芯片戰爭

by byronyen

這本書講的內容與Chris Miller的「晶片戰爭(Chip War)」有類似的故事內容(因為都是在講晶片歷史),但似乎更詳細。因此立馬上淘寶訂了作者余盛的另一本「手機戰爭」。

1.William Shockley、八叛徒、快捷半導體、英特爾

1956年電晶體的發明人之一Shockley離開貝爾實驗室,返鄉(加州)創立了自己的公司,許多科學家和工程師都慕名前往西海岸為Shockley效力。Robert Noyce形容當時接到Shockley電話時的感覺,像是接到上帝打來的電話一樣。然而這些人忽略了一個事實:沒有一個貝爾實驗室的人追隨Shockley而來,Shockley是個偉大的科學家,卻很難與人共事,而且不會管理。於是Noyce等8人決定離開自行創業,Shockley稱他們為「8叛徒」。

8個人獲得了開設攝影器材公司的Sherman Fairchild(1896-1971)的資助,於是1957年快捷半導體(大陸翻譯仙童半導體)成立。Noyce於快捷發明出積體電路,但大約同一時間德州儀器的Jack Kilby(張忠謀的同事)也有了類似的發明,兩造後來打了10年的官司,最後判定2人是同時發明了積體電路。快捷剛創立的時候,8個人都分到了7.5%的股份,然而1967年Fairchild根據於先約定以300萬美金收回了所有股份,於是8個人又各自離開了快捷。Noyce與Gordon Moore於1968年成立了英特爾、Jerry Sanders創辦AMD、Charlie Sporck則創辦了國家半導體(2011年與TI合併)。

2.日本半導體崛起:二戰結束後,美國原本打算將日本實施去工業化,然南北韓戰爭爆發,美國遂決定支持日本,美國半導體公司為了市場,也紛紛與日本公司合作:德州儀器與Sony、快捷與日電(NEC)、RCA與日立、GE與東芝,日本不僅讓美國交出了核心專利技術,還實施貿易保護,大量出口半導體產品到美國市場,卻限制美國產品進入日本。

1976年日本啟動了VLSI研究開發計畫,NEC、日立、東芝、富士通、三菱紛紛加入。這5大企業都是「電力家族」或「電電家族」的成員:日本電力長期由幾家公司區域壟斷、電信則由NTT獨佔,這些獨佔企業只向特定的公司採購設備,日本政府則透過對電力或通信的收費來調控經濟。日本為發展半導體產業,提供了稅賦減免、低利貸款等政策,幾年後日本從設備、原料到晶片都取得重大突破:Nikkon與Canon以顯影設備為首的半導體設備、信越化學與勝高的矽晶圓、富士通則幾乎與IBM同步開發出64K的DRAM。

3.個人電腦、IBM、超微

英特爾成立後主要發展DRAM,後來一家日本公司Busicom委託英特爾為其開發一款計算機用的處理器,英特爾因此做出了史上第一個微處理器4004。因為微處理器的出現,Ed Roberts組裝了一台家用電腦牛郎星(Roberts因此被稱為個人電腦之父),賈伯斯與Stephen Wozniak也受此激勵成立了蘋果。家用電腦的興起引起了IBM的關注,為了快速拓展市場,IBM決定採取開放政策,招標軟硬體。

英特爾憑藉較好的服務勝出,但IBM為了防止英特爾一家獨大,要求英特爾必須將其處理器的設計對外授權,Noyce不得已只好將其授權給在快捷的老同事:Sanders的超微。超微因此可以使用X86架構來生產微處理器,超微採取跟隨策略,推出與英特爾處理器相容卻更便宜的替代品。1981年IBM透過對蘋果二號的模仿強勢進入家用電腦市場,並將其命名為IBM PC,從此PC(個人電腦)成為代名詞。

4.美日晶片戰爭:1980年代開始日本晶片企業憑藉品質與價格打得美國無招架之力。在Noyce等人努力向政府遊說下,1985年日本被迫與美國簽訂「美日半導體協議」。同年因為美國貿易赤字已高到其經濟無法承受的地步,美國遂與日本、德國、法國、英國等在紐約廣場飯店(Plaza Hotel)簽署了「廣場協議」,由4個美金儲備最多的國家拋售美金誘導其貶值。日幣升值促進了其對外投資大幅增加,大量熱錢也湧進日本,推升了股市和房市。然而DRAM價格敏感,日幣升值不利DRAM出口。

其他同樣簽訂了「廣場協議」的國家與日本不同,歐洲市場越來越大,其對美國的依賴要較日本小得多,加上對股市房市的管理,因此沒有出現像日本一樣的泡沫經濟。其實貨幣升值是一個國家調整其經濟結構的契機,如果日本能適當的將DRAM、面板等對價格較敏感的產品移至他國生產,並提高更具附加價值產品的出口,升值未必是件壞事。因此有人說日本和美國簽訂了2個協議,斷送了日本的經濟發展,讓日本失去30年。但其實最大的原因還是來自日本企業自身的競爭力問題。

5.英特爾轉型、X86、複雜指令集電腦

同樣在1985年,被日本DRAM打趴了的英特爾決定放棄DRAM生產,將資源投注在處理器上(葛洛夫與Moore這對有經典的對話)。當年英特爾打造出80386(簡稱386)處理器,最終取得巨大的成功,消費者開始將個人電腦稱為386電腦(好像這是電腦的品牌一樣)。此外原本IBM要求英特爾要將處理器對外授權,從386起英特爾拒絕了IBM,宣布收回X86架構(基於8086(1978年)且向下相容的CPU指令集架構)的授權,IBM起初抵制但最後被迫跟進。英特爾從此控制了X86的生態,獲得獨占地位。

1989年英特爾推出486處理器,1993年推出新的處理器,應該是586,但因為數字不能註冊成商標,所以英特爾取了Pentium的名字。英特爾收回授權,超微則依照原來的X86架構,繼續進行與英特爾新處理器相容的設計,英特爾立刻對超微提出侵權訴訟,最終雙方和解,超微以4,000萬美金的代價取得X86架構的永久授權。

早期處理器在設計的時候,都盡可能的實現最多的指令,其優點是功能齊全、性能強大,缺點則是設計複雜,因為每個指令執行的時間不一樣,導致處理器在運行的時候出現不必要的等待,而且產生較多的耗能,這類處理器被稱為複雜指令集電腦(CISC)。加州大學柏克萊分校的一位教授因此提出了精簡指令集電腦(RISC)設計構想,主張只保留很少的常用指令,較為複雜的指令則利用常用指令去組合。英特爾當時也陷入兩難,是要擁抱較合理的RISC還是繼續沿用CISC,最後決定專注在CISC。因為Wintel已深植人心,且當時桌上型電腦對耗能較不關心,英特爾再次賭對。

6.飛利浦、ASML

飛利浦原本就有半導體製造業務,後來向GCA購入一台顯影機後開始研究顯影設備。然而因為研發陷入僵局,飛利浦決定找人合夥降低風險。Arthur Prado從哈佛畢業後回到荷蘭創辦了先進半導體材料公司(ASM,Advanced Semiconductor Materials),從半導體設備代理,後來轉型為半導體設備供應商,並於1981年成為第一家掛牌Nasdaq的荷蘭公司。1984年由飛利浦顯影設備分拆出來的ASML公司成立,最後的那個L就是顯影Lithography。ASML成立後的8年都靠飛利浦的資金、研發和訂單過活。

當顯影設備由LSI向VLSI演進的時候,ASML有機會彎道超車,但它們必須在2年內交出一台有上萬個零件的精密設備。ASML只好採取將絕大部分零件外包、自己則進行研發語組裝的策略。此外在ASML搖搖欲墜的時候,飛利浦還幫忙找到大客戶:台積電,同時Prado也撐不住,只好將其股份全數轉賣給飛利浦。

7.英特爾:摩爾定律的守護者

英特爾自1992年登上全球最大半導體企業的寶座,一坐就是25年。英特爾長年堅持10%以上的研發投入,堅定地按照2年一代的節奏追隨摩爾定律前進,就算產業處在衰退週期,英特爾仍然大筆投入。摩爾定律其實是一種自我預言的實現,且被證明是一種強而有力的競爭策略,因為如果你快於摩爾定律,會因為產品超前而失敗;如果慢於摩爾定律,則會面臨一堆競爭對手。如果摩爾定律是一種信仰,英特爾就是它的祭司,大概因為受Moore創辦了英特爾的影響,英特爾將延續摩爾定律為其使命。

8.DRAM市場三強鼎立:1991年全球晶片製造業進入8”時代(1980-1991年為6”時代,2000年開始進入12”),已接替李秉喆擔任三星會長的李健熙意識到,8”晶圓是難得的產業迭代機會,三星可以和競爭對手站在同一條起跑線上。風險中孕育著機會,想要彎道超車就必須孤注一擲,憑藉強大的成本優勢,三星從1992年開始稱霸DRAM市場至今。

海力士則源於現代集團,現代以汽車、造船、重型機械為主業,後來為了提高汽車的競爭力所以發展電子工業,於1982年啟動半導體項目。1984年現代電子向矽谷華人陳正宇購買了SRAM的設計,陳正宇則回台創辦了茂矽。亞洲金融風暴期間,韓國政府主導讓LG集團將子公司LG半導體賣給現代電子,2001年現代電子更名為海力士,並從現代集團分離出來。2002年承擔鉅額債務的海力士曾尋找買家,唯一感興趣的是美光,美光要是能併購海力士將一舉成為全球最大的DRAM公司,可惜最終海力士否決了收購提議。

相較三星與海力士靠自己建廠將DRAM做大,美光則是靠不斷併購。最關鍵就是亞洲金融風暴期間收購了德州儀器的DRAM部門,德儀躲過了日本廠商卻躲不過韓國廠商的追殺,結果便宜了美光(收購金額僅8億美金),美光從德儀取得重要的技術與研發實力,並獲得規模效應降低了成本。

9.台灣DRAM發展:1989年宏碁與德州儀器合資成立德碁半導體,在失去德儀技術支持後,宏碁於1999年將德碁買給了台積電,台積電將其改造成了晶圓代工廠。1990年台灣起動了「次微米計劃」(意思是小於1微米,目的在擺脫日、韓、美的控制,技術自主),由於台灣沒有相關技術,於是延攬在美國的盧志遠回台加入工研院。而盧志遠弟弟、在IBM工作的盧超群則從IBM回台創立鈺創科技。1994年次微米計畫發展出8吋晶圓次微米製程以及DRAM技術,於是打算和台積電、聯電一樣衍生民間公司,最後成立了世界先進。然世界先進不堪虧損,被迫退出了DRAM生產,最後在台積電的主導下轉型成晶圓代工廠。

1993年全球DRAM嚴重缺貨,精英電腦(主機板)董事長遂決定自行投資製造DRAM,成立了力晶,技術來自三菱電機的授權,並於1998年上市。然而不景氣逼得力晶要被聯電收購,在台積電注資成為其最大股東下,力晶也往晶圓代工轉型。至2000年DRAM景氣大好,黃崇仁殺回DRAM產業,豪賭12”廠最終獲得豐厚回報。力晶並與爾必達於2006年喝資成立瑞晶電子,2012年美光收購爾必達與瑞晶。

1995年南亞科成立,技術來自日本沖電氣(OKI)的授權,台塑為了解決晶圓供應,還與小松合資成立了台勝科。由於沖電氣退出DRAM,南亞科只好轉向與英飛凌合作,於2003年成立了華亞科(英飛凌原與茂矽合資成立茂德,然後來雙方鬧翻,英飛凌於是從茂德撤資,轉投資華亞科)。

9.俄羅斯與東歐、中東晶片產業的落後

冷戰時期因為西方技術的封鎖,社會主義國家全都被排擠到全球半導體產業鏈之外,無法分享到晶片技術的進步。俄羅斯錯過了晶片革命,也就錯過了電腦革命,錯過了網路革命,更錯過了移動網路革命。俄羅斯和東歐,以及中東地區今天相對落後的根本原因,就是錯過了半個世紀以來圍繞著半導體的訊息革命。P.S.:感覺這好像是「槍砲、病菌與鋼鐵」的現代版解釋。

10.晶圓代工產業:1995年聯電看台積電供不應求,一口氣和美加等11家IC設計公司合資成立了聯誠、聯瑞、聯嘉等3家晶圓代工公司。1999年聯電五合一(外加合泰電子)後,台積電不甘示弱收購了台灣第3大晶圓代工廠世大積體電路,並幾乎以每年興建一座廠的速度連續擴建了6座廠。摩爾定律其實有第二定律,那就是建廠成本平均每4年會翻倍,因此許多IDM廠對擴產都會猶豫,因為怕填不滿產能而產生虧損。

2000年正逢全球晶片製造從8”轉進12”的迭代,建一條普通12”產線的成本高達15億美金,當時正逢網際網路泡沫、911恐攻等影響,半導體產業低迷。但半導體產業一定要在行業低潮期建廠,三星電子正是抓住了從6”轉進8”的迭代機會一舉超車,於是張忠謀用力踩油門,竟然連續投資了3座12”廠(當時台積電一年獲利最多不過20億美金、最少時只有4億),將競爭對手遠遠甩在後面。

說過「男子漢必須要有晶圓廠」的AMD創辦人Sanders,認為處理器和DRAM必須得靠IDM,但張忠謀很早就表示只有DRAM適合IDM,他舉英特爾為例,英特爾設計處理器很厲害,但製造不行,因為台積電的成本是它的1/2,品質則比英特爾好2倍,台積電可以幫英特爾代工。如今20幾年過去,超微請台積電代工(超微將製造部門分割出來成立了GlobalFoundries),英特爾也將請台積電代工。

11.要是飛利浦都沒賣…:台積電成立時飛利浦是最大股東,後來陸續出脫。ASML是從飛利浦分割出去成立的公司,一度100%擁有ASML,結果ASML於1995年同步於阿姆斯特丹及紐約上市後,飛利浦立刻出讓一半股票,在1997年亞洲金融風暴以及2000年網際網路泡沫等低谷期陸續出清持股。恩智浦是2006年由飛利浦半導體部門分割出去的公司。現今台積電是全球最大晶圓代工廠、ASML是高階微影設備獨家供應商、恩智浦則是全球最大汽車晶片供應商,要是飛利浦都沒賣,其市值不知道要高到什麼地步。

12.亞洲金融風暴與日本半導體式微:亞洲金融風暴後日本各大巨頭紛紛放棄了DRAM事業,日電和日立剝離各自的DRAM部門,成立了爾必達。接著2001年網際網路泡沫引發DRAM跌價,東芝將DRAM業務賣給美光、三菱的DRAM部門也整合進了爾必達,從此日本DRAM僅剩爾必達一家。

2008年DRAM價格跌破成本,奇夢達首先倒下。1999年西門子半導體部門獨立出來成立了英飛凌,2006年英飛凌又將DRAM產業分拆後成立奇夢達,並在紐交所上市。但奇夢達遇到一個很大的技術問題,就是溝槽式(Trench)與堆疊式(Stack)的路線之爭,因為DRAM的基礎單元是由一個電晶體和一個電容器所組成(由對電容器充電與否來表示1或0),如果電容器是在電晶體底下挖個溝槽儲存就叫溝槽式、如果是在電晶體上方疊加就叫堆疊式。兩路線各有利弊,沒人能判定哪個技術較好。

結果將賭注下在溝槽式的奇夢達孤掌難鳴,選擇了堆疊式的三星、海力士、美光、爾必達則使堆疊式成本越做越少。2008年奇夢達瀕臨破產,結果德國政府與英飛凌都拒絕出資援助,奇夢達只好宣布破產。悲哀的是溝槽式DRAM雖然成本高,但優點是省電與單位面積小,更適合應用在移動產品。美光又透過收購奇夢達所擁有的華亞科股份,獲得了奇夢達溝槽式技術,在智慧型手機時代得利。

韓國的海力士挺過金融海嘯,2012年獲得SK集團入主(並改名為SK海力士),爾必達則沒那麼幸運,同年宣告破產,最終被賣給美光。爾必達倒下後,與其合作的茂達與瑞晶也撐不下去,美光買下爾必達後,也獲得了爾必達持有的瑞晶,加上力晶失去爾必達的技術來源,使美光完全控制了瑞晶。力晶再次轉型成晶圓代工,華邦不堪虧損也轉型微晶圓代工。到2015年美光以32美金收購南亞科所持有的67%華亞科股份,華亞科成為美光全資子公司,南亞科則成為台灣唯一以DRAM為主業的公司,全球DRAM市占率約為3%,排在三大後的全球第4位。

13.快閃記憶體Flash(中國稱DRAM為內存、稱Flash為閃存):NOR Flash或NAND Flash都是由東芝的舛岡富士雄博士發明,iPod就是靠Flash才有了「1,000 songs in your pocket」的廣告語,Flash市場也因此開始爆發。蘋果為了確保iPod及後來即將上市的iPhone能得到NAND Flash長期穩定的供應,於2005年底預付給三星、海力士、英特爾、美光、東芝各2.5億美金,這使得未成為蘋果Flash供應商的企業都被淘汰。而蘋果此舉也避免Flash市場像DRAM市場一樣出現三巨頭壟斷的局面。

Flash體積小、耗電量低等優點在隨身碟、移動硬碟、智慧型手機、平板電腦等用途越來越廣泛,隨著雲端和務聯網的發展,Flash的需求量還會持續增長。DRAM市場的增長速度相對緩慢,甚至某些領域還有被Flash取代的趨勢。所以能夠存活下來的DRAM公司都有Flash業務,它們能夠用Flash的利潤彌補DRAM價格競爭的虧損。至於發明Flash的東芝,後來因為核電業務的擴張與虧損(包括福島核電站的賠償),不得已分割了半導體記憶體業務,成立了東芝記憶體,後更名為鎧俠(Kioxia)。

14.晶片工藝有兩個發展方向,一是追求先進製程的工藝,按照摩爾定律快速迭代;二是在成熟工藝的基礎上做特色、滿足多樣化的訂製要求。特色工藝包括類比、射頻(RF)、功率、微機電系統等細分市場,電路結構設計相對簡單,但對加工工藝有特殊要求,批量較小、單價較高,可靠性要求高,需要長期的技術累積、客戶驗證。

德州儀器在電腦CPU敗給英特爾、DRAM業務賣給美光後,順應網際網路的興起,轉戰手機應用處理器,然而在3G移動通信技術上擁有壟斷優勢的高通,將其應用晶片與基頻晶片綑綁銷售,德儀最終退出了手機處理晶片業務,再次轉型類比晶片與嵌入式晶片領域。尤其在2011年收購國家半導體後,德儀穩居全球類比IC頭把交椅。

15.基頻晶片設計難度高,因為無線通信技術10年左右就會更新一代,這意味著在開始應用新一代技術的同時就得開始進行下一代技術的研發。如果沒有長期跟蹤,根本不可能跟得上無線通信技術的演進,也無法超過越來越高的專利門檻。蘋果A系列處理器名聞天下,卻也不敢進入基頻晶片的領域;英特爾靠收購英飛凌的基頻業務半路出家也沒成功。由於研發難度太大,全球基頻晶片的玩家越來越少,成功商業化的公司僅剩5家:高通、三星、海思、聯發科、展銳。

16.依靠中國政府的支持、中國廣大市場的支撐,DRAM這種同質化程度高的晶片,中國要誕生世界級的DRAM巨頭只是時間問題。近年的市場趨勢是,2019年美光率先擴大生產,三星與海力士也就跟著擴產,價格自然就下來了。三巨頭意圖讓中國廠家一進入市場就產生虧損、消磨其競爭意志。這也是半導體產業殘酷的競爭現實,領跑廠家在較短的折舊期間內高價銷售,獲取超額利潤和充沛現金流來支持高額資本支出,設備折舊完了就打價格戰,狙擊追趕者。所以正如趙偉國所說的,在積體電路產業,只有前3才可以生存,它不像其他產業,吃不到肉還可以吃點青菜,在積體電路產業,要嘛吃肉、要嘛挨餓。

一直以來,美光都是和三星一樣,以2年一代的節奏進行先進製程的量產。2019年以後美光將新產品研發改為1年一代,擺明了在銷量上、技術上都要超過海力士。因為美光知道,一旦中國廠家壯大後,它的老三地位最危險。

17.半導體製程演進:

(1)摩爾定律:電晶體數量保持不變的情況下,下一代新工藝的晶片面積是上一代的一半。那麼新工藝大約是老工藝電晶體尺寸的0.7倍,也就是電晶體會縮小0.7倍。而晶片工藝的發展也印證了這一點:從0.8μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm、10nm、7nm,5nm。

(2)半節點:但上述製程發展有點不對勁,因為製程很火的40nm、28nm、14nm不見了?這就牽涉到一個晶片製造常用的手段:shrink。一個工藝節點研發成功後,其研發成本是很高的。如果可以在這個工藝節點上持續優化,而shrink也是一種優化。它本質上是利用光罩(Mask)等比例縮放後,電晶體尺寸縮小一點,晶片仍然能夠正常工作,從而減少晶片面積、降低成本。

Shrink一般可以將電晶體邊長縮放0.9倍;整體面積就縮小0.81倍。這個過程又稱為晶片收縮(die shrink),而這些shrink後的工藝節點,也被人稱為半節點。例如: 40nm是45nm shrink後的半節點、28nm是32nm shrink後的半節點、20nm是22nm shrink後的半節點、14nm也可以看作16nm shrink後的半節點。把前面的工藝,乘以0.9就可以了。DIE shrink是晶片製造廠商來做的,和設計公司沒有關係。

(3)DRAM製程命名:DRAM市場的競爭要較處理器市場緩和些,工藝製程的發展也相對慢些。業界將DRAM在20奈米後的製程按照1X、1Y、1Z、1α、1β、1γ的方式命名。1X製程相當於16-19nm、1Y製程相當於14-16nm、1Z製程相當於12-14nm。而美光已發布其最新的1α製程技術,這代表著業界技術的最高水平。對於美光上一代1z DRAM 製程,1α技術將DRAM密度提升了40%。

18.場效電晶體:場效電晶體有4個組成部分,源極(Source)是電子的源頭、集極(Drain)是電子的去處、源極和集極之間傳導電子的通道(Channel)、閘極(Gate)是控制通道內的電流。當電流從源極流向集極時,電晶體將它讀做1、當電流不流動時,就讀做0。閘極與通道不直接連接,中間隔了一層絕緣體(氧化層、二氧化矽),但當晶片發展到45奈米以下節點時,絕緣層變得太薄,做不到完全絕緣,會有輕微的漏電,也就是量子力學上所說的隧道效應。解決之道是用性能更好的材料換掉原來的氧化物絕緣層、減少漏電。


但當到達28奈米以下節點時,又出現新的問題。原本通道越短,電子從源極跑到集極所需時間越少,而且電晶體的體積也可以隨之減少。但通道長度減少又會引發一個新問題:閘極控制通道通電的能力下降了。解決之道是FinFET(鰭式場效電晶體),在FinFET架構中,閘極呈類似魚鰭般的叉狀3D架構,可於閘極的兩側控制電路的接通與斷開,解決了電晶體做薄後的漏電問題,使得電晶體尺寸可以進一步縮小,開啟了3D電晶體時代,摩爾定律得以繼續演進。

19.台積電VS三星:張忠謀重返執行長的第一個重大決策就是將2010年的資本支出上調1倍多,達到59億美金。當時正處於金融海嘯期間,有2位獨立董事提出反對。事實證明張忠謀力排眾議建成的龐大產能,最後還不夠用,因為中國手機眾多品牌熱銷,加上4G換機潮所帶來的智慧型手機,多數手機的處理器都由台積電代工,台積電率先推出的28奈米製程技術迎合了智慧型手機的來臨,不僅銷量大、訂價也高。

台積電趁勝追擊,2013年率先將16奈米FinFET工藝投入試產。沒想到三星於2014年宣布從28奈米直接跨到14奈米製程(相當於台積電的16奈米),並開始量產。2011年在台積電的競業期限一滿,梁孟松即加入三星,梁幫助三星提前掌握FinFET技術,追上了台積電的進度。梁也意識到三星的20奈米製程處於落後,因此力排眾議,決定放棄20奈米技術、直接進入14奈米,結果三星成功從28奈米直接跨代到14奈米,並成功從台積電手裡拿下蘋果A9處理器的大單。自從蘋果於iPhone 4啟用自己設計的處理器,就一直由三星代工,直到A8處理器才被台積電搶走,A9表示三星又成功反超。但台積電立刻又攻克10奈米製程,於A10處理器又奪回蘋果訂單。

20.FinFET下的節點灌水:在28奈米節點前,半導體產業按照模摩爾定律的節奏前進:電晶體面積縮小一半,就能在相同面積的晶片中塞進2倍數量的電晶體。面積縮小一半、意味著邊長要縮小70%,所以從130、90、65、45到32奈米,都是這麼走的。又由於電晶體的長度與通道的長度差不多,所以也可以近似地當作是通道的長度。依照進度,從32奈米再往下走,應該是32奈米的70%、即22奈米,但因為此時遇到了技術瓶頸(漏電等問題),所以只做出了28奈米。再往下走,由於使用了FinFET技術,通道不再是一條直線,即通道的長度開始大於電晶體的長度,也就是通道長度不再與電晶體的工藝節點相關。

英特爾還是老實的把電晶體的長度做為工藝節點,從22奈米到20奈米,一步步往前走。然而三星偷雞仍然按照原有的70%模式來命名,20奈米的70%即14奈米,從營銷的角度看數字越小性能越強大,台積電、GolbalFoundries被迫跟進,從此就有了14納米的70%,即約10奈米、7、5、3、2奈米。業內認為英特爾的20奈米相當於台積電的16奈米或是三星的14奈米…,也就是台積電或是三星的節點數字相對於英特爾來說都是有灌水成分的。


21.晶圓代工的先進製程(以7奈米做劃分)只剩下3家在競爭:台積電、三星、英特爾,中芯國際想衝擊但卡在技術未能突破,GlobalFoundries和聯電都宣布停留在成熟製程,不再砸錢研發和投產更先進的製程。IDM更不用說,除了英特爾外,IDM在先進製程上的競爭一向落後於晶圓代工。IDM廠大多停止了對先進製程晶圓廠的投資,或是轉型為輕晶圓廠(Fab-Lite,意思是自身擁有成熟產品的8”產線,而把需要用12”生產的先進製程產品外包)。

22.ASML成為唯一:使用浸潤式顯影設備,193奈米波長所能做到的是10奈米(相當於台積電的7奈米),要再往前走就只能用極紫外光(EUV)顯影。顯影設備需要用反射鏡來傳導光線,而極紫外光的反射效率很低,每反射一次就要損失30%的能量,經過10幾次的反射後才能到達晶圓,能量剩不到2%,這就需要非常強大的光源,而且對光的集中度要求極高。英特爾為了突破193奈米,1997年就提出極紫外光方案,並說服政府,由能源部與英特爾牽頭摩托羅拉、超微、IBM、美光、英飛凌與能源部轄下三大實驗室(其研究範圍包含物理、化學、核武器、半導體產業、超級計算等領域),組織了EUV LLC聯盟。由於英特爾想拉ASML與Nikon入夥,美國認為Nikon未來可能會壓過美國,最終只讓ASML加入LLC聯盟。

EUV LLC科學家們用了6年時間回答一個問題:極紫外光顯影有可能實現嗎?最終驗證了是可行的,在EUV LLC完成使命解散後,由ASML牽頭,為了獲得充足的研發費用和穩定的客戶市場,ASML提出了利益綑綁的合作模式:要想拿到最先進的極紫外光顯影設備,英特爾、台積電、三星必須入股(然而原先規定的閉鎖期一到,三巨頭紛紛把持股賣掉)。但就算ASML也沒想到,花了超過11年才實現極紫外光顯影設備的量產。

ASML的供應鏈有80%在歐洲,其中超過一半在荷蘭,所以荷蘭不只有風車與鬱金香,它的基礎工業也很強。ASML一直採用輕資產的模式在經營,它只是一個整機組裝商,90%的零件都是外部採購,為何選擇輕資產模式,因為沒錢,但這也成為它領先Nikon的一個主要原因,Nikon的零組件主要都是由自己生產,即使它再強大,也無法與游5,000家供應商組成的供應鏈競爭。

23.中國半導體的實力差距

(1)晶圓代工:中芯國際中國排名第1、但國際上只排到第5(台積電、三星、英特爾、GlobalFoundries、聯電),華虹半導體(由宏力與華虹NEC合併)中國排名第2。從晶片製造來看,由28奈米轉進14奈米是一道關鍵的門檻,因為需要用到全新的FinFET工藝,半導體產業也據此劃分製程能力的先進與否。而7奈米是更先進製程的另一道門檻,因為得用到極紫外光顯影設備。由於GlobalFoundries與聯電都已宣布放棄7奈米以下製程的研發與投資,中芯國際要追趕的競爭對手就只剩下3家,但如果不能拿到極紫外光顯影設備,7奈米也會是中芯國際能夠生產晶片的製程上限。

(2)IC設計:前3強高通、博通、輝達都是美國企業,但中國以海思為首的晶片設計新勢力也不容小覷。由於手機晶片是目前人類最複雜的晶片,而且又有很大的市場,中國晶片設計龍頭如海思、展銳,與台灣的聯發科都是以手機晶片的設計為主。下一個戰場人工智慧晶片設計,也將延續中美分庭抗禮的局面。

(3)EDA工具:全球EDA晶片設計工具主要掌握在新思科技(Synopsys)、益華電腦(Cadence)、以及明導國際(Mentor,由西門子併購)。美國對中國限制3奈米EDA設計工具,中國力拚EDA工具自主化,包括華大九天等廠商積極布局,但與前3大廠商在高階先進晶片設計仍有明顯差距,且陸廠的客戶多以中國本土為主。

(4)類比IC:中國手機處理器晶片的興起,受益於中國擁有最大的手機市場、以及本土手機品牌的成長。中國同樣擁有全球最大的汽車市場、以及眾多電動車新創品牌,而且汽車電子成本佔電動車總成本65%的比例,可見汽車晶片市場的龐大。汽車晶片屬於工藝級晶片,質量要求與設計門檻大於手機晶片這樣的消費級晶片。但汽車晶片被美日企業壟斷,聞泰科技與韋爾股份都是靠收購才切入這塊市場。聞泰科技原為手機ODM廠,2019年以268人民幣收購了安世半導體(Nexperia),安世是恩智浦為了方便高通收購(高通收購面臨反壟斷審查,恩智浦遂將其標準產品業務部門分離並成立了安世半導體),結果高通放棄收購恩智浦,卻便宜了聞泰科技。韋爾則是在2019年收購了CIS大廠豪威(OmniVision),一舉進入全球IC設計前10大行列。美歐和日本的類比IC廠商擁有IDM很大的優勢。

(5)DRAM:三星、海力士和美林面臨中國長江存儲與合肥長鑫的挑戰。

(6)半導體設備:分前端製造與後端封測設備,晶片製造前5大廠商應用材料、ASML、東京威力科創(TEL)、科林研發(Lam)、科磊(KLA),中國製造設備產業鏈相對完整,但只有少數廠商能解決可用的問題。上海微電子是中國最先進的顯影設備製造商,但它還在準備65奈米的研發和認證,比ASML差上了好幾代。。中國大規模興建晶片廠以及中美貿易戰給了刻蝕(Etching)機廠商中微半導體很大的機會。封裝設備由ASMPT等4家廠商壟斷、測試設備日商愛德萬(Advantest)與美商泰瑞達(Teradyne)就佔了一半市場份額,中國廠商正在個別領域努力突破。

24.安謀與台積電:精簡指令集(RISC)敵不過Wintel聯盟,退出了個人電腦和工作站的領域,卻在移動時代捲土重來。因為複雜指令集(CISC)有個致命的缺點,那就是耗能太高。在個人電腦時代,消費者對耗電問題沒有太大的感覺,而在移動時代的智慧型手機和平板電腦,就得面臨續航的問題。

1990年在獲得蘋果和VLSI科技的投資後,英國的艾康電腦(Acorn)成立了獨立的子公司安謀(Arm),但由於蘋果牛頓掌上型電腦的失敗以及安謀自身實力的弱小,安謀無法自己賣晶片,被迫選擇一條新路:自己不生產晶片,甚至不設計晶片,只將晶片架構的知識產權(IP)內核(Kernel)授權給其他公司。晶片設計公司從安謀購買其所設計的微處理器內核,根據需要加入適當的外圍電路,構建符合市場需要的微處理晶片。通過這一合作生態,安謀快速主導了RISC微處理器的架構。移動智能產品的「IP授權+Fabless+Foundry模式」就此形成,安謀和台積電兩家公司分別完成了晶片上端架構設計與下端的晶片製造。安謀和台積電都誕生在島嶼上,這似乎不是巧合。正是因為缺乏腹地市場的支持,這兩家公司被迫走上專業分工的道路,在全球範圍內尋求訂單,由小公司成長為國際性的大企業。

25.英特爾、超微、輝達

賈伯斯在iPhone上市前曾詢問英特爾能否幫蘋果代工手機處理器。英特爾計算後發現如果想要從蘋果的訂單中賺錢,iPhone必須賣出一個在英特爾看來是個天文數字的銷量。英特爾當時的執行長Paul Otellini憑直覺認為應該接受蘋果提出的交易,畢竟蘋果那時剛剛在iPod上創造了一個銷量奇蹟。但英特爾最終還是拒絕了蘋果的訂單,後來iPhone的實際銷量不下英特爾預估數量的百倍。Otellini是英特爾第一個不具工程師背景的執行長,這讓他缺乏自信去做出有爭議的決策。

超微於2006年併購ATi,獲得圖形處理器的技術,試圖整合CPU與GPU,卻因太過自信多用現金收購造成超微財務吃緊,為了生存,超微甚至於2008年出售晶圓廠。蘇姿丰(1969-)30歲時在IBM擔任Louis Gerstner的特助,親眼看見當代最傳奇的企業再造過程,2014年蘇姿丰成為超微首位女性執行長。蘇姿丰將最大賭注押在個人電腦CPU的新架構Zen上,同時還在晶片製程上搶先英特爾,而這也被視為晶圓代工模式對IDM模式的勝利,因為超微的7奈米晶片是由台積電代工,英特爾則苦於自己的10奈米(相當於台積電的7奈米)晶片良率無法提高,耽誤了先進製程晶片的上市。

輝達的創辦人之一黃仁勳(1963)與超微的蘇姿丰有遠親關係,所以被戲稱為表舅與表甥女之間的戰爭。早期的顯示卡實際上只起到圖形的儲存和傳遞的作用,一切操作都必須由CPU來控制。後來工程師意識到圖形本質上是個能並行處理的任務:每個畫素的色彩可以獨立計算,不需考慮其他畫素,GPU因此誕生。2000年黃仁勳大膽提出自己的黃氏定律:GPU每6個月性能會提高一倍,輝達按照這個戰略每半年將產品升級一次,將眾多競爭對手一一超越,最終成為圖形計算領域的老大。CPU適合多功能處理,只能一步步連續計算,按照目前的技術能做到幾十核, GPU採用高度並行的方式運作,可以做到上千核。GPU的計算能力如此強大,在圖形處理之外還可以有更多的應用。輝達還在以遊戲為主業的時候,華爾街就有一些做高頻交易和金融量化的人用輝達的GPU跑交易,但這些人深受GPU編寫程式之苦。輝達的David Kirk說服黃仁勳發展CUDA技術,工程師們很容易在CUDA架構的基礎上編寫程式,輕鬆上手使用GPU來做並行計算。

26.人工智慧:現階段要讓人工智慧像人腦一樣能夠進行主觀判斷很不實際,人工智慧只能透過深度學習吃進海量數據,通過一定的演算得出儘可能準確的結果。深度學習的計算量巨大,需要在雲端完成,然後透過演算法在終端對新輸入的數據進行判斷。因此人工智慧被分成雲端訓練(training)晶片,如CPU、GPU、TPU等;以及終端推論(Inference)晶片,常由ASIC、FPGA晶片進行處理。

最常用的訓練晶片就是GPU,透過輝達的GPU個人電腦就可以變成超級電腦,因此為人工智慧的發展鋪平了道路。而在終端推論晶片輝達也有佈局,終端推論晶片的最大市場是汽車市場,輝達推出自動駕駛解決方案。但輝達在終端推論晶片的優勢不及GPU,因為那是一個非常碎片化的市場,誰也不可能做到一家通吃。人工智慧的終端推論晶片,其實就是AIoT(智慧聯網,AI+IoT,在IoT技術中導入人工智慧系統)晶片,通常佈署在智慧型手機、智能家居、自動駕駛汽車與各類AIoT設備中。AIoT晶片對數據吞吐量的要求較小,GPU在這一領域顯得大材小用。

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