近期，關(guān)于臺(tái)積電南京廠擴(kuò)大28nm制程產(chǎn)能的新聞如深水炸彈一般，激起一波又一波的討論熱潮。

支持一方表示歡迎，擴(kuò)產(chǎn)有助于緩解當(dāng)前全球芯片短缺問題，尤其是汽車芯片短缺嚴(yán)重，擴(kuò)產(chǎn)還能為內(nèi)地補(bǔ)充技術(shù)、人才和資金，也有利于內(nèi)地形成產(chǎn)業(yè)鏈聚集。

反對(duì)一方則表示應(yīng)該抵制，臺(tái)積電擴(kuò)產(chǎn)是司馬昭之心，是美國用來打壓中芯國際等內(nèi)地芯片企業(yè)發(fā)展的工具人。

此前也有消息聲稱，臺(tái)積電原本打算在南京廠擴(kuò)產(chǎn)7nm先進(jìn)制程，但因?yàn)橹忻蕾Q(mào)易摩擦，才不得不改為28nm的成熟制程。

外界眾說紛紜，而臺(tái)積電并未對(duì)此事給出明確答復(fù)。

從大家的熱烈討論中可以看出，臺(tái)積電身為晶圓代工產(chǎn)業(yè)老大，一舉一動(dòng)都備受關(guān)注，但是，作為老大的難處卻甚少有人關(guān)心。

事實(shí)上，在天災(zāi)（缺水、停電、新冠疫情）與人禍（中美貿(mào)易摩擦）的雙重夾擊之下，臺(tái)積電正在演奏自己的“困難三重奏”。

建廠難，競(jìng)爭(zhēng)難，技術(shù)難，臺(tái)積電的難處是難上加難。

開創(chuàng)制造的新模式

在了解臺(tái)積電的難處之前，先說一說他作為晶圓代工老大的“發(fā)家史”。

在很多種行業(yè)，第一個(gè)吃螃蟹的人通常會(huì)成為業(yè)內(nèi)老大，德州儀器是這樣，英特爾是這樣，而臺(tái)積電也是這樣。

在臺(tái)積電出現(xiàn)之前，半導(dǎo)體公司只采用IDM（Integrated Device Manufacture）模式，即從芯片設(shè)計(jì)到芯片制造封裝都自己完成，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，芯片設(shè)計(jì)和工藝制程是緊耦合，被認(rèn)為是半導(dǎo)體公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力，英特爾和德州儀器就是IDM模式的代表企業(yè)，并一直延續(xù)至今。

IDM模式的好處十分明顯，產(chǎn)能有保障、質(zhì)量可控，還能提升新技術(shù)、新產(chǎn)品的性能表現(xiàn)，只是對(duì)于芯片設(shè)計(jì)公司來說十分不友好，因?yàn)樗麄冎荒芟蛘显圃鞆S購買空閑的晶圓產(chǎn)能，產(chǎn)量與生產(chǎn)排程都受制于人，不利于大規(guī)模量產(chǎn)產(chǎn)品。

但是，如果讓設(shè)計(jì)公司或是中小型企業(yè)花費(fèi)上百億美金投資建造一間晶圓廠，也是不現(xiàn)實(shí)的。

臺(tái)積電的出現(xiàn)開創(chuàng)了芯片制造行業(yè)的新模式，即“無廠設(shè)計(jì)公司（Fabless）+代工工廠（Foundry）”的模式。晶圓代工廠（Foundry）提供代工業(yè)務(wù)，讓沒有芯片制造封裝能力的芯片設(shè)計(jì)公司（Fabless）和中小型企業(yè)不必?fù)?dān)負(fù)興建、營(yíng)運(yùn)晶圓廠的龐大成本，雖然產(chǎn)能、技術(shù)受限，但總體來說還是十分劃算的。

對(duì)于原有的IDM模式的公司來說，出于對(duì)產(chǎn)能或成本等因素的考量，也可以將部分產(chǎn)品交給晶圓代工公司進(jìn)行生產(chǎn)制造。

基于以上原因，晶圓代工成為一項(xiàng)穩(wěn)定發(fā)展的科技產(chǎn)業(yè)。

臺(tái)積電不僅開創(chuàng)了晶圓代工的先河，而且還逐步發(fā)展成為了行業(yè)老大。

開創(chuàng)一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)模式并不容易，想要“Fabless+Foundry”模式運(yùn)轉(zhuǎn)起來，需要同時(shí)滿足工藝水平、客戶需求和賺錢三個(gè)條件：

• 代工工廠的工藝水平不能比同期IDM的工藝水平差

• 芯片設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)水平高并且有一定的出貨量，才能填滿代工廠的產(chǎn)能

• Fabless+Foundry要和同期競(jìng)爭(zhēng)的IDM模式有一樣或是更高的投資回報(bào)比，才能持續(xù)發(fā)展

以上臺(tái)積電都做到了。

在工藝水平方面，兩個(gè)重大節(jié)點(diǎn)讓臺(tái)積電一騎絕塵，成為行業(yè)內(nèi)的絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)者：

• 臺(tái)積電于1987年成立，最初的工藝技術(shù)仰仗飛利浦公司，落后于當(dāng)時(shí)的德州儀器、摩托羅拉等歐美大型IDM公司。1997年，臺(tái)積電開始自主研發(fā)基于銅制程0.13微米技術(shù)，并于2000年開始生產(chǎn)，這項(xiàng)工藝水平遠(yuǎn)超同期，使其成為業(yè)內(nèi)第一。

• 2007年，臺(tái)積電的林本堅(jiān)提出浸沒式光刻設(shè)想，與ASML合作開發(fā)浸沒式光刻機(jī)，并在 2007年成功推出第一臺(tái)浸沒式光刻機(jī)。臺(tái)積電將技術(shù)能力延展到制造設(shè)備，并開始“搶先半步”，走40、28、20nm路線，與英特爾的45、32、22nm路線分裂。緊接著，創(chuàng)始人張忠謀回歸，大手筆投資28nm制程，將技術(shù)先進(jìn)鞏固為商業(yè)成功。

現(xiàn)如今，臺(tái)積電的7nm制程產(chǎn)能約為每月14萬片；5nm產(chǎn)能約為每月9萬片；3nm工藝客戶有英特爾和蘋果；按照規(guī)劃，臺(tái)積電有望在2023年中期進(jìn)入2nm工藝試生產(chǎn)階段，并于一年后批量生產(chǎn)；1nm以下制程也取得了重大突破。

在客戶需求方面，先進(jìn)的客戶需求能夠推動(dòng)代工廠不斷改進(jìn)工藝。臺(tái)積電的大客戶包括蘋果、NVIDIA、AMD、高通、聯(lián)發(fā)科、英特爾、博通、Marvell、賽靈思（Xilinx）等。蘋果是臺(tái)積電的超級(jí)大客戶，每年為臺(tái)積電貢獻(xiàn)超20%的收入，而蘋果手機(jī)芯片逐年迭代的更新節(jié)奏，反向促進(jìn)了臺(tái)積電的工藝制程升級(jí)，也為整個(gè)行業(yè)確定了方向。

在公司經(jīng)營(yíng)方面，按照金融相關(guān)人士的說法，臺(tái)積電“畫出了一張教科書般的收支圖表”，多年來，一直保持著“高投入-低成本-高銷量-高投入”的正向循環(huán)。臺(tái)積電在不斷追求更先進(jìn)的制程同時(shí)，一方面讓自己始終不被行業(yè)波動(dòng)影響，另一方面精準(zhǔn)平衡業(yè)務(wù)賺到的營(yíng)業(yè)現(xiàn)金流量（正現(xiàn)金流）和投資活動(dòng)付出現(xiàn)金流量（負(fù)現(xiàn)金流），實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的發(fā)展。

可以說，臺(tái)積電的成功與張忠謀等領(lǐng)導(dǎo)人的經(jīng)驗(yàn)、魄力與前瞻性密不可分。

建廠難，競(jìng)爭(zhēng)難，技術(shù)難

“被迫”離家出走

臺(tái)積電創(chuàng)始者張忠謀在今年臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)主辦的2021大師智庫論壇上提到，與美國相比，在晶圓制造上，美國的土地、水、電條件都優(yōu)于臺(tái)積電。

一句話透露了臺(tái)積電現(xiàn)在的困境。

今年4月，臺(tái)積電南科Fab14 P7廠區(qū)突然停電，業(yè)界預(yù)估有近3萬片晶圓受到影響，損失金額近10億新臺(tái)幣（折合2.3億人民幣）。該廠區(qū)主要生產(chǎn)12吋晶圓，是臺(tái)積電40nm、45nm制程生產(chǎn)的重要據(jù)點(diǎn)之一。這次事故對(duì)汽車行業(yè)是一記重?fù)?，因?yàn)樵搹S區(qū)也是生產(chǎn)車用芯片的主要車間。

事實(shí)上，臺(tái)灣地區(qū)的電力資源和水資源已經(jīng)限制了臺(tái)積電的發(fā)展。

晶圓廠是巨大的吃電怪獸。芯片制造設(shè)備的耗電量巨大，加之生產(chǎn)制造環(huán)境的嚴(yán)苛要求，也需要投入大量電力來維持，據(jù)綠色和平組織估計(jì)，臺(tái)積電的年耗電量占整個(gè)臺(tái)灣地區(qū)總耗電量的4.8%，比整個(gè)臺(tái)北市的年耗電量還要高。

如果說，目前臺(tái)灣地區(qū)的電力還能夠勉強(qiáng)供臺(tái)積電使用，但3nm芯片廠啟動(dòng)后，一年的耗電量就有70億度。根據(jù)彭博行業(yè)研究的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)制造5nm和3nm需要投入EUV光刻設(shè)備，一臺(tái)輸出功率250W的EUV機(jī)臺(tái)工作一天就會(huì)消耗3萬度電，預(yù)計(jì)到2023年底，當(dāng)5nm和3nm廠同時(shí)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)新增電路的需求將達(dá)到臺(tái)積電過去一年全球耗電量的98%。

供電不給力，水資源也出問題。

近兩年，臺(tái)灣地區(qū)干旱問題嚴(yán)重，水資源緊張，島內(nèi)的不少水庫干涸，蓄水量也不足平日的十分之一，不少地區(qū)已經(jīng)啟動(dòng)了“供五停二”分區(qū)限水政策，甚至停止了近五分之一的農(nóng)田灌溉。臺(tái)積電作為用水大戶也受到影響，雖然已經(jīng)采用了加油車運(yùn)水的方法來解決，但也并不是長(zhǎng)久之計(jì)。

當(dāng)硬性條件跟不上，臺(tái)積電的“出走”就成為了必然，不管是美國亞利桑那州的5nm新廠，還是南京廠擴(kuò)產(chǎn)，還有正在商談的日本、德國，都成為臺(tái)積電擺脫困境的解決方法。

競(jìng)爭(zhēng)有點(diǎn)兒難

今年，半導(dǎo)體行業(yè)巨頭英特爾宣布加入晶圓代工業(yè)務(wù)，并在3月成立了芯片代工服務(wù)（Intel Foundry Services，IFS）業(yè)務(wù)群。英特爾對(duì)于這條戰(zhàn)線有很大的野心，首席執(zhí)行官帕特·基辛格(Pat Gelsinger)在接受采訪時(shí)表示，“到2030年之前，我們要成為這個(gè)市場(chǎng)的第二大參與者。”

在近期的采訪中，英特爾宣布了高通與亞馬遜兩個(gè)大客戶，將使用英特爾的20A工藝為高通代工生產(chǎn)芯片，為亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）提供封裝服務(wù)。于此同時(shí)，英特爾還公布了未來四年在10nm、7nm、4nm、3nm以及20A的制程工藝發(fā)展規(guī)劃。

關(guān)于英特爾計(jì)劃斥資約300億美元收購第三大晶圓代工廠格羅方德半導(dǎo)體（GlobalFoundries）的消息也傳得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。

對(duì)于英特爾的高調(diào)宣戰(zhàn)，張忠謀隱晦地表達(dá)了不足為懼，他說：“美國短期補(bǔ)貼不足以彌補(bǔ)長(zhǎng)期劣勢(shì)。”

而對(duì)于內(nèi)地芯片企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，張忠謀則表示現(xiàn)在還不是對(duì)手，在2020年的數(shù)百億美元補(bǔ)貼之后，大陸半導(dǎo)體制造落后臺(tái)積電5年以上，邏輯半導(dǎo)體設(shè)計(jì)落后美國、臺(tái)灣1-2年。

雖然工藝制程上落后于臺(tái)積電，但汽車、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)?8nm的極大需求給了中芯國際等國內(nèi)企業(yè)廣闊的發(fā)展空間，讓競(jìng)爭(zhēng)多了幾分不確定性。

真正被臺(tái)積電視為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的，是三星電子。

三星電子同樣提供代工業(yè)務(wù)，雖然在工藝水平和客戶方面與臺(tái)積電有一定差距，但持續(xù)不斷的巨額資金投入和對(duì)先進(jìn)工藝的緊追不放還是給了臺(tái)積電很大壓力。張忠謀認(rèn)為，韓國在晶圓制造方面的優(yōu)勢(shì)和臺(tái)灣相似，一流的本地人才和地理優(yōu)勢(shì)與臺(tái)積電的優(yōu)勢(shì)相同。

來自摩爾定律的挑戰(zhàn)

曾經(jīng)，摩爾定律是引導(dǎo)芯片制造的金科玉律，而現(xiàn)在，當(dāng)制程工藝達(dá)到了1nm，未來芯片該何去何從，就成為整個(gè)芯片行業(yè)的挑戰(zhàn)。

后摩爾時(shí)代，臺(tái)積電選擇從新材料和封裝入手，開始極限挑戰(zhàn)。

今年5月，《Nature》雜志刊登了臺(tái)積電與美國麻省理工學(xué)院、臺(tái)大的合作研究項(xiàng)目，論文報(bào)道了半金屬鉍（Bi）與半導(dǎo)體單層過渡金屬硫族化合物（TMDs）之間的歐姆接觸。文章報(bào)道的接觸電阻是二維半導(dǎo)體的一項(xiàng)重大改進(jìn)，接近量子極限。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了高性能單層晶體管的潛力，有望成為摩爾定律的突破口。

先進(jìn)封裝是后摩爾時(shí)代提高芯片性能的關(guān)鍵鑰匙。臺(tái)積電的先進(jìn)封裝技術(shù)押寶于3DFabric。據(jù)相關(guān)報(bào)道，臺(tái)積電的3DFabric平臺(tái)整合了所有先進(jìn)封裝技術(shù)，包括了整合晶片系統(tǒng)（SoIC），整合型扇出（InFO）以及CoWoS系列家族，可供客戶自由選配。

從白手起家到業(yè)內(nèi)第一，臺(tái)積電有很多值得國內(nèi)芯片企業(yè)學(xué)習(xí)的地方，單就南京廠擴(kuò)產(chǎn)一事，到底是正常的商業(yè)發(fā)展，還是人在江湖身不由己，相信時(shí)間會(huì)給出答案。