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台积电董事长:缺芯是多重因素 半导体生产美国化不会增加供应链弹性

来源:原创    更新时间:2021-10-08 12:16:44    编辑:星谷下载    浏览:86
  • 1台积电是世界上最大的半导体芯片代工制造商,其客户包括苹果、英特尔、高通、英伟达等。

  • 2台积电控制着全球半数以上的定制芯片市场,对最先进处理器的控制甚至更加严格,市场占有率高达90%以上。

  • 3台积电绝对至关重要,它们基本上控制着半导体生态系统中最复杂的部分,在尖端几乎处于垄断地位。

  • 4台积电宣布将在未来三年投资1000亿美元用于提高产能,但刘德音认为这依然不够。

  • 5台积电最近的成功得益于苹果的巨大帮助,后者是台积电崛起为芯片生产领域领先者的关键。

  • 6制作每个芯片需要大约1500个步骤,每个步骤都有100到500个变量,最终只有不到1/4产品可用。

台积电原本只是半导体芯片领域默默无闻的代工厂商,但在苹果的帮助下,该公司迅速崛起为芯片生产领域的领先者,如今已经成为世界上最大的半导体芯片代工制造商。然而,随着芯片供应短缺危机加剧,台积电开始受到多方压力,并为全球所关注。该公司董事长刘德音最近接受专访,就半导体行业发展趋势、美国推动半导体生产本地化以及未来挑战等问题发表了看法。

9月10日,在台湾新竹,一名工人进入芯片制造商台积电总部的无尘室            

在中国台湾西北海岸,坐落着被称为世界上最重要的公司之一,它位于堆满招潮蟹和芬芳柿园的泥滩之间。台积电是世界上最大的半导体芯片(也称为集成电路,或简称芯片)代工制造商,为我们的智能手机、笔记本电脑、汽车、手表、冰箱等提供动力。该公司客户包括苹果、英特尔、高通、AMD和英伟达等。

在新竹县四四方方的灰白色总部里,技术人员穿着色彩鲜艳的防护服(正式员工穿白色和蓝色,承包商穿绿色,孕妇穿粉色),在浅黄色的保护灯下推着抛光的金属手推车。 在他们的头顶上,“爪机”将装有25片单独硅片(或称“晶圆”)的9公斤塑料容器运送到数百个制造站的轨道上,在那里,它们被一个接一个地提取出来进行处理,就像自动点唱机选择唱片那样。只有经过6到8周的蚀刻和测试,每个晶圆才能被切割成单独的芯片,然后被分发到地球各地。

一位台积电部门经理表示:“我们总是说,这就像在建造高楼。”他指的是技术人员需要勤奋地按照平板电脑上的指令进行操作,“每次只能构建一层”。如今,市值高达5500亿美元的台积电控制着全球半数以上的定制芯片市场,对最先进处理器的控制甚至更加严格,据业内人士估计,该公司拥有90%以上先进处理器的市场份额。

台积电工人在新竹总部制造芯片的无尘室中工作            

贝恩咨询公司(Bain&Co.)的半导体专家彼得·汉伯里(Peter Hanbury)说:“台积电绝对至关重要,它们基本上控制着半导体生态系统中最复杂的部分,在尖端几乎处于垄断地位。”

芯片短缺重创169个行业

在过去的半个世纪里,半导体芯片的重要性呈指数级增长。1969年,美国阿波罗登月舱前往月球时使用了数以万计的晶体管,总重量为70磅(近32公斤)。如今,苹果MacBook的总重量只有3磅,却塞进了160亿个晶体管。随着移动设备、物联网(IOT)、5G和6G网络的普及以及对计算能力需求的增长,芯片的普及率将继续上升。

2020年,全球芯片销售额为4400亿美元,而且预计每年还会增长5%以上。美国总统乔·拜登(Joe Biden)称这些产品为“关键产品”,其“供应链中断会危及美国人的生命和生计”,而日本和韩国政府则将半导体的重要性比作“大米”。

台积电成功垄断了这一至关重要的市场,甚至引起美国政府担忧。美国国防部正在向拜登政府施压,要求其加大对先进芯片制造的投资。根据高盛(Goldman Sachs)的分析,更直接的是,全球芯片短缺已经影响到了169个行业,从钢铁和预拌混凝土到空调设备和啤酒厂等。最严重的是,美国、日本和欧洲的汽车制造商被迫放慢生产速度甚至停产,这意味着今年的汽车产量将比去年减少390万辆。

台积电董事长刘德音在接受专访时表示,汽车公司“立即将缺芯归咎于台积电。但我告诉他们:‘你们是我的客户的客户的客户,我怎么能优先考虑别人,而不给你们芯片呢?”

芯片的稀缺性使台积电从一家基本上默默无闻的服务公司,一跃成为围绕科技未来的全球角力的中心,该公司将在决定本世纪末世界格局方面发挥巨大作用。刘德音更乐观的设想是,到2030年,人工智能(AI)的广泛采用将通过粒状天气预测帮助减轻气候变化的破坏,使更准确的癌症诊断成为可能,甚至通过社交媒体的自动事实核查打击虚假新闻。他说:“新冠肺炎疫情爆发后,每个人都觉得未来加速了!”在他看来,未来会是什么样子“比起两年前要清晰得多。”

“英特尔的耻辱”

半导体芯片短缺首次让台积电感到紧张是在2月份,当时芯片的平均订单到交货时间延长到前所未有的15周,原因是多种因素共同作用,包括疫情引发的经济低迷促使汽车制造商过早削减芯片订单,随着担心卷入贸易和技术竞争的公司囤积芯片,芯片订单很快反弹。刘德音说,在全球芯片短缺的情况下,送到工厂的芯片比应用在产品中的芯片多,这意味着“肯定有人在囤积芯片”。

在被切成芯片之前展出的晶圆            

为了解决这个问题,刘德音命令他的团队对不同的数据点进行分析,以破译哪些客户真正需要芯片,哪些客户正在囤积。他说:“我们也在学习中,因为我们以前不必这么做。”这迫使他需要做出艰难的决定,比如推迟对有价值客户的订单,因为这些客户的迫切需求被判断为不那么紧迫。刘德音表示:“有时候客户可能感到不满,但我们只要做对行业最有利的事就行了!”

这场缺芯危机加剧了人们对技术获取渠道的关注,美国发明了这些技术,而且在设计上仍然比其他国家好,但不再大规模生产。拜登的2万亿美元基础设施修复计划包括500亿美元,用于提高半导体行业的竞争力。美国参议院6月份通过了《创新与竞争法案》,旨在所有技术领域展开竞争。然而,仅台积电一家就宣布将在未来三年投资1000亿美元用于提高产能。这是个惊人的数字,尽管对刘德音来说:“我越看越多越觉得不够。”

尽管芯片本身变得更加普遍和关键,但半导体行业仍在收缩。除了台积电,唯一有能力商业化生产当今最先进5纳米芯片的公司是韩国三星电子。然而,台积电正在台湾南部的建造新的加工厂,以生产突破性的3纳米芯片,预计速度将提高15%,耗电量也会低得多。这种最新一代的芯片制造技术,将使英特尔和格芯等美国公司至少落后两代。

作家丹尼尔·内尼(Daniel Nenni)说:“这是英特尔的耻辱。他们失去领导权,实在令人非常失望。”,内尼是《无工厂:半导体产业的转型》(Fabless:The Transform of the Semiconductor Industry)一书的合著者。

在现代计算机工业的初期,像英特尔这样的先驱自行设计和制造芯片。但美国公司在20世纪80年代开始与日本对手抗争,为了保持竞争力,他们将业务的制造环节外包出去,转而专注于更有利可图的设计工作。建设晶圆厂成本高昂,但利润率低,因此这种抵消资本投资和风险的行为在当时很有意义。

“做别人不愿做的工作”

台积电创始人张忠谋预见到了这种“无晶圆厂”的趋势,并于1987年创业。他曾在哈佛大学、斯坦福大型和麻省理工学院(MIT)学习,并在德州仪器工作了25年。在众多突破中,张忠谋率先采用了亏本定价的芯片策略,希望及早获得市场份额将扩大规模,达到降低成本就能盈利的地步。随着技术的进步,建设新晶圆厂的成本飙升,促使更多的芯片制造商外包,台积电的市场份额也随之增加。哈佛商学院教授史兆威(Willy Shih)表示:“台积电在做别人不愿做的工作。”

工人和访客必须穿上防尘服才能进入无尘室            

2018年6月,86岁的张忠谋将台积电的控制权交给了董事长刘德音和首席执行官魏哲家。这可能是个艰难的转型,但事实证明,这也是个跳板,使台积电能够摆脱竞争对手,形成更激进的经营理念。史兆威教授说,除了投入数十亿美元锁定技术领先地位外,该公司还在着手“实现地理多元化,这在张忠谋的领导下是不会发生的”。虽然魏哲家在新的领导班子中更专注于技术,但他与注重商业的刘德音形成了完美互补。

在很多方面,刘德音的职业道路都与他的导师张忠谋的职业道路相同。他出生在台湾,在加州大学伯克利分校获得博士学位后加盟英特尔,在那里他帮助推出了革命性的i386处理器,推动了20世纪80年代末的个人电脑革命。离开英特尔后,刘德音花了六年时间在新泽西州的AT&T贝尔实验室进行研究,1993年加入台积电。

刘德音说,当张忠谋将他招致麾下时,他最初担任的几个角色就是亲身体验工厂建设。他补充说:“张忠谋教给我许多丰富的经验,从运营到规划、销售、营销和研发。这就是为什么我要求我们的员工走出舒适区去学习些新东西,而不仅仅是从老板那里得到一份良好的绩效评估而感到志得意满的原因。”

与苹果合作,痛并快乐着

台积电最近的成功尤其与一个客户有关——苹果。这家库比蒂诺巨头将其前六代iPhone的芯片制造全部外包给三星,但在三星推出自己的竞争对手Galaxy智能手机后,苹果在2011年提起了知识产权侵权诉讼,最终获得5.39亿美元赔偿。这场纠纷对台积电来说是个机遇,因为苹果试图将其供应链从三星手中释放出来,并避免任何可能会帮助潜在竞争对手的合作伙伴关系。

令苹果放心的是,台积电是一家专注于晶圆代工的企业,不会偏离自己的路线。苹果目前仍是台积电最大的客户。刘德音称:“这是一项信托业务,我们不与客户竞争。”

苹果也是台积电崛起为无可争议的技术领先者的关键。长期以来,计算行业始终遵循着摩尔定律,该定律是以英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)的名字命名的。摩尔定律认为,计算机的处理能力每两年左右翻一番,该行业的趋势是优先选择一个新的半导体节点来适应这一时间框架。

然而,苹果坚称,它希望每一代iPhone都采用新的节点。由于苹果引以为豪的、被视为“皇冠上明珠”的智能手机从未错过任何发布会,台积电面临着巨大的压力,要求它不断推出新产品。因此,台积电没有将许多新技术结合在一起,每两年将性能增加一倍,而是每年都在以微小步伐前进。内尼称:“人们取笑台积电,说‘哦,那不是真正的节点’,但采取这些小步骤帮助他们了解了这些新技术。这让他们一路笑到最后。”

尽管如此,领先也带来了不同的挑战。如今,芯片可能无处不在,但对最先进芯片的使用仍然有限。台积电的客户群在不断缩水,寻找必要资源来不断突破界限也变得更加困难,最近的严重干旱使水密集型半导体行业岌岌可危。龙洲经讯(Gavekal Dragonomics)的行业和技术分析师王丹(Dan Wang)表示:“未来的挑战越来越大。当你处于顶端时,唯一的方向是向下。”

生产美国化不会增加供应链弹性

台积电的主导地位如此之大,以至于它的主要竞争对手不是公司,而是各国政府。汽车业芯片短缺给已经从疫情和贸易战中摇摇欲坠的政策制定者敲响了警钟。欧盟委员会公布了一个公私半导体联盟,旨在到2030年将其在全球芯片生产中的份额提高到20%。韩国政府正在提供激励措施,以推动芯片制造商在2030年之前投资4500亿美元。

晶圆被切割成芯片之前            

尽管美国在芯片设计方面占据主导地位,但其缺乏制造能力仍然令政策制定者感到担忧,他们正试图将更多的晶圆厂建在美国。在保留台积电客户的同时,英特尔正在改造其代工业务,斥资200亿美元在亚利桑那州新建两座代工厂。去年,台积电承诺斥资120亿美元在美国建新厂。该公司还在日本和欧洲探索更多工厂。

但刘德音坦率地谈到了美国投资的原因及其局限性。他说,这是由“对我们客户的政治力量”推动的,他坚称“半导体生产美国化不会增加供应链的弹性,甚至可能降低韧性”。

制造芯片是非常复杂和专业的过程,以至于晶圆厂的位置多样化将使其更难保持质量。3纳米节点中的晶体管只有人头发宽度的1/20000。如果你将25厘米长的半导体晶片放大到美国大陆的大小,这些芯片所需的图案仍然只有缩略图的宽度。关键成分可能只有硅或纯净砂,但神奇之处在于它是如何处理和操纵的。台积电部门经理说:“这就像烤面包一样:食材都差不多,但烤多长时间、多高温度才是最重要的。”

因此,台积电的晶圆代工受到严密控制。所有参观者都必须穿上头罩、无尘夹克、裤子和鞋子,然后才能通过“空气淋浴”来清除错误的颗粒。台积电使用的极紫外光刻机每台售价约1.75亿美元。较大的晶圆厂将有20台这样的机器。

制作每个芯片需要大约1500个步骤,每个步骤都有100到500个变量。即使每一步的成功率是99.9%,这也意味着只有不到四分之一的最终产出是可用的。有分析师问道:“亚利桑那州的水、空气或化学物质有什么不同吗?”为了给出答案,研发团队需要解决无数个难题。

刘德音指出,事实证明,在美国生产的成本比台积电预期的要高得多。这一切都表明,芯片生产本地化热潮是由政治驱动的,而不是由科学或商业驱动。毕竟,在美国开设工厂只会影响制造过程的一小部分。如今,半导体通常在美国设计,在中国台湾或韩国制造,在东南亚测试和组装,然后在中国安装到产品中。它的专业化程度令人难以置信:尽管台积电在代工服务领域占据主导地位,但只有荷兰公司ASML生产其所有工厂都依赖的先进光刻机。

如果供应链的实力只有它最薄弱的一环来决定,那么在美国开设晶圆厂就不会有多大作用。美国的竞争力可能只会逐步提升。例如,位于亚利桑那州的新台积电工厂将生产5纳米芯片,虽然今天是最先进的,但到2024年开始批量生产时,将落后几代。同时,台积电总部将推进下一代3D集成电路,刘德音说,这“将释放半导体架构的创新”。

这些技术如此先进,不投入大笔资金不可能迎头赶上。即使到那时,也没有任何东西可以保证。毕竟,台积电公布的1000亿美元投资并不是孤立的。内尼说,苹果、英伟达和台积电所有其他密切合作伙伴的雄厚研发资金将其与之结合,并将其扩大,从而形成“比你看到的财务状况高出100倍的预算”。任何公司或国家都不可能赶上这个庞大的生态系统,它就像一列货运列车那样向前推进。

刘德音还说,对美国来说,更合理的做法是确保自己处于下一个重大进步的前沿。例如,它在新冠肺炎疫苗开发方面之取得重大进步,只是因为过去40年在基因组学和生物技术方面进行了巨额投资。刘德音建议,与其徒劳地追逐半导体供应链的各个方面并将其本地化,不如将这些钱投入到开发下一次重大飞跃上。

刘德音建议:“美国应该把重点放在自己的优势上:系统设计、人工智能、量子计算以及那些前瞻性的东西。”台积电可能已经赢得了2030年的胜利,但之后的十年仍有待把握。

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