全球前 30 大上市公司。但它创办 31 年来只做一个生意——把其它公司设计的芯片造出来。台积电是全球第一个专门做这生意的公司,它启动了芯片制造的分工——有人专门设计、有人专门制造。

因为有台积电这样的公司专注于越来越复杂的芯片制造,专门的设计公司,比如英伟达、ATI、高通、博通甚至苹果才能专注于提升芯片设计。这种分工在 PC 时代带来 3D 图形处理革命,在智能手机时代更是直接促成因素之一。现在芯片业谈起自动驾驶,台积电依然是背后的支柱。

罗伯特·诺伊斯、比尔·盖茨、史蒂夫·乔布斯一样,张忠谋创造的公司在过去几十年里改变了技术的发展,在那座山里垒起不可缺少的一层。

集成电路,现在计算机和互联网存在的基石,也是台积电的开始

台积电(TSMC)是“台湾积体电路制造股份有限公司” 的缩写。顾名思义,就是在台湾制造积体电路,也就是集成电路。

集成电路是现代计算机业的起点,它能在更小的空间里聚集更复杂的电路。在 1958 年集成电路发明之前,由晶体管组装的计算机一台就几乎要堆满一整个房间。

但集成电路的出现和台积电或者张忠谋都没什么关系。那年 27 岁的张忠谋刚加入老牌半导体公司德州仪器。同年,比他早加入公司没多久的工程师杰克·基尔比(Jack Kilby)发明了第一块集成电路。

基尔比制作的第一块集成电路,而现在的芯片只有指甲盖大小了

“当我在德州仪器日夜拼命的时候,一件惊天动地的大事在我眼前默默发生。但我当时不理解集成电路这个东西的实际用途,总觉得还远得很。”这是张忠谋在几十年后自传中写下的话。他当时倒也没有看错,基尔比最初的设计是在锗上面,无法大规模生产。

仙童半导体解决了这个问题。1950 年代八个年轻的博士从肖克利半导体实验室辞职,在银行家阿瑟·洛克的帮助下成立了这家公司。这其中就有未来提出同名定律的摩尔博士,英特尔创始人诺伊斯等。在基尔比的发明出现半年之后,罗伊斯研制出了硅晶片上的集成电路,这让大规模制造成为可能。

今天的数字芯片已经比当时复杂无数倍,但最终的原理都还是罗伊斯那会儿的硅集成电路。

两个巨大的政府工程计划推动了集成电路的爆发。在阿波罗登月计划(Apollo Project)和“民兵”(Minuteman )导弹开发计划的采购下,半导体行业迎来了增长。在半个世纪里,集成电路充斥在生活的各处电子设备中,从卫星到微波炉、从火箭到手机。集成电路也越做越小,变成设备内的微处理器——芯片。

随后的 20 年间,美国最核心的投资者,科学家开始意识到芯片背后的半导体产业是一个机会巨大的舞台。资金,技术和年轻人不断涌入这个行业。

与此同时,张忠谋一直在德州仪器工作,一路升任副总裁,管理 3 万人规模的集成电路制造业务。

摩尔定律运行二十年后,个人电脑形态确认,台湾开始筹备台积电

研究芯片多年的摩尔博士在 1965 年提出摩尔定律:每 18 个月左右,芯片上的晶体管数目将增加一倍,芯片的价格将降低一倍,而性能则增加一倍。比定律更重要的是,英特尔把它兑现了。比如英特尔 1971 年推出 4004 芯片,集成了 2250 个晶体管。到了 1985 年英特尔推出的 386 芯片,已经集成了 27.5 万个晶体管。这是个人电脑革命到来的性能基础。

1971 到 2011 年芯片产品晶体管数量和时间对比图,验证了直线代表的摩尔定律。图片来自:维基百科

在芯片成熟的同时,个人电脑形态开始成形。1981 年,第一台 IBM PC 问世,之后开放标准给第三方厂商生产。随着厂商相互竞争,个人电脑的成本问题被解决。

1984 年,乔布斯带队研发的苹果麦金塔电脑 (Macintosh)发布,过于昂贵,但确定了个人电脑使用图形用户界面和鼠标的方向。个人电脑变得易用起来。

当然还有微软在 1980 年代后期逐步完善的 Windows 操作系统和 Office 办公软件。个人电脑不再是车库作坊里出来的极客玩具,企业开始大规模买入公司,提升办公效率。

1980 年代另一个明显的趋势是,制造业开始从美国、西欧向亚洲转移。1960 年代,国际的服装生产中心就开始第二次转移,从美国、日本转移到新兴地区,如韩国和台湾地区。

包括台湾在内的这些地区,劳动工资只有日本的一半,或不到一半,而且劳动力丰富,所以电子、电机工业、合成纤维等需要大量工人的垄断资本开始向台湾扩张。接手简单加工 20 年后,台湾决定从简单的服装加工进行产业升级。前台湾行政院院长孙运璿在 1970 年代就提出了要建立半导体产业的目标

当时,孙运璿提出将台湾打造成一个半导体商业中心,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 —— 跟英特尔当时的定位一模一样。为此他在 1982 年找到张忠谋,这个管理 3 万人生产团队的人是半导体行业里经验最丰富的亚洲人。

但孙运璿第一次和张忠谋的接触并没有说动他。在半导体行业 25 年的张忠谋认为当时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。建立和英特尔一样,自己设计自己生产的公司,在这个重资产,重技术的行业里注定会失败。事实证明后来威盛也确实失败了

1985 年,德州仪器决定转型做类似苹果公司的消费电子,这和张忠谋的规划背道而驰,而民国政府在几年内多次邀请他回去。

最终,在德州仪器工作了 25 年的张忠谋决定辞职,并且打定主意不做和英特尔一样的生意,而是只做这个生意的后半段——芯片制造。在回忆录里张忠谋提到,自己一直看着同事离职创业,有设计芯片的想法,但很多因为凑不到足够的投资建厂制造芯片而失败。

这是一条从未有人走过的路,从一个没有分工的行业里分了工。54 岁的张忠谋开始了第一次创业。

台积电拿了巨资起步,开始不计成本的投入制造技术

“当时并没有太多人看好只做芯片加工的生意。民国政府可能是当时最支持我的人,但他们也并不太理解,只是愿意投资我试一试。“22 年之后,年过 7 旬的张忠谋在电脑历史博物馆的活动上接受英伟达 CEO 黄仁勋采访时回忆起当时的经历。

不只是投资人不看好,张忠谋向摩尔博士请教这个想法,也被直接否定。摩尔博士以及当时很多人认为,因为制造、封测均对芯片企业资金成本有着非常高的要求,尤其是制造行业,需要庞大的资金投入到新技术的研发中。

1986 年,宣布台积电成立的张忠谋,图片来自:NHK纪录片

张忠谋在和英伟达 CEO 黄仁勋的聊天中提到,“在台积电创立之初,有一个占股 5% 的投资人请他吃了三次,每一次都要询问众多问题。但这个投资人并不懂半导体。他唯一担心的问题就是,台积电该如何和巨头英特尔竞争。”

“台积电和他们不存在竞争,这是一个完全新的模式,我们甚至会合作。”张忠谋笑着回答。但没有过往道路上的成功者,这让投资人更加害怕了。

为了筹到更多的钱,张忠谋写信给索尼、三菱等半导体公司,但都被拒绝了。最终还是民国政府在背后帮了他。张忠谋称筹款团队里有三个是政府的部长,“我记得最后总共有 5 个第三方投资者,其中两个是被我说服的,另外那三个则是政府直接要求投资者入股的”。

台湾曾先后于 1984 年、1986 年筹设了 8 亿和 16 亿新台币的风险投资政策性引导基金,由台湾行政院和国资银行出资,旨在发展创新科技。

1986 年,台积电宣布成立,台湾民国政府帮助联系荷兰皇家飞利浦共同注资约 2.2 亿美元的资金,政府给的占其中 48%。如果计算这 30 多年的通货膨胀,这笔资金等于现在的 36 亿美元。和苹果、微软这些从车库开始的小公司不同,台积电诞生之初就是一个拥有巨大资本的大公司。

拿到投资,张忠谋立刻在一年后建立起了晶圆厂/ 1987 年台积电晶圆厂

之所以张忠谋需要这么多钱,原因就在于他知道制造芯片是一个花大钱的生意。

芯片生产极其复杂,而且正随着摩尔定律变得越来越复杂。

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硅棒,然后切割成圆形的单晶硅片,这就是晶圆(wafer)。

从硅棒上切下的晶圆片

晶圆还要经过多次蚀刻、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——它可能是 CPU、也可能是手机里负责移动通信的基带处理器或者帮助电脑连上 Wi-Fi 的那块小芯片。

蚀刻、光照的原理图。利用芯片公司设计好的电路图,紫外线透过光刻胶在晶圆片上覆盖微型电路

即使建好了晶圆厂,并不意味着投入结束。晶圆尺寸,芯片制程的不断升级都需要大量的资本投入才能达到。

现在我们常看到英特尔或者苹果、高通芯片上说到的 CPU 制程这个概念,其实就是晶圆板上微型电路之间的间距,从最早的 3 微米到现在的 10 纳米,7 纳米等。如之前的摩尔定律所示,芯片行业几乎每 1 年半就会在制程上升级。而晶圆片的大小也随着技术的发展在增加,从原先的 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸到现在 16 寸大小的晶圆片。

 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸晶圆片

制程减少,晶圆片的尺寸增大,意味着同一块晶圆上能放入更多的电路,最后切割出更多的芯片,芯片的成本也会进一步降低。

对于没有太多资本的新兴技术公司来说,承受技术进来带来的成本提高,考虑建晶圆厂来自主生产芯片几乎是不可能完成的事情。

台积电做的就是将复杂的生产包下来,让新公司可以从 0 开始设计芯片。

有了资金,张忠谋立刻在 1987 年盖起了第一座晶圆厂。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。

但张忠谋并未停止对于工厂的技术升级,他请来英特尔来对工厂进行认证和升级,在一年内解决了 200 处技术问题。此后为了保持台积电在芯片技术上的领先优势。张忠谋一直在台积电的管理中坚持高额的资本投入。

台积电这种在芯片制造技术上的巨大投入坚持到了现在,即便在 2001 年,互联网泡沫破灭,互联网公司和计算机公司都在成批量倒闭,但张忠谋还是坚信芯片需求不会变成,在当时将晶圆厂的研发支出上升到净利润 80%(那年因为泡沫破灭,台积电利润已经暴跌)的地步。

2001 年,互联网泡沫破灭,台积电依然保持高研发支出,引用海通证券报告。

到了 2015 年,英特尔的资本投入已经减少到 73 亿,但台积电依然保持在 81 亿美元的投入。

来源:海通证券报告

而最重要的研发支出方面,2000 年之后,台积电的研发支出始终占净利润的 20%。研发支出在营收中的占比则从 90 年代的 3% 增长到现在的 8%。

来源:海通证券报告

在保持这样的研发资本投入的过程中,台积电从 1994 年到 2015 年的收入规模扩大了 44 倍,收入增速年增加 19.7%。 2015 年台积电晶圆产量达到了 900 万片的规模,是全世界最大的晶圆代工企业,产量占全球一半的销量。

如今来看,大力发展芯片制造技术是一件理所应当,并且获利颇丰的事情,三星也靠半导体业务赚到丰厚的回报。

但回看过去,1980 年代火过的新技术太多了,智能语音、VR、人工智能都曾经是未来象征。选对一个方向没有那么容易。

台积电促成了芯片分工,这是新一代芯片公司快速成长起来的基础

随着台积电的增长,芯片代工制造后来成了一个行业,不只常被提及的台湾台联电,后来三星甚至英特尔都开始了代工业务。

这让各类芯片设计公司都没有关于生产的后顾之忧。

90 年代,北美涌现了一批新兴的半导体公司,博通、英伟达、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。

台积电成了大多数公司的选择。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。

随后,英伟达发布的 GPU 备受市场追逐,为其代工的台积电也快速增长。1987 年到 1991 年之间,台积电的销售复合增长率一度达到了 74%。而多年以来,台积电的销售平均复合增长率也达到了 19.7%。张忠谋在这次的退休股东会上直接表示,“我自己都认为,31 年历史的台积电,是一个奇迹性的增长。“

而英伟达也受益于台积电快速,高效的芯片生产在那几年保持了几乎每年 70% 的复合增长率。私下和张忠谋关系交好的英伟达 CEO 黄仁勋曾半开玩笑说:“如果等我自己建厂生产 GPU 芯片,我现在可能就是一个守着几千万美元的公司,做个安逸的 CEO。”

台积电的巨额投入让那些芯片设计厂商不再需要花费资金自己投资建设生产线,降低了设计环节进入壁垒,同时也降低产品研发失败的风险,从而促使半导体设计环节内涌现更多中小厂商。

英特尔还是自己设计、自己制造,牢牢把持着利润丰厚的桌面 CPU 市场,但逐渐,CPU 不再只是唯一重要的芯片。

多样化的芯片业分工直接促成了智能手机的爆发

个人电脑时代对于电力没有那么多限制,一个极其高性能的 CPU 可以解决各种问题。到了手机,就尽可能将特定的工作交给专用芯片解决。

等到 2006 年苹果开始为第一代 iPhone 制造开始冲刺的时候,芯片业已经丰富的芯片可以解决各种问题,大多数都没有自己的工厂,而是交给台积电或其它晶圆厂制造。

Ifixit 拆开过第一代 iPhone。你可以在网站上看到其中所有芯片的型号。我们统计了其中由代工厂加工,芯片公司设计的功能芯片数量和型号。

  • CPU:Samsung ARM架构处理器 ARM1176JZF (三星设计生产)
  • 内存:Samsung S3C6400(三星设计生产)
  • 无线闪存堆栈芯片:1030W0YTQ2 (英特尔设计生产)
  • GPU:PowerVR MBX Lite 3D GPU (设计和生产分工,一开始是英特尔代工,2009 年后为台积电 )
  • 音频:Wolfson audio WM8758BG(Wolfson 只设计,生产外包给台积电)
  • 电池管理芯片:Linear Technology 4066(Linear 只设计,生产外包)
  • 无线网络芯片:MARVELL,W8686B13(MARVELL 只设计,台积电代工)
  • 手机信号功率放大器:Skyworks GSM / Edge(Skyworks 只设计,生产外包)
  • 蓝牙芯片:Skyworks CSR BlueCore4-ROM WLCSP(设计和生产分工)
  • 手机信号管理芯片: Infineon M1817A11 (英飞凌只设计,2009 年生产外包给台积电)
  • 多媒体芯片:Infineon PMB8876(英飞凌只设计,2009 年生产外包给台积电)

可以看到,在初代 iPhone 拆解的 11 个芯片里,三星和英特尔等采用自己设计的芯片、自己生产的芯片只占了 4 个,而由台积电探索出来的设计和生产分开的芯片生产模式则提供了剩余全部的芯片。

台积电所开启的只专注芯片生产,而不涉及芯片设计的分工模式,让移动手机内需要的大量不同功能的芯片诞生创造了条件。也让一部手机内的芯片不再只是几家芯片巨头来垄断。

之后高通,恩智浦等无厂芯片设计公司开始因为移动手机市场的爆发,营收开始不断上升。其中,高通(也是台积电客户)可以每年将 20% 以上的营收投入研发,一方面设计出技术最领先的芯片销售,另一方面还产生了很多的核心专利,并将其授权给下游的厂商使用。这也得益于不需要在芯片生产上进行投入带来的好处。

张忠谋退休,但台积电的生意还没结束

作为制造业转移的一部分,半导体的芯片制造因为晶圆加工的技术要求较高,并没有向服装加工业一样走向低端化。

现在台积电的市值约为 2000 亿美元左右,和英特尔的市值差不多,甚至一度在 2017 年超越了英特尔。而三星电子加上全球第一大手机生意,市值则是 2800 亿,也只是比台积电多 1/2。

在 6 月 5 日,宣布退休的股东大会上,张忠谋表示,预计台积电 2018 年收入将增长 10-15%,驱动力来自高性能计算、各种物联网应用、汽车驾驶等方面。

台积电最新的 7 nm 工艺预计本季度投产,并在第四季度达到最大产能,届时有望为台积电贡献 10% 左右的收入。张忠谋曾表示“台积电已经拿到了 7nm 100% 的市场份额“,暗示其最大竞争对手之一的三星,一份 7nm 工艺的芯片订单都没拿到。

而接下来,台积电新的两位接班人之一的魏哲家表示,台积电计划在未来 3 年拿出 250 亿美元研发 5nm 的芯片制造技术。作为对比,台积电 2017 年总营收不过 330 亿美元而已。

芯片制造的投资规模变得越来越大了。

但人们记住的更多是手机背面印着的品牌以及屏幕里互联网公司的 Logo。Intel Inside 已经成为过去,你不会在手机上看到芯片的标志。骁龙之类的名字只有媒体和发烧友还会挂在嘴上。最大的三个手机公司,三星、苹果、华为也都自己设计芯片,而苹果正将更多芯片制造代工从三星转向没有竞争关系的台积电。

芯片越来越隐形,但它依然是驱动这一切的动力。在计算机这座山里,台积电 1980 年代带来的那次分工依然是重要的一层。


题图来源:东方IC

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