芯片启示录:从欠债退市到“小台积电”,力积电的“反摩尔定律”

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· 6月23日

“九命怪猫”黄崇仁如何做出“穷人的5纳米”?

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芯片启示录:从欠债退市到“小台积电”,力积电的“反摩尔定律”

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图片来源@视觉中国

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文 | 光锥智能,作者|罗宁

2020年末,一场“缺芯”事故造成全球汽车产业大败退。疫情之下不少芯片供应商降低产能或关停工厂直接导致汽车芯片产能被挤压。

大众、福特、丰田、本田等汽车厂在今年第一季度纷纷停摆。德州暴雪、瑞萨电子火灾、中国台湾地震、停水停电、疫情蔓延,“缺芯”问题雪上加霜。

随后,多米诺骨牌效应显现,产能不足从芯片蔓延到封装、硅片原材料,导致芯片价格迅速暴涨,业内人士透露,半导体颗料成本从14元涨到80元,涨幅达到4.7倍,并对全球多达169个行业造成打击。

据统计仅汽车市场,2021年全球已减产299万辆汽车,相较于2020年7760万辆的汽车产能下滑3.9%,经济损失超过600亿美元。

但是,伴随“缺芯”事件影响,晶圆代工产业产值再创历史新高。TrendForce数据显示,仅2021年第一季度,全球前十大晶圆代工厂总产值就达到227.5亿美元,同比2020年增长20%。

而在这份表单当中,中国大陆厂商占7%市场份额,中国台湾则拿下了65%的市场份额,韩国占据17%,美国占据5%,以色列占据1%。

中国台湾在全球半导体产业链中占据举足轻重的地位,并已成为占其GDP15%的支柱性产业。

自20世纪80年代以来,中国台湾抓住半导体技术迅猛发展的黄金时期,拼全力打造半导体产业。从IC设计到晶圆代工再到封测,一系列围绕芯片半导体的产业集群出现,这当中又属高壁垒驱动的晶圆代工行业集中度最高,其晶元代工和封测领域全球市占第一,晶元代工更是拿下65%的市场份额。

这样的背景下,有几家晶圆代工厂在其中独领风骚,除了我们熟悉的台积电、联电、世界先进之外,一家名为力积电的代工厂颇为特别。

作为中国台湾唯一一家经历退市欠债之后起死回生的半导体公司,力积电能够成为中国台湾第三,世界第六的晶圆代工企业,离不开其创始人黄崇仁颇具争议的经营手段,也证明了半导体行业的机会无处不在,对如今日渐繁荣的半导体市场,号称“小台积电”的力积电又对大陆的芯片半导体行业有哪些启示?

“三位一体”与乘势而为

20世纪70年代,中国台湾站在美日产业结构向知识密集型转移的时间节点,依靠给在台建厂的美日厂商做基础低端加工起步,开始积累知识与技术。

初期,中国台湾在半导体设计、制造、测试和封装四个环节都有相应发展,但“产官学三位一体”模式的推行,为其找到了属于自己的独特发展模式。

1974年,中国台湾效仿美国产学研模式建立起电子工业研究中心,其目的便是规划技术,加速人才交流。

1985年,通过设立硅谷办公室,中国台湾学习先进技术的同时召集华裔工程师,当时在德州仪器担任副总裁的张忠谋正是以此被请回台湾,出任工业技术研究院院长,并创办台湾积体电路公司(台积电)。

这一事件成为中国台湾半导体行业大量吸收海外人才的注脚,并在1983-1997年以平均42%的增速持续为相关领域提供人才储备。1996年,以日本VLSI(超大规模集成电路)计划为参照,中国台湾教育部门推动VLSI教改计划,进行产官合作。

VLSI教改计划,通过提供经费帮助学校培养出IC领域人才,并推出众多国家型科技计划,让半导体应用深入各个领域,新竹科学园区(竹科)便在这一时期建立。

(新竹科学园区,资料来源:竹科管理局)

(新竹科学园区,资料来源:竹科管理局)

当时,VLSI计划囊括了台湾清华大学、台湾交通大学、台湾电子技术研究院等众多知名大学和研究机构,1993年在各大学教授齐声建议下,芯片设计制作中心(CIC)成立,通过提供学界免费实作芯片管道,进一步推动半导体产业高速发展。

一位在台生活的网友提到,二十年前台湾新竹科学园区旁的清大交大,几乎整个理工学院的毕业生都往园区就业。甚至商学院、法学院的学生当时也往半导体行业相关走。新竹火车站旁有名的杨家意面墙上至今还能看到收购出售应材、科林零件的小广告。

与此同时,政策与资本市场的投入进一步集中。当时中国台湾对创新技术的资助金额占总规划的20%以上,并规定新办企业在九年内可任选连续五年免征所得税,五年后每年营业税不超过20%。

从1985到1990年,共有24亿新台币进入半导体投资领域,台湾大学电机资讯学院教授张耀文说:“产官学‘三位一体’合作是台湾半导体成功原因。”

这一时期,作为曾担任德仪第三号人物的张忠谋,不但为中国台湾半导体产业带来了先进技术和管理经验,还拉来老朋友——通用电气半导体总裁戴克加入台积电,并说服英特尔总裁安迪·格鲁夫成为其客户。

经过找人、找技术等一系列努力,张忠谋以拿下英特尔订单这一成果带动了台湾地区的半导体代工产业的发展。

台积电之所以能够拉来英特尔大单,正是由于80年代末,英特尔为代表的美国半导体产业从传统IDM模式逐渐转向Fabless(无工厂芯片供应商)模式推行全球纵向分工的机会。

IDM模式的特点是大而全,从芯片设计到制造、封装与测试都独立完成,但其投资大、战线长、收效慢的缺陷在当时逐渐显现,不但每一环都耗资巨大,并且相应的研发费用也水涨船高。

而Foundry(代工厂)和Fabless(无工厂芯片供应商)则通过垂直整合模式带来了行业协作,这种分工细化带来的不仅是效率的提升,更加速了整个半导体产业的进步,成功带动上下游更多产业,中国台湾得以发挥地理优势加强信息技术沟通,形成产业良性竞争与合作。

这一点在台积电、联华电子、宏基等台湾半导体领头厂商入驻后愈发明显,从某个企业单纯的代工模式到产业链全环节分布,再到形成联合生产群,最终形成了“日本进口,台湾地区加工装配,出口美国”的半导体发展策略。

时也势也,到1999年,中国台湾地区笔记本电脑、显示器、主机板、光驱、显卡等十多项硬件产业的全球占有率在30%以上,以DRAM作为主营业务的力晶科技(力积电前身),正是在这一时期建立并成长起来。

“九命怪猫”黄崇仁

创办力晶之前,黄崇仁创办的力捷电脑股份有限公司,靠着研发打印机和扫描仪曾大赚一笔,这位弃医从商的“门外汉”对市场异常敏锐的嗅觉让他找到了第一座金矿——为苹果代工。

当时市面上扫描仪几乎全是黑白产品,黄崇仁却快人一步推出彩色扫描机。由于这种对新技术的投入,力捷在1996年取得了苹果电脑授权并为其制造MacClone系列相容电脑,此后力捷逐渐转型为电脑制造厂商并成功上市,黄崇仁一夜暴富,这期间除了结识乔布斯,黄崇仁还为力晶建立做好了充足准备。

(黄崇仁,图自力晶官网资料)

(黄崇仁,图自力晶官网资料)

1994年,黄崇仁创办的力晶半导体以DRAM(动态随机存取存储器,目前最常见的系统内存)杀入行业。正值DRAM行业的黄金时期,依靠从日本三菱电机获得的技术授权,力晶开始筹建DRAM生产线,并先后盖下1座8英寸晶圆厂和2座12英寸晶元厂,购入了旺宏12英寸晶圆厂,并与瑞萨电子达成AG-AND快闪记忆体技术授权协议。

技术授权方式,是台湾当时发展DRAM的主流模式。获得技术授权的厂商能够快速将技术转化为产品并占领市场,协同上下游产业进一步研发更先进产品。

凭借这些技术授权,力晶一年获利2000亿新台币,甚至一度超过台积电和联电,黄崇仁的财富也随之节节高升,最高峰的2005年,他的身价达到36.84亿新台币,排名全台富豪28名,但此时,DRAM代工厂的好日子也即将到头。

2008年,伴随金融危机影响,DRAM周期性价格暴跌,加之三星代表的韩国存储厂商砸下重金血洗存储市场,台湾地区的DRAM厂商遭受巨额亏损。

2012年12月,力晶股价暴跌到0.29元新台币,按照相关规定,力晶面临退市,黄崇仁背上1200亿新台币债务,股民们拉起横幅站在黄崇仁家门口,“炒股赚钱,坑杀散户”,28万股民因此咒骂力晶。

这是当时众多DRAM厂商的一个缩影,在市场暴跌和对手资本入侵面前,无力承担风险的中小厂商纷纷倒闭,一些大型DRAM厂商开始艰难转型,例如当时南亚科技、华邦转型为利基型DRAM(用于液晶电视、数字机顶盒等消费型电子产品),茂德转型为IC设计公司,而力晶也开始从DRAM转型为晶圆代工。

但正是在这一时期,力晶抓住了三个重要机会,并且在八年后成功“复活”。

首先是美光科技以25亿美元收购日本芯片厂商尔必达。由于当时力晶曾与尔必达成立瑞晶电子,根据协议,美光在收购尔必达同时,还要以3.34亿美元收购力晶科技所持的24%瑞晶电子股份,力晶也由此拿下了美光当时最先进的25纳米技术记忆体的技术专利授权,让其有了活下去的资本。

一位力晶内部工程师回忆道:“力晶早在美光并购尔必达前,就买下尔必达‘半套’技术,内部基于此技术继续开发。”这为力晶之后开发被称为“穷人的5纳米”的3D WoW技术做好了准备。

第二是苹果的驱动IC订单。力晶下市欠下巨额债务时,所有人都不看好力晶,但苹果iPhone 4、iPhone 5推出时,大家才发现,其驱动IC都采用了力晶的产品,这些订单既让力晶赚到钱继续还债,也拯救了其糟糕的口碑。

2014年,力晶成为iPhone 6 LCD驱动IC生产线之一,总销量达2.5亿部的iPhone 6系列不但让苹果股价迅速抬升,也成为力晶从负债千亿到大赚百亿的关键,黄崇仁提到:“当银行怀疑力晶是否有办法从DRAM公司转到晶元代工公司的时候,苹果让他们知道力晶的实力,因为苹果是最最严苛的。”

第三个机会是2018年的MOSFET大缺货。MOSFET是最基础的电子器件,凭借高频、电压驱动、抗击穿性好等特点,应用于电源、变频器、CPU及显卡、通讯、汽车电子等众多领域。精明的黄崇仁敏锐捕捉到了市场变化,并让力积电扩产了5万片,把MOSFET的产能全部吃下,力晶再次大赚一笔。

从2012年到2020年,黄崇仁用8年时间还掉了1200亿新台币负债,也成为中国台湾唯一一家下市之后重新上市的半导体公司,命硬的他也因此被外界称为“九命怪猫”。

2019年,力晶科技将晶圆厂及相关资产让与力晶积成电子(力积电),黄崇仁完成力晶“重生”,到2020年重新上市时,其开盘股价暴涨170%,上市当天股价一度达到84元新台币,28万股民解套。

转型:“穷人的5纳米”

与台积电、联电等晶圆代工厂不同,力积电从DRAM转做晶圆代工可谓是“半路出家”,其技术实力并不出众,不但工厂没有对手多,晶元制程技术也没有对手那样先进。

据统计,台积电在中国台湾设有3座12英寸超大晶圆厂、4座8英寸晶圆厂和1座6英寸晶圆厂,南京1座12英寸晶圆厂以及美国2座8英寸晶圆厂,月产能100万片,联电则有12座晶圆厂,月产能75万片,而力积电则只有2座8英寸及3座12英寸晶圆厂,月产能20万片,实力上和前两位相差很大。

从制程来看,力积电也不敌台积电甚至联电。前者的先进制程技术将目标放在14纳米、10纳米、7纳米、5纳米甚至更先进,联电则以25纳米作为其晶元代工重点,并和三星结盟成为其OLED驱动代工厂,而力积电则集中在90到40纳米制程之间,这种情况之下,力积电究竟如何能够实现高速增长并坐到了台湾半导体第三的宝座?

黄崇仁曾在公开场合提到他“反摩尔定律”的观点,在他看来随着芯片领域制程越来越先进,芯片设计会愈发困难,从投入产出来说,巨额资金能否换来巨额回报存在疑问,其中巨大风险显而易见,而这种风险对承受能力低的企业来说很可能是致命的。

(研发成本和收益关系预测,数据来自IC Insight)

摩尔定律指出,在过去,价格不变的情况下,集成电路上可容纳的元器件数目大约每隔18个月增加一倍,性能也会提升一倍,这意味着晶片制程每隔1-2年就会进步一次,而相关产业自1965年摩尔定律提出之后的二十多年时间里,也始终遵循这一规律向前。

但到1999年,摩尔定律遇到了第一次危机——漏电。

当时,由于晶片内的晶体管增加,芯片内部栅极不断被挤压,当栅极长度低于20纳米时,芯片出现电流失控,源极的电流穿透栅极,直接打到漏极,发生漏电,此时芯片发热量急剧上升,便直接报废。

漏电问题难以解决,摩尔定律开始受到一些人的质疑,但随着胡正明博士提出FinFET解决方案之后,质疑慢慢消失。在传统晶体管结构中,控制电流通过的闸门,只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开,属于平面的架构,而FinFET架构中,闸门呈类似鱼鳍的叉状3D架构,可于电路的两侧控制电路的接通与断开,这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电,也被称为鳍片结构。

鳍片结构在理论上解决了漏电问题,但实现起来难度极高,毕竟晶体管的体积都是以纳米计算,在这种精度上改变形状难度可想而知。所以更先进制程需要的前期投入巨大,黄崇仁曾推算过,建造12寸晶圆厂,生产28纳米产品,耗费资金约36亿美金,但到了7纳米时代,晶圆厂投入动辄就要200亿美金起。

更大的风险还在后面,由于新工艺的开发并非建立在前一代工艺良率稳定的基础上,因此对芯片半研发来说,科学家一直都在挑战制程极限,这也是英特尔、高通等芯片大厂在公布技术路线图时往往出现同时研发多个工艺节点的情况,因为很可能花了很多钱之后,做出来的概率依然很低。

这种情况下,过去业界习惯于用功耗、性能和面积等方式去评估芯片的方式开始发生转变,价格、能耗比、成熟度、良率等指标开始成为一些厂商关注的重点。

事实上,除了我们每天使用的手机和电脑芯片对于先进制程有更高要求之外,目前大部分智能应用场景所需的芯片可能连28纳米工艺都用不到,但背后依然有广阔市场空间,这就为那些不追求最顶尖技术的半导体公司打开了另一条路。

(大部分智能场景所需芯片连28纳米工艺都用不到,资料来自德勤)

力积电正是“追求市场占有率,而非最先进技术”的半导体公司之一。尽管在芯片制程上落后于台积电和联电一大截,但黄崇仁还是通过技术上的积累为力积电找到了突破口。

其一便是逻辑与DRAM晶元堆叠技术3D WoW(3D Wafer on Wafer)。力积电与爱普合作研发,通过将台积电生产的55纳米CPU和自家38纳米DRAM经爱普公司异质整合之后,实现了远超先进制程的效能与速度,相比英伟达16纳米处理器多出9倍效能的速度,相比AMD 7纳米芯片还多出6倍运算速度,但却比先进制程芯片价格更低,因此也被称为“穷人的5纳米”。

3D WoW技术正是基于力积电在DRAM时代的宝贵经验开发而成,黄崇仁曾说过,DRAM和逻辑分开大家都会做,但叠在一起却只有爱普和力晶两家会做,这项技术不但会让芯片速度变得很快,而且“是面向下个世代的技术”,事实上,类似技术也是苹果、谷歌等厂商关注的焦点。

去年苹果推出的M1芯片,其核心理念芯片是将移动处理器上的DRAM内存堆叠在AP(应用处理器)上的设计方法,通过这种方式不但减小了芯片面积、降低传输延迟和发热,还能为“统一内存架构”提升运行速度,也因此成为苹果从X86转为ARM架构最关键的改变。

其二,力积电还有一个降低成本占领市场的武器,那便是利用铝制程来做芯片。相较于其他晶元代工厂利用铜制程来制作芯片,铝制程晶圆片的成本进一步降低,这也是力晶过去在DRAM领域积累下来的技术,成为力积电占领市场,提升毛利率的关键。

力积电财报显示,从2019到2020年,其毛利率从7%提升到了25%,这其中就离不开其3D WoW以及铝制程技术的投入。可以说尽管力积电在先进制程领域追赶不上台积电和联电等厂商,但其能够抓住市场机会并针对性推出产品,以低价格高毛利获得利润,这是力积电能够成功上位的关键所在。

靠产业集群突破“卡脖子”难关

随着中国新能源汽车以及电子消费产品领域的快速扩大,“狂飙突进”的大陆市场成为全球半导体领域不可忽视的重要部分,根据国际半导体产业协会(SEMI)数据显示,2020年中国大陆市场的半导体设备销售额较上年增长39%,至187.2亿美元,排名全球第一。

但严重的半导体短缺,加之贸易摩擦对中国企业的影响逐渐扩大。这种产业发展与消费市场造成的极端供需矛盾,让人不由得思考,大陆半导体究竟还有哪些地方有待加强,而抓住80年代机会的中国台湾和韩国半导体就带来了宝贵经验。

在不同的经济环境下,80年代韩国和中国台湾在半导体产业上走出了不同的发展路径。前者依靠国家政府扶植出三星、海力士等大型企业并集中资源加速电子工业发展;而后者,则是在为数众多的中小企业集群中找到了突破点,伴随“产官学三位一体”的经济发展理念,半导体产业的上下游不断生根发芽,成为这座海岛的支柱性产业。

同时,当我们把视角从台积电、联电看向力积电,一个分工明确、行业竞争与合作共存的半导体产业格局出现在眼前。力积电的成功,是中小企业发展的成功,也是技术积累产生变量的成功,更是对先进技术吸收之后内化的成功。

从最初切入DRAM到伴随风口迎来高点,再到之后负债退市艰难转型,技术和人才是这家企业能够逆风翻盘的根本,利用过去的经验创造出新的产品争夺市场,并能够以自身擅长技术避免与巨头硬碰硬,寻找属于自己的机会。

如今,越来越多大陆半导体公司蓬勃兴起,并非都能做到台积电那样叱咤风云变成行业龙头,但却很可能成为力积电这样的中流砥柱。在黄崇仁提出的反摩尔理念中,当下及未来,“风险共担,利润共享”会成为半导体公司的核心发展观。

这一法则意味着代工厂不但要抓住市场机会,还要在选择合作伙伴的同时,与对方建立风险共担机制,从而在贴近客户所需进行设计生产的同时,拥有更好的抗压能力。

实际上,力积电与联发科在2020年的合作就以此为准则,力积电耗资2780亿元新台币新建12英寸晶圆厂为联发科提供产能,但实际上修建一座12英寸晶圆厂成本至少6000亿新台币,其中有一半出资都是联发科提供,后者购买设备出租给力积电,而力积电需要把产能优先提供给联发科。

在半导体制程越来越先进,投资金额和风险都越来越大的当下,这样的理念对行业来说有其特殊意义,而这正是力晶1200亿失败负债之后得到的最大教训。

半导体产业链是一个高度全球化的产业,美国半导体协会(SIA)曾在报告中指出,一家典型美国半导体公司的芯片生产流程,产业链涉及到日本、美国、马来西亚、新加坡和中国五个国家。如今,拜登上任后,美国政府多次对其半导体产业过度依赖其他地区提出警告,并认为美国应该尽全力发展本土半导体产品,这种情况下,全球半导体格局也将产生变化。

(资料来自德勤)

对大陆半导体产业来说,这是危机也是机遇。过去,由于长期使用别人的技术方案与路径而没有内化为自己的技术,中国半导体产业始终没能建立足够大的影响力。但如今,中国成为半导体产业最集中的消费市场,2020年,中国大陆半导体制造能力已占全球的15%,市场的扩大,需要我们能够不断对技术进行消化、吸收以及创新,而这不但需要企业、政府,还需要学界、研究机构以及全社会达成的共识,时间紧迫,我们还必须紧紧追赶。

张忠谋在今年四月一次发言时也提到,中国大陆晶圆制造落后积电达5年以上,在IC设计则落后美国或中国台湾约1~2年,并非如外界所言达“数代之远”。

如今举全国之力追赶的半导体产业,最好的结果便是能够形成产业集群,我们不能脱离世界的发展,但至少能够建立起我们自己的优势,惟其如此,才不至于被卡了脖子。

参考资料:

德勤:半导体:未来浪潮新兴机遇与制胜策略

德勤:亚太四大半导体市场的崛起

商业周刊:台湾地区与大陆半导体产业详细对比

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