曾經(jīng)落后的臺(tái)積電是如何取得今天的成就的

過去幾十年里，摩爾定律讓處理器的性能快速提升，隨著摩爾定律的放緩，性能和需求之間的矛盾日益明顯。一面是智能手機(jī)、HPC、AI對(duì)處理器性能不斷增加的需求，另一面則是半導(dǎo)體制程提升的難度的大增與高昂的成本。不過，先進(jìn)半導(dǎo)體制程依舊是提升處理器性能最為直觀的辦法，因此先進(jìn)制程更加受到業(yè)界關(guān)注。

英特爾10nm制程一再延期之時(shí)，臺(tái)積電就已經(jīng)量產(chǎn)了7nm。當(dāng)英特爾10nm制程2019年量產(chǎn)不久之后，臺(tái)積電就將在2020年上半年量產(chǎn)5nm制程，曾經(jīng)落后的臺(tái)積電為何能取得今天的成就？

本周，臺(tái)積電在上海舉辦一年一度的2019中國(guó)技術(shù)論壇，不過這是臺(tái)積電首次邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)媒體參與其年度技術(shù)盛會(huì)，雷鋒網(wǎng)受邀參加。在技術(shù)論壇的演講中，臺(tái)積電全球總裁魏哲家表示，目前市面上7nm的產(chǎn)品全都出自臺(tái)積電。他同時(shí)透露，臺(tái)積電的5nm技術(shù)已經(jīng)有客戶在此技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)產(chǎn)品，2020年第一到第二季度將會(huì)量產(chǎn)。

從落后到反超的兩個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)

首先需要明確，臺(tái)積電能取得今天的成績(jī)，并非是一朝一夕努力的結(jié)果，并且，今天的優(yōu)勢(shì)并不代表未來的成功。這家目前全球最大的晶圓代工企業(yè)成立于1987年，總部位于中國(guó)***新竹。臺(tái)積電成立之時(shí)，半導(dǎo)體巨頭都是IDM模式，也就是一家公司要完成從設(shè)計(jì)到制造再到封測(cè)的全部工作。那是，無晶圓芯片公司在設(shè)計(jì)完芯片之后，想讓有晶圓廠的巨頭幫他們代工芯片并不容易。

臺(tái)積電創(chuàng)始人張忠謀從美國(guó)回到***，抓住了機(jī)會(huì)成立了臺(tái)積電，專門從事晶圓代工的業(yè)務(wù)，也就是人們常說的芯片代工。臺(tái)積電這種商業(yè)上的創(chuàng)新如今看來深刻影響了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但在臺(tái)積電成立之初，半導(dǎo)體行業(yè)處于低迷期，并且其芯片制造技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于英特爾等芯片巨頭，因此他們只能靠少量的訂單艱難維持生存。

但偉大的企業(yè)家總能帶領(lǐng)公司解決挑戰(zhàn)，在張忠謀的領(lǐng)導(dǎo)下，憑借英特爾認(rèn)證的背書，加上半導(dǎo)體市場(chǎng)的轉(zhuǎn)暖，臺(tái)積電的營(yíng)收迎來了快速增長(zhǎng)。1995年?duì)I收已經(jīng)超過10億美元，1997年實(shí)現(xiàn)13億美元營(yíng)收，5.35億美元的巨額盈利讓臺(tái)積電當(dāng)時(shí)就成為了最賺錢的***企業(yè)。

不過，臺(tái)積電逐步取得技術(shù)領(lǐng)先是在成立的20年之后。1999年，臺(tái)積電領(lǐng)先業(yè)界推出可量產(chǎn)的0.18微米銅制程制造服務(wù)。2001年，臺(tái)積電推出業(yè)界第一套參考設(shè)計(jì)流程，協(xié)助開發(fā)0.25微米及0.18微米的客戶降低設(shè)計(jì)難度，以實(shí)現(xiàn)快速量產(chǎn)的目標(biāo)。

2005年，臺(tái)積電又領(lǐng)先業(yè)界成功試產(chǎn)65nm芯片。此時(shí)，隨著晶體管體積的進(jìn)一步縮小，難度的增加讓成本大漲，眾多芯片巨頭都停止了對(duì)先進(jìn)晶圓廠的投入，這給專門提供晶圓代工服務(wù)的臺(tái)積電帶來的機(jī)會(huì)。

而進(jìn)一步擴(kuò)大臺(tái)積電實(shí)力的技術(shù)節(jié)點(diǎn)是28nm。進(jìn)入28nm制程時(shí)，有一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)選擇——先閘極（Gate-first）與后閘極（Gate-last），格羅方德和三星都選擇了先閘極技術(shù)，臺(tái)積電通過認(rèn)真研究?jī)煞N技術(shù)，堅(jiān)定地選擇后閘極技術(shù)，結(jié)果臺(tái)積電2011年一舉成功量產(chǎn)，三星與格羅方德的生產(chǎn)良品率卻始終無法提升。

為鞏固優(yōu)勢(shì)，臺(tái)積電針對(duì)智能手機(jī)芯片設(shè)計(jì)的主流制程一連推出四個(gè)版本，每年新推出的制程不但較前一代速度提高、芯片尺寸微縮4%，還省電30%。借此，臺(tái)積電在28nm節(jié)點(diǎn)就建立了很高的壁壘。

臺(tái)積電成功的3個(gè)關(guān)鍵

魏哲家表示，臺(tái)積電成功最主要靠三個(gè)支撐點(diǎn)：技術(shù)、生產(chǎn)和各位的信任。

臺(tái)積電全球總裁魏哲家

技術(shù)路線

根據(jù)臺(tái)積電的說法，臺(tái)積電7nm已經(jīng)獲得60個(gè)NTO（New Tape Out，新產(chǎn)品流片），2019年將會(huì)突破100個(gè)。7nm之后，臺(tái)積電推出了7nm+工藝，作為臺(tái)積電首個(gè)使EUV光刻技術(shù)的節(jié)點(diǎn)，7nm+的邏輯密度是7nm的1.2倍，良率方面和量產(chǎn)的7nm相比不分伯仲。根據(jù)規(guī)劃，臺(tái)積電7nm+將會(huì)在2019下半年投入量產(chǎn)。

7nm+之后，臺(tái)積電先推出的并非6nm而是5nm。魏哲家表示，5nm的生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，并且已經(jīng)有客戶可以開始在其技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)產(chǎn)品。5nm已經(jīng)在風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)，預(yù)計(jì)將在2020年第一季度到第二季度開始量產(chǎn)。5nm之后，臺(tái)積電也規(guī)劃了5nm+。

魏哲家解釋稱，6nm（N6）之所以選擇在7nm+和5nm后推出，是希望借助7nm+和5nm的經(jīng)驗(yàn)，讓6nm比7nm+有更優(yōu)的邏輯密度，且與7nm的IP相容，使用7nm+工藝的IP可以繼續(xù)使用6nm工藝，減少制程復(fù)雜度的同時(shí)降低成本。

據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，在臺(tái)積電的規(guī)劃中7nm將會(huì)是一個(gè)過渡的節(jié)點(diǎn)，而6nm將會(huì)是一個(gè)主要節(jié)點(diǎn)，預(yù)計(jì)會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的的一段時(shí)間內(nèi)都扮演重要的角色。

產(chǎn)能投資

魏哲家介紹，2018年臺(tái)積電的產(chǎn)能是1200萬片的12寸晶圓，1100萬片8寸晶圓，8寸晶圓相較2013年增長(zhǎng)540萬片，平均每年增加14.3%。產(chǎn)能的持續(xù)增長(zhǎng)源于不斷的投入，去年年底開工的臺(tái)積電南京廠（晶圓十六廠，F(xiàn)ab 16）主要是16nm晶圓代工。另外，臺(tái)積電在臺(tái)南的18廠于去年1月動(dòng)工，主攻5nm制程工藝。

據(jù)悉，臺(tái)積電的資本支出每年將近100億美元，過去五年總計(jì)投入近500億美元，今年這一數(shù)值預(yù)計(jì)將超過100億美元。

不過魏哲家強(qiáng)調(diào)，真正重要的不是生產(chǎn)，而是生產(chǎn)的品質(zhì)。他說：“如果生產(chǎn)的產(chǎn)品品質(zhì)不夠好，那就不要讓它出去。”因此臺(tái)積電的目標(biāo)是“zero excursion，zero defect（零偏移，零缺陷）”，希望客戶得知這個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)自臺(tái)積電后，就會(huì)放下心來，不會(huì)再問第二個(gè)問題。

關(guān)于臺(tái)積電成功的另外一個(gè)關(guān)鍵因素——信任，魏哲家并沒有闡述更多。但信任也非常重要，特別是向新的進(jìn)程邁進(jìn)的時(shí)候，無論對(duì)臺(tái)積電還是客戶而言都將是一筆巨額的投入，并且存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)，臺(tái)積電需要客戶的信任，只有這樣，臺(tái)積電才能保證巨額的投入可以獲得回報(bào)，當(dāng)然，也只有信任，雙方才能達(dá)成更多長(zhǎng)期的合作。畢竟臺(tái)積電提供的是晶圓代工服務(wù)，如果無法獲得足夠的晶圓代工訂單，經(jīng)營(yíng)都將面臨困境。

臺(tái)積電如何保持領(lǐng)先？

從目前的情況看，臺(tái)積電實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的領(lǐng)先，這背后是一個(gè)良性的循環(huán)。在晶圓代工中，先進(jìn)的制程投入量產(chǎn)之初成本非常高，只有大量的生產(chǎn)才能快速降低成本，成本和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可以幫助代工廠獲得更高的利潤(rùn)，最終，獲得的營(yíng)收又可以用于推進(jìn)更先進(jìn)制程的研究和量產(chǎn)。

以臺(tái)積電為例，他們每年的資本支出就達(dá)到100億甚至高于這一數(shù)值，如果無法從先進(jìn)制程中獲得足夠的利潤(rùn)，很難支撐更先進(jìn)工藝的研發(fā)，畢竟隨著半導(dǎo)體工藝復(fù)雜度的增加，無論是研發(fā)還是生產(chǎn)成本都將大幅增長(zhǎng)。并且先進(jìn)制程帶來高風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，對(duì)營(yíng)收的貢獻(xiàn)也存在滯后性。通過臺(tái)積電的營(yíng)收我們可以看到，去年已經(jīng)有多款7nm處理器量產(chǎn)，但7nm當(dāng)時(shí)貢獻(xiàn)的營(yíng)收很少，到了2019 Q1，臺(tái)積電7nm的營(yíng)收已經(jīng)高達(dá)22%，也是營(yíng)收貢獻(xiàn)最多的節(jié)點(diǎn)。

顯然，臺(tái)積電進(jìn)入了一個(gè)良性循環(huán)的過程，并且在晶圓代工市場(chǎng)，領(lǐng)先者將憑借技術(shù)和時(shí)間優(yōu)勢(shì)將獲得最多的利潤(rùn)，即便市占排名第二，營(yíng)收和市場(chǎng)龍頭也有巨大的差距，在這種情況下想要實(shí)現(xiàn)超越非常困難。

不過，即便具備優(yōu)勢(shì)，臺(tái)積電依舊保持著對(duì)市場(chǎng)和競(jìng)爭(zhēng)者的敬畏之心?，F(xiàn)在，臺(tái)積電在努力將邏輯的優(yōu)勢(shì)向更多領(lǐng)域拓展。在進(jìn)入28nm之后，想通過晶體管的微縮保持芯片性能的提升已經(jīng)面臨巨大挑戰(zhàn)，業(yè)界開始探索借助封裝提升性能。臺(tái)積電率先布局，并推出了Bumping服務(wù)，根據(jù)臺(tái)積電的說法，現(xiàn)在超過90%的7nm客戶都選擇了臺(tái)積電的Bumping服務(wù)。

2011年第三季度的法說會(huì)上，張忠謀毫無預(yù)兆擲出重磅炸彈──臺(tái)積電要進(jìn)軍封裝領(lǐng)域。他們推出的第一個(gè)先進(jìn)封裝產(chǎn)品是CoWoS（Chip on Wafer on Substrate），具體而言是將邏輯芯片和DRAM 放在硅中介層（interposer）上，然后封裝在基板上。

如今，臺(tái)積電的封裝技術(shù)主要分為前端3D（Frontend 3D）的SoIC和WoW兩種集成技術(shù)，以及后端3D（Backend 3D）的Bump（凸塊）/WLCSP、CoWoS、InFO三種技術(shù)，這些技術(shù)都有助于推動(dòng)系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新，面向不同的市場(chǎng)。

據(jù)介紹，CoWoS主要面向AI、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)，InFO_PoP將主要應(yīng)用于手機(jī)，InFO_MS主要應(yīng)用于AI推理，InFO_oS主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)。未來，3D封裝將在高性能計(jì)算中發(fā)揮非常重要的作用，臺(tái)積電擁有先進(jìn)封裝技術(shù)將非常重要。不過，臺(tái)積電并不準(zhǔn)備與封測(cè)廠爭(zhēng)奪市場(chǎng)，臺(tái)積電表示他們將聚焦于晶圓層面的封裝。

5G作為推動(dòng)未來半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的主要技術(shù)，臺(tái)積電也在進(jìn)行探索RF以及模擬器件的可能性。在Wi-FI和毫米波市場(chǎng)，臺(tái)積電在將工藝往16nm FinFET 推進(jìn)，另外，臺(tái)積電還將推出7nm RF，相關(guān)的Spice和SDK也會(huì)在2020年下半年準(zhǔn)備就緒。模擬方面臺(tái)積電也有廣泛的布局。

臺(tái)積電在手機(jī)圖像傳感器、高靈敏度MEMS、高端OLED、PMIC方面也有相應(yīng)的技術(shù)。在存儲(chǔ)領(lǐng)域，臺(tái)積電的40nm RRAM在2018年上半年就進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)，28nm/22 nm的RRAM也會(huì)在2019年下半年風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)。臺(tái)積電也擁有比eFlash快三倍寫速度的22nm MRAM，這個(gè)工藝也在2018年下半年開始風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)。

最后需要關(guān)注的是，半導(dǎo)體制程提升的兩大關(guān)鍵是晶體管結(jié)構(gòu)和材料，關(guān)于結(jié)構(gòu)的進(jìn)展，臺(tái)積電沒有透露新的消息，但材料方面提到了創(chuàng)新Low—k材料。

雷鋒網(wǎng)小結(jié)

臺(tái)積電引領(lǐng)了半導(dǎo)體行業(yè)晶圓代工的模式，歷經(jīng)三十多年，臺(tái)積電成功從落后的追隨者變?yōu)榱祟I(lǐng)先者，也是先進(jìn)處理器背后的幕后支撐者。不過，在晶圓代工領(lǐng)域取得領(lǐng)先并且處于良性周期的臺(tái)積電依舊保持著對(duì)市場(chǎng)和所有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的敬畏，不僅在提升半導(dǎo)體制程關(guān)鍵的晶體管結(jié)構(gòu)和材料持續(xù)投入，努力保持邏輯優(yōu)勢(shì)，也正在將邏輯優(yōu)勢(shì)拓展至5G、模擬等領(lǐng)域。還有，臺(tái)積電生態(tài)超過1000名的工程師也是其很難超越的優(yōu)勢(shì)。

至于存儲(chǔ)，臺(tái)積電有所布局，但如何在這一領(lǐng)域取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，臺(tái)積電的思考是關(guān)注新的存儲(chǔ)技術(shù)而非已有的技術(shù)，這也許是臺(tái)積電取得成功的重要因素之一。當(dāng)然，新的技術(shù)也是臺(tái)積電最有可能進(jìn)行收購(gòu)的動(dòng)力。

還有一點(diǎn)，對(duì)于未來制程技術(shù)的提升，技術(shù)或許不是最難的，最大的挑戰(zhàn)或許來自對(duì)于成本的考量。