美國要恢復(fù)半導(dǎo)體制造國

在美國拜登政權(quán)提出將美國恢復(fù)為半導(dǎo)體制造大國之后，美國英特爾于2021年3月23日公布稱，將投資200億美元（約人民幣1，300億元）在美國亞利桑那州（Arizona）新建兩個(gè)使用最尖端EUV（極紫外光刻）曝光設(shè)備的7納米半導(dǎo)體工廠。其中一棟用于處理器方向，另一棟用于代工（Foundry），目標(biāo)是在2024年啟動(dòng)運(yùn)營(yíng)。

進(jìn)入2021年以來，車載半導(dǎo)體供不應(yīng)求的問題愈發(fā)嚴(yán)重，全球汽車廠家相繼減產(chǎn)。此外，全球唯一 一家實(shí)現(xiàn)5納米工藝的臺(tái)灣TSMC的代工訂單紛至沓來，因此，用于智能手機(jī)、PC、服務(wù)器等各種方向的半導(dǎo)體都出現(xiàn)了供給不足的情況。

此外，由于2月13日日本福島縣地震的緣故，瑞薩工廠停工約三小時(shí)，且3月19日瑞薩工廠發(fā)生火災(zāi)，都促使了車載半導(dǎo)體供給緊張。此外，2月12日，美國得克薩斯州突發(fā)寒流，導(dǎo)致三星電子的Foundry、車載半導(dǎo)體的全球TOP1—-德國英飛凌、TOP2的荷蘭NXP（恩智浦）的半導(dǎo)體工廠分別停電約36小時(shí)，再加上溶液管道被凍壞，又延長(zhǎng)了恢復(fù)生產(chǎn)的時(shí)間。另外，各家半導(dǎo)體廠商都在竭力保持運(yùn)營(yíng)，如由于臺(tái)灣供水不足問題日益嚴(yán)重，日均需要約20萬噸水的TSMC采購了100只儲(chǔ)水量為兩萬噸的水箱。

一言以蔽之，占Foundry領(lǐng)域約55%份額的TSMC的產(chǎn)能正日益緊迫、地震和寒流導(dǎo)致停電、干旱等自然災(zāi)害、火災(zāi)等因素導(dǎo)致全球半導(dǎo)體供給不足問題日益嚴(yán)重。

半導(dǎo)體已成為戰(zhàn)略物資

2018年，全球范圍內(nèi)半導(dǎo)體出貨金額達(dá)4，688億美元（約人民幣30，472億元），出貨數(shù)量達(dá)1兆多個(gè)（如下圖1）。全球總?cè)丝诩s76億，因此，粗略計(jì)算一下，全球平均一人一年消費(fèi)約62美元（約人民幣422.5元）、132個(gè)半導(dǎo)體。此外，今年（2021年）的半導(dǎo)體出貨金額、出貨數(shù)量都很有可能超過2018年的實(shí)績(jī)，達(dá)到歷史最高值。

圖1：全球半導(dǎo)體出貨金額、出貨數(shù)量。（圖片出自：WSTS的數(shù)據(jù)、筆者的預(yù)測(cè)）

已經(jīng)有觀點(diǎn)認(rèn)為“半導(dǎo)體已經(jīng)成為戰(zhàn)略性物資”。如果沒有半導(dǎo)體，所有產(chǎn)業(yè)都無法運(yùn)營(yíng)，此外，人類的文化生活也無法繼續(xù)下去。因此，拜登政權(quán)提出了要將半導(dǎo)體的生產(chǎn)撤回美國的政策，這也是英特爾進(jìn)軍Foundry的理由所在。

英特爾曾于2012年初進(jìn)軍Foundry行業(yè)，后以失敗告終。因此，此次進(jìn)軍是英特爾的第二次挑戰(zhàn)。但是，筆者認(rèn)為此次英特爾成功的可能性極低。

本文，通過分析英特爾在Foundry業(yè)界強(qiáng)大的理由，推導(dǎo)出英特爾無法在Foundry業(yè)界順利運(yùn)營(yíng)的結(jié)果。

英特爾10納米失敗、開始Tick-Tock（工藝年-構(gòu)架年）模式

英特爾發(fā)布的處理器是基于Tick-Tock（工藝年-構(gòu)架年，以兩年為單位推進(jìn)微縮化）模式的。（圖下圖2）

圖2：英特爾的Tick-Tock（工藝年-構(gòu)架年）模式的失敗。（圖片出自：jbpress）

Tick-Tock（工藝年-構(gòu)架年）模式是一種交替進(jìn)行“微縮化”、“更新設(shè)計(jì)”以推進(jìn)處理器進(jìn)步的商業(yè)模式（Business Model）。比方說，在2015年不更改上一代的理論設(shè)計(jì)和掩膜圖案（Mask Pattern），直接從22納米進(jìn)入14納米，且被稱為“Tick（工藝年）”。在次年的2016年，微縮化保持為14納米，僅更新設(shè)計(jì)，且被稱為“Tock（設(shè)計(jì)年）”。

然而，在英特爾從2016年的14納米進(jìn)入2017年的10納米之際，由于10納米工藝的啟動(dòng)失敗，導(dǎo)致此模式的延續(xù)失敗。結(jié)果即如下圖3所示，被TSMC遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在了后面（TSMC于2018年量產(chǎn)7納米、2019年采用尖端EUV、量產(chǎn)7納米+）。

圖3：邏輯半導(dǎo)體與Foundry的技術(shù)走向圖（Road Map）。（圖片出自：jbpress）

換言之，英特爾10納米的微縮化與TSMC、三星電子的7納米幾乎處于同一水準(zhǔn)。因此，如果英特爾在2019年之前量產(chǎn)了10納米，就不會(huì)被TSMC超越了。但是，直到2020年英特爾也沒有順利量產(chǎn)10納米，在2020年第二季度的財(cái)報(bào)中，屆時(shí)的CEO--鮑勃·斯旺先生指出：“到2022年，英特爾會(huì)決定究竟是繼續(xù)進(jìn)行工藝技術(shù)的研發(fā)、還是擴(kuò)大Founry業(yè)務(wù)”，并且暗示了“在7納米以后，可能會(huì)將業(yè)務(wù)委托給TSMC代工生產(chǎn)”。

如上所述，英特爾連續(xù)在尖端工藝的啟動(dòng)上遭遇了失敗，能否在2024年順利啟動(dòng)7納米（采用EUV曝光設(shè)備、相當(dāng)于TSMC當(dāng)下量產(chǎn)的5納米）工藝，還是無從得知。

但是，實(shí)際上，英特爾能否在Foundry方面獲得成功與尖端工藝的啟動(dòng)并無太大關(guān)系。

那么，問題何在呢？自2016年開始的Tick-Tock（工藝年-構(gòu)架年）模式才是英特爾Foundry 業(yè)務(wù)能否成功的關(guān)鍵所在。

TSMC的Foundry業(yè)務(wù)是什么樣的？

下圖4是近六年來TSMC的各個(gè)世代的半導(dǎo)體出貨金額的推移表，如上文所述，TSMC是目前全球唯一 一家量產(chǎn)5納米工藝的Foundry廠家。

圖4：TSMC的各個(gè)世代的半導(dǎo)體銷售額（~ 2020年第四季度）。（圖片出自：筆者根據(jù)TSMC的財(cái)報(bào)制作了此表）

但是，TSMC的競(jìng)爭(zhēng)力不僅僅在于尖端工藝方面。TSMC成立于1987年，因此其擁有自成立之初的0.25um的傳統(tǒng)型半導(dǎo)體、也擁有最尖端的5納米工藝，可以說TSMC一直在量產(chǎn)所有世代的半導(dǎo)體。

此處即為TSMC和英特爾的差異所在。對(duì)于TSMC而言，當(dāng)量產(chǎn)后的世代不再具有尖端技術(shù)優(yōu)勢(shì)時(shí)，依舊會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)，而且這會(huì)給TSMC帶來巨大的利潤(rùn)。此外，尖端半導(dǎo)體是在傳統(tǒng)世代的基礎(chǔ)上層層堆疊而成的。

的確，對(duì)于高性能PC和服務(wù)器而言，必須要采用由尖端工藝制造的半導(dǎo)體。但是，也有很多最新款的電子設(shè)備采用的是傳統(tǒng)世代的半導(dǎo)體。如圖1，在2018年半導(dǎo)體的出貨數(shù)量達(dá)1兆多，即證明了這一點(diǎn)，其中大部分的半導(dǎo)體不是由尖端工藝、而是由傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的。TSMC競(jìng)爭(zhēng)力的源頭之一在于其能夠生產(chǎn)各個(gè)世代的半導(dǎo)體。

與此相對(duì)，英特爾僅能生產(chǎn)尖端工藝（當(dāng)下的尖端世代為：14納米-10納米）的半導(dǎo)體。即使英特爾在2024年量產(chǎn)7納米（相當(dāng)于英特爾的5納米）、并開始Foundry業(yè)務(wù)，也僅能生產(chǎn)14納米以后的半導(dǎo)體。因此，就工藝的進(jìn)步而言，可以說英特爾幾乎無法滿足2，000多家Fabless企業(yè)的要求。

半導(dǎo)體種類紛繁

TSMC生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅有全球最尖端的邏輯半導(dǎo)體，還生產(chǎn)其他各種各樣的產(chǎn)品，如有射頻（RF）半導(dǎo)體、模擬半導(dǎo)體、CMOS傳感器、用于功率半導(dǎo)體的各種存儲(chǔ)器，甚至還有微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro Electro Mechanical Systems）。（如下圖5）

圖5：TSCM生產(chǎn)的各種各樣的半導(dǎo)體產(chǎn)品。（圖片出自：筆者摘選自TSMC發(fā)布的2019年度報(bào)告）

即使是用于某種特殊用途的邏輯半導(dǎo)體（Application Specific Integrated Circuit、ASIC），也分為消費(fèi)電子方向、電腦方向、通信方向、車載等用途。（如下圖6）

圖6：各種ASIC的四半期出貨金額（~ 2020年第四季度）。（圖片出自：筆者依據(jù)WSTS的數(shù)據(jù)制作了此圖）

其中，消費(fèi)類電子包含冰箱、洗衣機(jī)、空氣凈化器等白家電以及液晶電視、藍(lán)光光盤翻錄工具（Blu-ray Recorder）、音頻設(shè)備等黑家電。此外，以上這些家電都需要使用各種各樣的半導(dǎo)體產(chǎn)品。

Foundry業(yè)務(wù)的本質(zhì)在于可進(jìn)行多品種、小批量生產(chǎn)。為了滿足2，000多家Fabless企業(yè)的代工要求，TSMC運(yùn)用各個(gè)世代的工藝（從傳統(tǒng)世代到最尖端的世代）為客戶生產(chǎn)各種各樣的半導(dǎo)體產(chǎn)品。

然而，英特爾能夠生產(chǎn)的僅有邏輯半導(dǎo)體中的處理器。如上文所述，僅能用14納米以后的尖端工藝來生產(chǎn)（無法使用傳統(tǒng)世代的工藝）。

總之，英特爾的業(yè)務(wù)模式是“Like Memory”。比方說，僅用2-3年就將DRAM提升至最尖端水平。其品種有PC和服務(wù)器、智能手機(jī)兩個(gè)方向。即，少品種、大批量的模式。英特爾的處理器也是同樣的模式。

這樣的英特爾真的能開展Foundry業(yè)務(wù)嗎？至少是無法模仿TSMC的業(yè)務(wù)模式。

設(shè)計(jì)由TSMC制定

TSMC通過運(yùn)用自身的各個(gè)世代的工藝來生產(chǎn)各種各樣的半導(dǎo)體產(chǎn)品，在Foundry領(lǐng)域占有一半以上的份額（如下圖7）。就主要原因而言，有觀點(diǎn)認(rèn)為是因?yàn)門SMC是生產(chǎn)半導(dǎo)體的專家，僅需要匯集資源于工藝技術(shù)就可以了。

圖7：Foundry的銷售額占比。（圖片出自：DRAM eXchange）

作為TOP2的三星電子在生產(chǎn)處理器（用于三星Galaxy）之前，需要自行設(shè)計(jì)。因此，需要在設(shè)計(jì)部門投入較多的技術(shù)人員，也需要進(jìn)行大規(guī)模的設(shè)計(jì)投資。

但是，TSMC之所以能夠在Foundry領(lǐng)域占有如此大的市場(chǎng)規(guī)模，其自身的尖端工藝技術(shù)自不必說，TSMC的設(shè)計(jì)技術(shù)也是重要原因。

理由如下所示。

比方說，TSMC在發(fā)布5納米技術(shù)之際，為了Fabless企業(yè)，在被稱為EDA（Electronic Design Automation）的設(shè)計(jì)工具中，籌備了“Cell Library（單元庫）”。在“Cell Library（單元庫）”中籌備有英國ARM的處理器內(nèi)核（Processor Core）、美國德州儀器（Texas Instruments， TI）的數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）、各種存儲(chǔ)半導(dǎo)體的Cell（也叫“IP”）。

TSMC不僅保證了以上這些Cell的可操作性，還完成了它們相對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝。因此，F(xiàn)abless企業(yè)僅需像排列樂高積木一樣將“Cell Library（單元庫）”中的Cell 排列起來，就可以設(shè)計(jì)出需要的半導(dǎo)體。而且，TSMC會(huì)為他們生產(chǎn)半導(dǎo)體。

如果Fabless企業(yè)不使用“Cell Library（單元庫）”、而從零開始設(shè)計(jì)半導(dǎo)體的話，其設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體可能無法工作?；蛘哒f，大部分情況下是無法工作的。此外，即使勉強(qiáng)可以工作，也無法得知生產(chǎn)的良率如何。

然而，TSMC擁有服務(wù)于各個(gè)世代的、各種半導(dǎo)體的“Cell Library（單元庫）”。運(yùn)用“Cell Library（單元庫）”，F(xiàn)abless企業(yè)能夠毫無風(fēng)險(xiǎn)（No Risk）地設(shè)計(jì)半導(dǎo)體。而且，TSMC會(huì)對(duì)Fabless企業(yè)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體負(fù)責(zé)。即，作為生產(chǎn)專家的TSMC通過控制設(shè)計(jì)，獲取Foundry的市場(chǎng)份額。

英特爾永遠(yuǎn)也無法成為TSMC

15年前（2006年），筆者擔(dān)任同志社大學(xué)教師之時(shí)，原九州工業(yè)大學(xué)的川本洋教授告訴了筆者TSMC的優(yōu)勢(shì)所在。

全球的Fabless企業(yè)只要連接到TSMC的“Cell Library（單元庫）”，任何時(shí)候、任何地點(diǎn)、任何人都可以進(jìn)行設(shè)計(jì)。（下圖8）

圖8：任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人都可以進(jìn)行同樣的設(shè)計(jì)。（圖片出自：筆者基于九州工業(yè)大學(xué)·川本教授的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)資料制作了此圖）

可以說TSMC一手遮天地為全球的Fabless的代工（如下圖9）。此外，TSMC每接到一筆代工訂單，其利潤(rùn)就增長(zhǎng)一份！

圖9：Oligopoly of SOC Business。（圖片出自：筆者基于九州工業(yè)大學(xué)·川本教授的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)資料制作了此圖）

TSMC之所以在Foundry方面有壓倒性的優(yōu)勢(shì)，原因就在于以上這種結(jié)構(gòu)模式，其在工藝技術(shù)方面的領(lǐng)先地位是其優(yōu)勢(shì)的源頭所在。

而如今，英特爾卻要進(jìn)軍TSMC獨(dú)霸的Foundry領(lǐng)域！但是，英特爾卻永遠(yuǎn)也趕不上TSMC。因此，即便英特爾竭盡全力，也無法戰(zhàn)勝TSMC。

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