「晶片戰爭」重點精華整理-半導體巨頭們的崛起

前言

全世界最強的晶片製造商台積電為何在台灣?
全世界最強光刻機公司ASML放眼七洲五洋無競爭對手,為何技術不是在美國這個世界強國,而是在荷蘭?

晶片戰爭這本書許多篇幅在講述我不感興趣的俄國歷史,而我專挑美國、中國、台灣、台積電、ASML的重點細看,擷取我認為大家會想看的重點,並附上個人淺顯的看法:

半導體對於世界各國的重要性

半導體對於世界的重要性無庸置疑,晶片越來越強的資料運算處理能力推進了過去的電腦、手機、電子錶,一直到現在的5G、電動車、AI晶片、軍武等等,我引述書中提到的一個例子(第30頁):

「在人工智慧時代,大家常說資料是新石油。然而,我們面臨的真正限制其實不是資料的取得,而是資料的處理力。儲存與處理資料的半導體數量是有限的,生產半導體的流程極其複雜,而且成本高的可怕。石油可以從許多國家購買,但運算力不一樣。運算力的生產根本上是取決於連串的關鍵控制點:機台、化學物、軟體。這些通常是由少數幾家公司生產,有時甚至只有一家公司生產。經濟上找不到如此依賴那麼少公司的產業了。台灣的晶片每年提供全球37%的新運算力;兩家韓國公司生產全球44%的記憶晶片;全球所有的極紫外光(EUV)曝光機都是由荷蘭的ASML製造,沒有這些機器,頂尖的晶片根本不可能製造出來。相較之下,石油輸出國組織(OPEC)的產油量占全球產量的40%,那看起來就沒什麼大不了了。」

危險的是世界晶片製造強國台灣就位在兩大強權(美國與中國)衝突的中間,也位在板塊斷層線上(1999年還發過芮氏7.3級的地站),這一切看似荒謬,但這並非偶然,一部分是因為亞洲廉價的勞力資源,一部份原因書中說是美國外交的策略家把複雜的半導體供應鏈視為把亞洲與美國主導的世界綁在一起的工具,總之,這涉及太多外交政策、政治、資本家與科學家的故事,欲知詳情請看書晶片戰爭

台積電的崛起

「每一代的技術進步,都會推高晶圓廠的成本」,這是張忠謀幾十年前就得出的結論。專注在晶圓代工會推高商業護城河,讓其他公司難以踏入,這是他認為台積電的商業模式比較優越的原因。半導體產業除了中游的晶圓製造代工(如台積電、聯電),還有分成上游的IC設計(如聯發科、瑞昱等)和下游封裝測試(如日月光),有些IDM大廠(如intel、德州儀器)則是半導體一條龍,上中下游全包;有些公司專注於上游的IC設計產業,又稱無晶圓廠(fabless),他們不須興建晶圓廠,專注於電腦繪圖設計晶片,成本低許多。

IC設計的商業模式的利潤較高,但在台積電尚未成立之前,許多美國新創IC設計公司怕自己的IC設計創意被IDM大廠偷走,苦於找不到專門的晶圓製造公司來幫他們製造晶片,台積電的成立並且承諾不跨足IC設計,讓這些新創IC設計公司找到突破口。晶片戰爭中這樣敘述(第273頁):

「張忠謀意識到,台積電可以在技術上領先競爭對手,因為它是一個中立的參與者,其他的公司是圍繞著它來設計產品,他把這個模式稱為台積電的『大同盟』。這是一個由數十家公司所組成的合作關係,他們分別設計晶片、銷售智慧財產權、生產材料或製造機台。這些公司中,有許多公司相互競爭,但由於沒有一家生產晶圓,所以沒有一家與台積電競爭。因此,台積電可以在這些公司之間協調,制定晶片業的多數公司都同意使用的標準。他們別無選擇,因為與台積電的製程相容,對幾乎每家公司都非常重要。對無晶圓廠公司來說,台積電是它們最有競爭力的製造服務來源。對設備公司與材料公司來說,台積電往往是他們最大的客戶。智慧型手機市場的蓬勃發展,推高了大家對晶片的需求,張忠謀就處於中心的位置,他表示:『台積電知道,利用每個業者的創新很重要。我們的創新、設備製造商的創新、客戶的創新,以及智慧財產權授權者的創新。這就是大同盟的威力所在。』這種策略對財務有深遠的影響,他表示:『台積電與其十大客戶的研發支出加起來,就超過了三星與英特爾的總和。』當業內的其他公司繞著台積電凝聚起來的時候,整合設計與製造的老舊模式將難以與之匹敵。」

總結,台積電的成功歸因於商業模式的大膽創新、政府的支持和金援、大同盟成就彼此的模式。題外話,賈伯斯的蘋果(Apple)也是台積電代工崛起的最大受益者之一(詳情請參考第276頁)。

ASML的崛起

ASML這家荷蘭的微影成像公司(在台灣俗稱曝光),扮演半導體供應鏈中極關鍵重要的一環。在整個晶片製造過程中必須要進行曝光,利用光罩(reticle)擋住部分光線來轉印圖案,然後曝光到塗在矽晶圓上的光阻劑上,光與光阻劑產生反應於是沉積材料或蝕刻成圖案,進而產生晶片。曝光成本佔了整個晶片製造成本約35%,耗時約佔40%-50%,視不同製程而有差異。由ASML開發的EUV微影成像設備(極紫外光成像技術)就是高階晶片的曝光製程不可或缺的角色。

EUV機台也對世界的半導體產業極具意義:它將摩爾定律推進下去!(摩爾定律:積體電路上可容納的電晶體數目,約每隔兩年便會增加一倍)。如果積體電路上的電晶體數目無法繼續增加,也就是晶片的效能或運算力無法進步,那iphone很難推出下一代,人工智慧需要的機器訓練也會遇到瓶頸。那麼為何像ASML這樣掌握半導體關鍵技術的公司是荷蘭,而非美國這個世界強國呢?

其實美國也佔有很大一部分功勞,西盟(Cymer)是加州大家聖地牙哥分校的兩位雷射專家創立的公司。該公司的工程師發現EUV(極紫外光)的最佳做法是利用光源將錫滴粉碎產生EUV光,但缺少足夠強的光源。2005年,西盟找上了德國的精密模具公司創浦(Trumph),利用二氧化碳雷射為他們製造足夠強的光源。後來又找到全球最先進的光學系統的德國公司蔡司(Zeiss),為他們製造鏡子來收集EUV光。2012年ASML花費19億歐元把西盟收購了,也是自1984年ASML成立以來最大的併購案。

晶片戰爭中對於EUV的開發有這兩段簡述(第280~286頁):

「2012年,在ASML產出可運行的EUV機台之前的好幾年,英特爾、三星、台積電都直接投資ASML,確保該公司有必要的資金繼續為自家未來的晶片製程開發出EUV機台。英特爾光是在2012年就像ASML投資了40億美元,那是英特爾有史以來押過最大的賭注之一。」

「美國的經濟民族主義者要是知道微影成像技術或EUV技術的歷史,發現荷蘭公司ASML把美國國家實驗室首創的一項技術加以商業化,而且主要還是由英特爾資助,肯定會氣得半死。然而,ASML的EUV機台並不是真正的荷蘭產品,雖然它們主要是在荷蘭組裝。關鍵元件是來自加州的西盟與德國德蔡司和創浦。重點是。這個神奇的機台是許多國家的產物,沒有一個國家能宣稱自己擁有一切。這個由數十萬個元建構成的機台,是許多國家的心血結晶。」

Intel、三星、台積電共同資助ASML開發EUV,然後他先後併購許多關鍵技術公司或收購它們的股票,增加ASML的供應鏈管理成效,而ASML本身只生產EUV機台的15%元件,其他都是從其他公司採購(第284頁)。總結書中重點,ASML的成功歸因於商業夥伴的資助與合作、供應鏈管理、成功的併購策略。ASML的關鍵技術來自美國,但並非美國公司。然而我在蒐集資訊的過程中,發現投資理財部落格stockfeel提到一本書光刻巨人:ASML崛起之路,當初Intel、三星、台積電是不看好EUV技術的,因為技術難度實在是太大了,剛開始ASML開發EUV也只做出來個問題極多的原型,但也已經非常了不起了。直到2010年到中期,花費了數百億美元和幾十年的時間才終於讓EUV量產並且生產出符合成本效益的晶片。我個人為ASML的成功多加一個重點:技術突破創新。

Intel錯失機會

晶片戰爭對Intel的抱持蠻負面的看法(第291~297頁),認為Intel錯失兩大機會:AI晶片和蘋果用於iphone、ipad、Mac的晶片。因AI晶片而崛起的輝達(Nvidia),將晶片製造主要外包給台積電,專注於設計新一代的GPU,加上其他大型雲端運算公司(如Google、亞馬遜、微軟、Facebook、騰訊、阿里巴巴等)開始針對自己的需求設計專用晶片,並把焦點放在AI上,導致Intel壟斷資料中心處理器的局面將結束。蘋果的iphone、ipad、Mac晶片都是由台積電製造,這也是Intel錯失的機會。

晶片戰爭中有另外有兩段不看好Intel的段落:

「2013年至2018年擔任英特爾的執行長布萊恩公開堅稱:『過去幾年,我基本上一直在經營我們的代工事業。』他也描述這項業務『策略上很重要』,但在客戶看來並非如此,他們認為英特爾並未優先看待代工客戶。在英特爾內部,代工業務並未獲得優先考量。相較於製造個人電腦與資料中心的晶片(仍是利潤豐厚的業務),英特爾這項新的代工事業幾乎德不到內部支援。因此,2010年代英特爾投入代工業務時,只獲得一個大客戶,代工業務經營短短幾年後就關閉了。」

「2015年以來,英特爾一再宣布推遲10奈米與7奈米的製程,而台積電與三星已經領先。多數業界人士認為,英特爾的許多問題源自於延遲採用EUV機台。到了2020年,英特爾長年資助開發的EUV微影成像機台中,有半數都已經安裝在台積電。相反的,英特爾才剛開始在製程中使用EUV。」

總結,上述兩段說明Intel在進軍代工業務後失敗,並且先進製程也落後台積電和三星。

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參考連結

  1. IC教父 張忠謀的策略傳奇:一年賺兩百億的男人
  2. 真正掐住台積電脖子的企業ASML
  3. 艾司摩爾收購美國CYMER
  4. Stockfeel:台積電、英特爾、三星投資 ASML 的真相
  5. 晶片戰爭
  6. 光刻巨人:ASML崛起之路

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