《电子技术应用》

新挑战者中芯国际能否动摇台积电霸主地位

2016/12/28 6:00:00

今年十月, 晶圆代工厂台积电董事长张忠谋谈及Intel跨足晶圆代工领域,谈及Intel此举是把脚伸到池里试水温,并道:「相信英特尔会发现,水是很冰冷的。」全球晶圆代工在2015年的产值高达488.91亿美元,更是台湾科技业与金融业维生的命脉。

Intel和台积电之对决将孰赢孰败?更别提一旁虎视眈眈地三星,这场战争在多年以前早已悄悄开打。今天就让我们来谈谈各家巨头的爱恨纠葛。


全球第一家、也是全球最大的晶圆代工企业,晶圆代工市占率高达54%。2015年资本额约新台币2,593.0亿元,市值约1,536亿美金(2016/9)、约五兆新台币。另一方面,台积电在2016年度的资本支出高达95亿至105亿美元(约新台币3,050亿至3,380亿元),已超越Intel。

制程方面采取稳进路线,从28纳米、20纳米,到2015年Q2成熟制程(能大量生产、且在效能与良率上都稳定)达16纳米。先进制程10纳米预计在2017年第1季量产。其更于今年9月底透露,除5纳米制程目前正积极规划之外,更先进的3纳米制程目前也已组织了300到400人的研发团队。

未来,物理限制让制程、摩尔定律也越难以实现,台积电预计将采取持续投入先进制程研发,但也着力于成熟制程特规化上的双重策略,以维持其晶圆代工的龙头地位。

一、联电是怎样落伍的


联电仅次于台积电、是全球第二大晶圆代工厂。然2015年已被格罗方德以9.6%的市占超过、以9.3% 的市占率成为老三。事实上代工产业只有龙头一枝独秀,景气不佳时仅台积电始终维持获利,其余2、3、4名皆是一团混战。

联电创立于1980年,也是台湾第一家上市的半导体公司,早年一直是晶圆代工领域的领导者。什么原因导致联电与台积电曾并称晶圆双雄,到如今无论股价、营收与获利都拼不过台积电在晶圆代工的地位呢?这就要说说台积电董事长张忠谋与联电荣誉董事长曹兴诚二王相争的故事了。

张忠谋于1949年赴美留学,分别拿到美国麻省理工学院机械工程系学士、硕士,因为申请博士失败,毕业后只好先进入德州仪器(TI)工作,当时的张忠谋27岁。彼时德仪正替IBM生产四个电晶体,IBM提供设计、德仪代工,可以说是晶圆代工的雏形。张忠谋带领几个工程师,成功把德仪的良率从2%-3%成功提升至20%以上、甚至超过IBM的自有产线。

张忠谋在德仪待了25年,直到1983年确定不再有升迁机会,1985年应经济部长孙运璿之邀、回台担任工研院院长,当时的张忠谋已经54岁了。相较于张忠谋的洋学历与外商经历,曹兴诚由台大电机系学士、交大管科所硕士毕业后进入工研院。工研院于1980年出资成立联电后,于1981年起转任联电副总经理、隔年转任总经理。

让我们再看一次──联电是创立于1980年,曹兴诚1981年任副总经理、张忠谋于1985年以工研院院长身分兼任联电董事长。1986年、张忠谋创办了台积电,并身兼工研院、联电与台积电董事长三重身分。相较于以整合元件设计(IDM)为主、开发自家处理器与记忆体产品的联电,台积电专攻晶圆代工。

这在当时完全是一个创举、更没人看好,一般认为IC设计公司不可能将芯片交由外人生产、有机密外泄之虞,况且晶圆代工所创造的附加价值比起贩售芯片还低得多。然而建立晶圆厂的资本支出非常昂贵,若将芯片的设计和制造分开,使得IC设计公司能将精力和成本集中在电路设计和销售上,而专门从事晶圆代工的公司则可以同时为多家IC设计公司提供服务,尽可能提高其生产线的利用率、并将资本与营运投注在昂贵的晶圆厂。台积电的成功,也促使无厂半导体(Fabless)的兴起。

不过这完全惹恼了曹兴诚,他宣称在张忠谋回台的前一年便已向张提出晶圆代工的想法,却未获回应,结果张忠谋在担任联电董事长的情况下,隔年竟手拿政府资源、拉上用自己私人关系谈来的荷商飞利浦(Philips)合资另创一家晶圆代工公司去了。

当时曹兴诚示威性地选在工研院与飞利浦签约的前夕召开记者会、宣布联电将扩建新厂以和台积电抗衡。从那之后,曹兴诚和张忠谋互斗的局面便未停止过;然而张忠谋亦始终担任联电董事长,直到1991年曹兴诚才成功联合其他董事以竞业回避为由,逼张忠谋辞去、并从总经理爬到董事长一职。

台积电随后在晶圆代工上的成功,也成了联电的借鉴。1995年联电放弃经营自有品牌,转型为纯专业晶圆代工厂。曹兴诚的想法比张忠谋更为刁钻──他想,若能与无厂IC设计公司合资开设晶圆代工厂,一来不愁没有资金盖造价昂贵的晶圆厂,二来了掌握客户稳定的需求、能直接承接这几家IC设计公司的单。故曹兴诚发展出所谓的「联电模式」,与美国、加拿大等地的11家IC设计公司合资成立联诚、联瑞、联嘉晶圆代工公司。

然而此举伴随而来的技术外流风险,大型IC设计厂开始不愿意将芯片设计图给予联电代工,使得联电的客户群以大量的中小型IC设计厂为主。1996年,因为受到客户质疑在晶圆代工厂内设立IC设计部门,会有怀疑盗用客户设计的疑虑,联电又将旗下的IC设计部门分出去成立公司,包括现在的联发科技、联咏科技、联阳半导体、智原科技等公司。再来是设备未统一化的问题──和不同公司合资的工厂设备必有些许差异,当一家工厂订单爆量时,却也难以转单到其他工厂、浪费多余产能。


相较之下,台积电用自己的资金自行建造工厂,不但让国际大厂愿意将先进制程交由台积电代工而不用担心其商业机密被盗取、更能充分发挥产线产能。

不过真正让曹兴诚砸掉整个宏图霸业、从此联电再也追赶不上台积电的分水岭,还在于1997年的一场大火,与2000年联电与IBM的合作失败。

我们在前述中提到,联电的每个晶圆厂都是独立的公司,「联瑞」就是当时联电的另一个新的八吋厂。在建厂完后的两年多后,1997年的八月开始试产,第二个月产就冲到了三万多片。该年10月,联电总经理方以充满企图心的口吻表示:「联电在两年内一定干掉台积电!」不料两日后,一把人为疏失的大火烧掉了联瑞厂房。火灾不仅毁掉了百亿厂房,也让联瑞原本可以为联电赚到的二十亿元营收泡汤,更错失半导体景气高峰期、订单与客户大幅流失,是历史上台湾企业火灾损失最严重的一次,也重创了产险业者、赔了100多亿,才让台湾科技厂房与产险业者兴起风险控制与预防的意识,此为后话不提。

在求新求快的半导体产业,只要晚别人一步将技术研发出来、就是晚一步量产将价格压低,可以说时间就是竞争力。在联瑞被烧掉的那时刻,几乎了确定联电再也无法追上台积电。

2000 年与IBM的合作,对联电来说又是一次重击,却是台积电翻身的关键。

随着半导体元件越来越小、导线层数急遽增加,使金属连线线宽缩小,导体连线系统中的电阻及电容所造成的电阻/电容时间延迟(RC Time Delay),严重的影响了整体电路的操作速度。要解决这个问题有二种方法──一是采用低电阻的铜当导线材料;从前的半导体制程采用铝,铜的电阻比铝还低三倍。二是选用Low-K Dielectric (低介电质绝缘)作为介电层之材料。在制程上,电容与电阻决定了技术。

当时的IBM发表了铜制程与Low-K材料的0.13微米新技术,找上台积电和联电兜售。该时台湾半导体还没有用铜制程的经验,台积电回去考量后,决定回绝IBM、自行研发铜制程技术;联电则选择向IBM买下技术合作开发。然而IBM的技术强项只限于实验室,在制造上良率过低、达不到量产。到了2003 年,台积电0.13 微米自主制程技术惊艳亮相,客户订单营业额将近55亿元,联电则约为15亿元。再一次,两者先进制程差异拉大,台积电一路跃升为晶圆代工的霸主,一家独秀。

Nvidia 执行长兼总裁黄仁勋说:「0.13微米改造了台积电。」

现在的联电在最高端制程并未领先,策略上专注于12 吋晶圆的40以下纳米、尤其28纳米,和8吋晶圆成熟制程。除了电脑和手机外,如通讯和车用电子芯片,几乎都采用成熟制程以控制良率、及提供完善的IC给予客户。联电积极利用策略性投资布局多样芯片应用,例如网路通讯、影像显示、PC等领域,针对较小型IC设计业者提供多元化的解决方案,可是说是做台积电不想做的利基市场。


台积电的28纳米制程早在2011年第4季即导入量产。反观联电28纳米制程迟至2014年第2季才量产,足足落后台积电长达2年半时间。在28纳米的基础上联电仍得和台积电竞争客户,故在28纳米需求疲软时台积电仍能受惠于先进制程、而联电将面临不景气的困境。近来竞争趋烈,中芯也已在2015 年下半量产28 纳米,故联电计画跳过20纳米,原因在于20纳米制程在半导体上有其物理局限,可说是下一个节点的过渡制程,效果在于降低功耗,效能上突破不大,因此下一个决胜节点会是16/14纳米制程。

联电预计在2017年上半年开始商用生产14纳米FinFET芯片,以赶上台积电与三星,然而在随着制程越趋先进,所需投入的资本及研发难度越大,联电无法累积足够的自有资本,形成研发的正向循环,未来将以共同技术开发、授权及策略联盟的方式来弥补技术上的缺口。

二、最大的威胁者——三星


由李秉喆创立的韩国三星集团是世界上最大的一家由家族控制的商业帝国,早期出口干鱼、蔬菜、水果到中国东北去。1970年代生产洗衣机、冰箱、电视机等家电, 1980年代开始引进美国先进技术并和韩国半导体公司完成合并,家电、电信与半导体成为三星电子的核心业务。

三星的晶圆代工事业的发展之所以能成功,苹果可以说是一股最主要的助力。三星是动态随机存取记忆体(DRAM)和快闪记忆体(NAND)的领导厂商,全球市占率达15.5%。故其始终掌握着iPhone的记忆体关键零组件,比如iPhone 4使用的快闪记忆体芯片来自三星、iPad显示器也是由三星生产。

再加上三星的电子产品,使用的是自家生产的处理器、如Exynos猎户座;为了获得苹果的资源发展晶圆产业、同时不让自己的产能过剩(若处理器仅用在三星自身产品上会有多余产能),其晶圆代工几乎是用成本价吃掉苹果单、记忆体打包一起折扣卖,来帮自己的晶圆代工练兵。


从iPhone的第一代芯片开始,苹果一直向三星采购ARM架构的芯片。2010年苹果自主研发的A4芯片被搭载在iPad上正式发表、随后又搭载在iPhone 4中。A4处理器虽出自苹果,三星自家发表的S5PC100处理器和A4芯片上采用的内核一模一样,两款芯片的电路设计上可以说是同一批人马。后续的A5、A6、A7也都是三星生产。

不过苹果和三星在代工处理上的关系,直到三星在Android智慧型手机与苹果的iOS开始起了摩擦。2011年苹果正式起诉三星GALAXY系列产品抄袭iPhone和iPad、三星又反起诉苹果侵犯其10项技术专利,苹果与三星的专利诉讼战几乎遍及全世界。

台积电之所以一直没办法获得苹果订单,是由于台积电报价强硬,而苹果迫使台积电接受与三星同样的成本价、另一方面是当时台积电厂房产能已经满载,无法接下苹果如此大量的订单。后来苹果因与三星争讼、力行「去三星化」政策,且三星在20纳米制程的良率无法突破,最后只用来生产自家Exynos 5430(用在GALAXY A8)与Exynos 5433(用在GALAXY Note 4);台积电20纳米制程领先三星,同时台积电已经将产能扩张完毕,最后才由台积电首度拿下iPhone 6的A8处理器全部订单。从另一方面而言,此举也是苹果试着掌握议价权的策略──苹果乐于见到两家代工厂的竞争,让价格成了比拼芯片效能外的最佳筹码。

三星原先还在苦恼20纳米制程的良率问题,忽然间竟直接杀到14纳米制程了。造成这个惊人转变的关键因素,在于台积电内部所发生的泄密问题。

梁孟松是加州大学柏克莱分校电机博士,毕业后曾在美商超微(AMD)工作几年,在1992年返台加入台积电。台积电在2003年击败IBM、一举扬名全球的0.13微米铜制程一役,其中便有他的功绩。

2009年,梁孟松因研发副总升迁不上的问题、愤而离开研发部门,带走了自己的一组人马投奔南韩。接下来的几年,三星的制程突然研发快速进步,从48、32、28纳米的间隔时间急遽缩短,且三星的电晶体制程与台积电的差异快速减少。合理来说,三星的技术源自于IBM,其电晶体应是圆盘U状,而非台积电所独有的棱形结构特征,但到了14纳米制程,在结构上几乎已经与台积电无异,据台积电委托外部专家所制作的对比分析报告指出,若单从结构上来看,已经无法分辨两种晶圆是来自于台积电或是三星所制造,几乎可以断定是擅长FinFET技术的梁孟松将营业秘密泄露给了三星。

2014年5月,法院判定梁孟松直至2015年12月31日前不得进入南韩三星工作。台湾法院从未限制企业高阶主管在竞业禁止期限结束之后,还不能到竞争对手公司工作,可以说是个历史性的判决。

然而损害已经造成,台积电投入好几年、几千亿的研发资金在一夕之间被同业超过,苹果A9的大部分订单更转到了三星,对台积电所造成的损失高达好十几亿美元,原因即是三星的14纳米已超越台积电的16纳米。此外张忠谋在2014年的法说会上,坦承16纳米技术被三星超前,使台积电一度股价大跌、投资评等遭降。

这个局势在iPhone 6s A9芯片忽然扭转,使的台积电在苹果A9处理器一战成名。同时采用三星及台积电制程的A9处理器在功耗上发生的显著的差异:台积电的芯片明显较三星地省电,适才爆发知名的iPhone 6s芯片门争议。这显示着三星虽然在制程上获得巨大的进步,但在良率及功耗的控制下仍输给台积电,使得苹果A9后续的追加订单全到了台积电手里;到了A10处理器,其代工订单由台积电全部吃下。三星虽然挖走了台积电的技术战将,但防漏电及提高良率的苦功则还是要仰赖基层生产时的Know-how,这也是台积电的得意绝活。

为什么三星的14纳米会不如台积电的16纳米制程的另一个原因,在于FinFET(鳍式场效应电晶体)先进制程上的命名惯例被三星打破。当初台积电刚采用立体设计的FinFET工艺时,原本计画按照与Intel一致的测量方法、称为20纳米FinFET,因为该代制程的线宽与前一代传统半导体2D平面工艺20纳米的线宽差不多。但三星抢先命名为「14纳米」,为了不在宣传上吃亏,台积电改称为「16纳米」。事实上,三星与台积电皆可称为「20纳米FinFET」。

台积电于2015年第4季末开始首批10纳米送样认证,当时仅苹果、联发科及海思等少数一线客户,高通并未参与。上个月14号(2016/11),高通正式宣布下世代处理器骁龙(Snapdragon)830将采用三星的10纳米制程技术,原因在于:一是骁龙810上的发热门事件即是采用台积电制程(虽然是高通自己的芯片设计问题);二是有韩国媒体传出, 高通以晶圆代工订单做为交换条件,要求2017年三星旗舰机Galaxy S8须采用骁龙830 芯片。但若台积电能在制程上再度取得优势,则可预期高通7纳米制程将重回台积电怀抱。

三、巨人的冲击,Intel


全球第一大半导体公司Intel近几年来,由于在个人电脑市场持续衰退、又在行动通讯市场表现不佳,势必要寻找其他成长动能,以intel的定位来说,本身x86平台已经有完善的垂直整合生态,然而ARM市场对intel可说是未开辟的市场,特别是ARM的授权模式让intel可以直接从代工服务切入,开辟新的营收动能。

为了重整态势,4月时intel在公布2016年第一季财报后、宣布全球将裁员12000人,并宣布退出行动通讯系统芯片市场。此举放弃了Atom芯片(包括Sofia处理器和预计今年上市的Broxton处理器)而用于平板的Atom X5也将逐渐淡出市场,但市场上大多人忽略的是intel早在2014年时就入股展讯,间接持有20%的股权,为未来行动处理器业务铺路意味甚深。

8月,Intel在年度开发者大会(Intel Developer Forum, IDF)宣布开始处理器架构供应商ARM的IP授权,并首度直接表态「英特尔专业晶圆代工正协助全球各地的客户」,未来将开始扩大抢食ARM架构的代工市场。

Intel选择ARM Artisan平台,说明未来ARM架构的芯片厂都可以选择Intel的代工服务。据Intel的官方讯息指出: Intel专业晶圆代工(Intel Custom Foundry) 将作为提供代工服务的基地,并宣布第一批产品将用于LG和展讯上:LG将使用Intel的10纳米平台以制造自家的64-bit ARMv8 mobile SoCs;而原先就是Intel控股的展讯则采用intel的14纳米制程晶圆代工服务。

值得一提的是,若展讯选择Intel 14纳米制程代工服务,则该芯片将可能吸引三星的手机订单──事实上三星在新兴市场、比如印度,早已推出好几款采用展讯芯片的低阶智慧型手机;未来14纳米制程芯片可能上到中阶手机采取。从一家身为IDM(Integrated Device Manufacturer, 整合元件制造)公司转型到先进制程晶圆代工,Intel的每一步都意欲在行动通讯市场上力挽狂澜。

在制程技术上,Intel确实有世界顶尖的技术工艺。国际半导体评测机构Chipworks指出其14纳米制程将芯片的电晶体鳍片间距做得最为紧密,真正达到了14纳米,而非台积电与三星的宣称的16纳米/14纳米,事实上仅有Intel 20纳米的程度;Chipworks的测验结果也证实了其电晶体效能均领先其他竞争对手。

但晶圆代工着重的不只是制程──产量、良率与背后的一连串支援服务,才是晶圆代工真正的关键价值链,对此张忠谋也指出英特尔并不是专业晶圆代工,只是把脚伸到池里试水温,并道:「相信英特尔会发现水是很冰冷的」。但亦可得知2017年晶圆代工产业的竞争将会更为激烈。

2017年各家晶圆代工厂的决胜点将是7纳米先进制程。10纳米制程因物理局限,仅是针对降低功耗做改善,效能上难以突破。到了7纳米、才会是突破10纳米效能极限的先进制程,因此被各家厂商视为决胜点。目前市场上的三大阵营台积电、三星与格罗方德都已经积极投入资源研发该制程,至于结果会如何,只能静静等待市场结果了。

四、遥遥落后的竞争者,格罗方德


格罗方德(GlobalFoundries)成立于2009年3月,是从美商超微(AMD)公司亏损连连后拆分出来的晶圆厂,加上阿布达比创投基金(ATIC)合资成立;AMD仅持有8.8%股份,余下大部分由ATIC持有。借助背后石油金主ATIC的资金优势, 四个月后收购了新加坡特许半导体,成为仅次于台积电和联电的世界第三大晶圆代工厂。

毕竟是由AMD拆分出来的公司,格罗方德原先主要承接AMD处理器和绘图芯片的生产订单。然而2011年,AMD Bulldozer架构的微处理器由格罗方德代工32纳米制程时,因良率过低,造成原订2011年第1季出货的进度,一路延误到2011年第4季,使得后来AMD将部分订单转交给台积电。

ATIC 作为金主,持续投入高额资本在先进制程的研发上;然而这条路走得始终不顺遂。台积电在2011年即量产28纳米制程,格罗方德却迟至2012下半年才正式量产。在14纳米FinFET工艺上,格罗方德于2014年获得三星的技术授权专利,但自主研发能力也因此遭人诟病。

从2009年创立至今,格罗方德的营利始终是负数,2014年的净亏损高达15亿美元。连续的巨额亏损让石油金主也难以负担,2015年甚至传出阿布达比因油价腰斩手头紧、打算脱手格罗方德变现的传言。

2014年10月,IBM请格罗方德收下其亏损的芯片制造工厂、以避免支付更高额的关闭工厂遣散费与后续争讼,并承诺在未来3年支付格罗方德现金15亿美元。近来传格罗方德将跳过10 纳米制程,直接跳级进军7 纳米制程,外界推测是藉由买下IBM 半导体事业,连同取得重要技术人才与专利。

从格罗方德取得的三星14纳米制程技术、到IBM 7纳米制程技术,不像台积电自主研发、以自有资金建厂,联电与格罗方德的部分制程技术透过合作联盟或授权而来,在出问题时很难及时调整、或找到人来收烂摊子。成立以来一路走得跌跌撞撞的格罗方德,前景尚且一片茫茫。

五、新兴竞争者——中芯国际


中芯国际成立于2000年, 2014年底获得中国政府300亿人民币产业基金支持。中芯试图挤入台积电,Intel这几家所把持的半导体市场,然后由于财力和制程技术的不足,技术落后台积电至少2代以上,使其始终难以承担大型的IC设计客户(如高通)的重要订单。

为了缩短技术差距,中芯找上了高通寻求技术升级协助。高通该时方被中国官方反垄断调查、遭重罚9.75亿美元,为了向中国政府示好便答应了和中芯的合作。2015年,中芯与高通、华为成立合资企业,研发自有的14纳米制程技术,并提出2020年前在中芯厂房投入量产的目标。其中高通的投资金额达2.8 亿美元,签约时习近平还出席观礼。

中芯目前已于2015下半年开始量产28纳米制程,这也是中芯的首款产品。该产线也不意外地拿到了高通骁龙410处理器的订单。

关于晶圆代工战争的故事就到这边暂且告一个段落。看完了各家大厂间的竞合策略,你认为哪一家最有可能成为下一代的领导厂商呢?

总结


由于摩尔定律逼近极限,让过去台积电能仰赖在制程上甩脱对手一个世代、降低成本绑住订单,借以维持高毛利的作法将日益困难。

加上芯片越做越小、漏电流发生的可能越大,良率也势必跟着下跌;因此未来朝向能管控成本的规模化,以及因应少量客制化需求的生产管理Know-how,将成为未来晶圆代工厂竖立竞争力的方向。

今年七月,台积电陆续出货整合型扇形封装(InFO)、跨足终端封装技术,即是台积电迈向规模化发展的其中一步。然而封装的人力需求比晶圆制造来得高,后续的自动化进程将会如何,尚待未来分解。


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