时代杂志长文:探访台积电

2021-10-02
14:00:07
来源: 半导体行业观察


来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自「


时代杂志


」,谢谢。



在台湾西北海岸,坐落在布满招潮蟹的泥滩和柿子园之间,坐落着一家你可能从未听说过的世界上最重要的公司——台积电,或者TSMC。他们是全球最大的合同芯片制造商,他们生产的芯片被用到我们的手机,笔记本电脑,汽车,手表,冰箱和更多的设备里。其客户包括苹果、英特尔、高通、AMD 和英伟达等。



在其位于新竹县的四四方方的灰白色总部内,技术人员穿着色彩鲜艳的防护服——员工穿白色和蓝色,承包商穿绿色,孕妇穿粉色——在淡黄色的防护灯下推着抛光的金属手推车。在他们的头顶上,“爪机”(claw machines)——以经典街机游戏而得名——在数百个制造站之间将装有 25 个独立硅片或“晶圆”的 9 公斤塑料容器拖到轨道上,在那里将它们一个一个地提取出来处理,很像自动点唱机选择记录。经过 6 到 8 周的蚀刻和测试后,每个晶圆才能被分割成单独的芯片,然后分发到地球上各个地方。



“我们总是说这就像建造一座高楼,”台积电的一位部门经理告诉 TIME,他指的是他的技术人员如何勤奋地遵循通过平板电脑向他们发出的指示。“一次只能讲一个故事。”



如今,这家市值 5500 亿美元的公司控制着全球一半以上的定制芯片市场。在对最先进的处理器的把控方面更为庞大。据估计,台积电在这个市场的份额超过 90%。


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“台积电绝对至关重要,”贝恩咨询公司的半导体专家Peter Hanbury说。“他们基本上控制着半导体生态系统中最复杂的部分,而且他们几乎处于垄断地位。”



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,阿波罗登月舱向月球发送了数万个总重量为 70 磅的晶体管;今天,一台 Apple MacBook 在其仅 3 磅的总重量内塞满了 160 亿个晶体管。随着移动设备、物联网 (IOT)、5G 和 6G 网络的普及以及对芯片需求的增长,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,预计未来几年,芯片每年的增长率将高达 5% 以上。乔拜登总统称它们为“关键产品”,其“供应链中断可能会使美国人的生命和生计面临风险”,而日本和韩国政府则将半导体的重要性比作“大米”。



台积电在这个重要市场的成功和垄断,已成为地缘战略的偏头痛。五角大楼正在敦促拜登政府加大对先进芯片制造的投资。根据高盛的分析,全球芯片短缺已经影响了从钢铁和预拌混凝土到空调装置和啤酒厂等169 个行业,。最严重的是,美国、日本和欧洲的汽车制造商被迫放慢甚至停止生产,这意味着今年进入全球展厅的汽车数量将比去年减少 390 万辆。



台积电董事长刘德音在接受时代周刊专访时表示,车企“立即指责台积电”短缺。“但我告诉他们,‘你是我客户的客户的客户。我怎么能[优先考虑其他人]而不给你芯片?’”



芯片的稀缺将台积电从一家主要是匿名的服务公司推到了全球技术未来争斗的中心。该公司将在决定本十年末世界的面貌方面发挥巨大作用。一些人预计,在气候危机恶化和中美之间地缘政治紧张局势加剧的推动下,反乌托邦正在出现。刘德音更为乐观的设想是,到 2030 年,人工智能 (AI) 的广泛采用将有助于通过精细的天气预报来减轻气候变化的破坏,更早地做出更准确的癌症诊断,甚至通过社交媒体的自动事实核查来打击假新闻。“有了 COVID-19,每个人都觉得未来已经加速,”刘说。从他的角度来看,它将是什么样子“比两年前要清楚得多”。



半导体芯片短缺首先让董事会在 2 月左右疲于奔命,当时芯片的平均“订单到交货”时间因多种因素而延长至史无前例的 15 周:大流行引起的经济衰退促使汽车制造商过早地削减芯片订单。由于担心卷入美中贸易和技术战争的公司囤积芯片,因此很快反弹。在被描述为全球芯片短缺的情况下,更多的芯片被送到工厂而不是留在产品中,这意味着“肯定有人在供应链的哪个地方积累芯片,”刘德因说。



为了解决问题,刘命令他的团队对不同的数据点进行三角测量,以破译哪些客户真正需要,哪些客户在囤货。“我们也在学习,因为我们以前不需要这样做,”刘说。这迫使他做出艰难的决定,推迟对被认为没那么迫切需要的重要客户的订单。“有时[客户]可能不满意,但我们只需要为行业做最好的事情。”



这场危机使人们更加关注获得美国发明并且仍然比其他任何人设计得更好但不再大规模制造的技术。拜登斥资 2 万亿美元修复美国基础设施的计划包括 500 亿美元以提高半导体竞争力。这是在美国创新和竞争法案下承诺的 520 亿美元之外,该法案于 6 月由参议院通过,旨在直接在所有技术领域与中国竞争。然而,仅台积电就在未来三年内投资 1000 亿美元用于新产能。这是一个惊人的数目, 但对刘来说,“我越看,这还不够。”



即使芯片本身变得更加普遍和关键,半导体行业也在收缩。除了台积电之外,唯一能够商业化生产当今最先进的 5 纳米 (nm) 芯片的公司是韩国的三星电子。然而,台积电正在台湾南部的 22 个足球场上建造一个新的制造工厂——或“晶圆厂”,以生产突破性的 3 纳米芯片,预计速度将提高 15% 并使用更少的功耗。这种最新一代的芯片制造或“节点”将使英特尔和 GlobalFoundries 等美国公司落后至少两代。“这对英特尔来说是可耻的,”《无晶圆厂:半导体行业的转型》的合著者 Daniel Nenni 说。“他们失去了领导力,这令人非常失望。”



在现代计算行业的初期,像英特尔这样的先驱在内部设计和制造芯片。但美国公司在 1980 年代开始与日本竞争对手抗争,为了保持竞争力,将其业务的制造业务外包,转而专注于利润更高的设计方面。晶圆厂价格昂贵,利润率低,因此抵消资本投资和风险很有意义。



“无晶圆厂”趋势是由一位精明的中国出生的工程师张忠谋预见到的,他在哈佛、斯坦福和麻省理工学院学习,并在德州仪器工作了 25 年之后,然后于 1987 年创立了台积电。在他的众多突破中,张忠谋首创了最初为芯片定价的策略,期望早期获得市场份额将扩大规模,从而降低成本并产生利润。随着技术的进步,新晶圆厂的成本飙升,推动更多芯片制造商外包,台积电的市场份额增加。“这是在做别人不想做的工作,”哈佛商学院教授威利·施 (Willy Shih) 说。


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2018 年 6 月,86 岁高龄的张终于将台积电的缰绳交给了刘德音和魏哲家。原本可能是艰难的转变,却成为了更激进的商业理念的跳板,使台积电能够摆脱竞争对手。Shih 说,除了在锁定技术主导地位方面投入了数十亿美元,它还开始“在 Morris Chang 领导下不会发生的地域多元化”。在新的领导团队中,尽管魏更注重技术,但他得到了优雅且以商业为导向的刘的完美补充,他的乐趣理念正在通过全球事务期刊和 YouTube 上的古典音乐流来回味。



在很多方面,刘德音的职业道路都可以追溯到他的导师张。刘是台北人,获得博士学位。在加州大学伯克利分校任职,之后在英特尔工作,在那里他帮助推出了变革性的 i386 处理器,推动了 1980 年代后期的个人计算机革命。离开英特尔后,他在新泽西州的 AT&T 贝尔实验室进行了六年的研究,然后于 1993 年加入台积电。他说,他的第一个角色是“涉足”晶圆厂建设,因为创始人将他置于他的领导之下。“张忠谋给了我丰富的经验,从运营到规划、销售、营销和研发,”刘说。“这就是为什么我要求我们的员工走出他们的舒适区去学习东西,而不是仅仅满足于从你的老板那里得到一个好的绩效评估。”



台积电最近取得的成功尤其与一个客户有关,那就是苹果。这家库比蒂诺巨头将其前六代 iPhone 的芯片制造外包给了三星。但在三星推出自己的竞争性 Galaxy 智能手机后,苹果在 2011 年就知识产权盗窃提起诉讼,最终以 5.39 亿美元赔偿与之和解。这场争端对台积电来说是一个福音,因为苹果试图将其供应链从三星手中抽离出来,并避免任何可能有利于潜在竞争对手的合作伙伴关系。令人欣慰的是,台积电是一家专注的代工企业,不会偏离其轨道。苹果今天仍然是台积电最大的客户。“这是一项信托业务,”刘说。“我们不与客户竞争。”



苹果对台积电成为无可争议的技术领导者也起到了关键作用。计算一直受到摩尔定律的支配,摩尔定律以英特尔联合创始人戈登摩尔的名字命名,更恰当地描述为处理能力每两年左右翻一番的“观察”。该行业的趋势是优先考虑新的半导体节点以适应该时间范围。



然而,苹果坚持认为它希望为 iPhone 的每一次迭代都有一个新的节点。由于Apple 以从未错过其皇冠上的明珠发布而自豪,因此台积电面临着不断取得进步的巨大压力。因此,它不是每两年结合大量新技术来使效率翻倍,而是每年都率先取得小进步。“人们取笑台积电,说,’哦,那不是一个真正的节点,’”Nenni 说。“但采取这些小步骤帮助他们学习了这些新技术。他们一路笑,然后获得了金钱和赞赏。”



尽管如此,台积电的领导力依然面临不同的挑战。芯片在今天可能无处不在,但最先进品种的用途仍然有限。(烤面包机和交通灯可以使用不太先进的节点。)随着台积电的客户群缩小,其中之一陷入政治动荡的风险已经膨胀;例如,台积电去年停止向中国电信巨头华为供货。此外,在一个只有 2300 万人口的岛屿上,寻找持续突破边界所需的资源也变得越来越困难,最近的严重干旱使耗水量大的半导体行业处于危险之中。“未来越来越具有挑战性,”Gavekal Dragonomics 的行业和技术分析师 Dan Wang 说。“当你处于巅峰状态时,你往任何方向走都是下坡”。



台积电的主导地位使得其主要竞争对手不是公司而是政府。汽车行业的短缺为已经受到大流行和贸易战影响的决策者敲响了警钟。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 年前获得 4500 亿美元的投资。


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与此同时,中国一直在半导体上投入巨额资金,虽然成果并没那么显著,但也有一些引人注目的成功。



北京追赶的努力也受到华盛顿一再阻止,后者阻止他们直接收购外国芯片公司以及尖端晶圆厂所需的专业设备供应商。这给渴望增强全球技术领先地位带来的地缘政治影响力的北京带来了困境。



这种情况也给台湾和美国带来了困境 虽然美国公司占台积电所有销售额的 65%,但凭借其作为世界工厂的作用,中国是最大的最终目的地,仅 2020 年就进口了价值约 3500 亿美元的芯片。波士顿咨询集团估计,中美科技行业“脱钩”将使美国芯片公司的收入减少 800 亿美元,而与北京的竞争将使这些公司损失 100 亿至 150 亿美元。



刘德音回应了许多企业高管的说法,称目前美中之间的敌意对任何人都没有好处。许多中国公司正在囤积芯片,以免他们发现自己像华为一样成为攻击目标。“美国和中国需要明白,他们可能不是朋友,但也不是敌人,”刘德音说。“我们需要共同的规则……让人们对如何做生意有一些期望。”



如果台积电被卷入华盛顿和北京之间的拉锯战,那么它所在的岛屿也是如此——潜在后果要危险得多。



尽管美国在芯片设计领域占据主导地位,但其制造能力的缺乏仍然令政策制定者感到担忧,他们正试图将更多的晶圆厂带到岸上。在仍是台积电客户的同时,英特尔正在改造其代工业务,以 200 亿美元的成本在亚利桑那州新建两座晶圆厂。去年,台积电承诺在大峡谷州建造一座耗资 120 亿美元的晶圆厂。它还在中国大陆、日本和欧洲探索更多工厂。



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“对我们客户的政治推动”促成的,并坚持认为“半导体本地化不会增加供应链的弹性。” 他说这甚至可能“降低弹性”。



制造芯片是如此的复杂和专业,以至于晶圆厂的位置多样化将使保持质量变得更加困难。3 纳米节点中的晶体管仅为人类头发宽度的 1/20,000。如果您将一英尺长的半导体芯片放大到美国大陆那么大,这些芯片所需的图案仍然只有缩略图的宽度。关键成分可能只是硅——或纯净的沙子——但神奇之处在于它的加工和操作方式。“这就像烤面包,”台积电部门经理说。“成分几乎一样,但你应该烤多久,温度应该是多少,这才是最重要的。”


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为此,台积电的代工厂受到严密管控。所有游客在通过“风淋室”以去除错误颗粒之前,必须戴上头罩、无尘夹克、裤子和鞋子。台积电使用的极紫外光刻机每台耗资约 1.75 亿美元。较大的晶圆厂将有 20 个。创建芯片大约需要 1,500 个步骤,每个步骤有 100 到 500 个变量。即使每个步骤的成功率为 99.9%,这也意味着最终输出的可用量不到四分之一。“亚利桑那州的水、空气或化学物质有什么不同吗?” Hanbury问道。“研发团队不会坐高铁来解决这些问题。”



台积电创始人张忠谋在最近的一次演讲中称赞美国“土地和电力便宜”的同时,他也抱怨“我们必须努力寻找合格的技术人员和工人”。刘指出,美国的成本结果“远高于”台积电的预期。



这一切都指向由政治而非科学或商业驱动的本地化热潮。毕竟,在美国开设晶圆厂只影响制造过程的一小部分。今天,半导体通常在美国设计,在台湾或韩国制造,在东南亚测试和组装,然后在中国安装到产品中。它已经非常专业: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 生产其所有晶圆厂都依赖的先进光刻机。



如果一条链条的强度取决于其最薄弱的环节,那么在美国开设晶圆厂就不会加强太多。美国的竞争力可能只会逐步提升。台积电在亚利桑那州的新工厂将生产 5 纳米芯片,尽管今天处于领先地位,但在 2024 年开始量产时将比最快的几个节点落后几个节点。与此同时,刘说,台积电下一代 的3D 集成电路将释放半导体架构的创新。



这些技术非常先进,如果不投入大量资金就不可能赶上。即便如此,也没有什么可以保证的。毕竟,台积电公布的1000亿美元投资并不是孤立无援的。Nenni 说,它与苹果、英伟达和台积电所有其他密切合作伙伴的雄厚研发资金相结合并得到增强,以创造“预算是他们财务状况的 100 倍”。“任何公司或国家都无法赶上这个像货运列车一样向前发展的庞大生态系统。”



刘说,更有意义的是美国确保自己站在下一个伟大进步的前沿。例如,它在mRNA COVID-19 疫苗方面的救命能力之所以存在,只是因为过去 40 年来对基因组学和生物技术的巨额投资。刘建议与其徒劳地追逐和本地化半导体供应链的各个方面,不如将同样的钱投入到下一个大跃进中。



“美国应该专注于他们的优势:系统设计、人工智能、量子计算,这些前瞻性的东西,”刘说。台积电可能已经赢得了 2030 年,但十年后仍然有待争夺。




原文链接:



https://time.com/6102879/semiconductor-chip-shortage-tsmc/

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