美國要恢復半導體制造國

在美國拜登政權提出將美國恢復為半導體制造大國之后，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）新建兩個使用最尖端EUV（極紫外光刻）曝光設備的7納米半導體工廠。其中一棟用于處理器方向，另一棟用于代工（Foundry），目標是在2024年啟動運營。

進入2021年以來，車載半導體供不應求的問題愈發嚴重，全球汽車廠家相繼減產。此外，全球唯一 一家實現5納米工藝的臺灣TSMC的代工訂單紛至沓來，因此，用于智能手機、PC、服務器等各種方向的半導體都出現了供給不足的情況。

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，且3月19日瑞薩工廠發生火災，都促使了車載半導體供給緊張。此外，2月12日，美國得克薩斯州突發寒流，導致三星電子的Foundry、車載半導體的全球TOP1—-德國英飛凌、TOP2的荷蘭NXP（恩智浦）的半導體工廠分別停電約36小時，再加上溶液管道被凍壞，又延長了恢復生產的時間。另外，各家半導體廠商都在竭力保持運營，如由于臺灣供水不足問題日益嚴重，日均需要約20萬噸水的TSMC采購了100只儲水量為兩萬噸的水箱。

一言以蔽之，占Foundry領域約55%份額的TSMC的產能正日益緊迫、地震和寒流導致停電、干旱等自然災害、火災等因素導致全球半導體供給不足問題日益嚴重。

半導體已成為戰略物資

2018年，全球范圍內半導體出貨金額達4，688億美元（約人民幣30，472億元），出貨數量達1兆多個（如下圖1）。全球總人口約76億，因此，粗略計算一下，全球平均一人一年消費約62美元（約人民幣422.5元）、132個半導體。此外，今年（2021年）的半導體出貨金額、出貨數量都很有可能超過2018年的實績，達到歷史最高值。

圖1：全球半導體出貨金額、出貨數量。（圖片出自：WSTS的數據、筆者的預測）

已經有觀點認為“半導體已經成為戰略性物資”。如果沒有半導體，所有產業都無法運營，此外，人類的文化生活也無法繼續下去。因此，拜登政權提出了要將半導體的生產撤回美國的政策，這也是英特爾進軍Foundry的理由所在。

英特爾曾于2012年初進軍Foundry行業，后以失敗告終。因此，此次進軍是英特爾的第二次挑戰。但是，筆者認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業界強大的理由，推導出英特爾無法在Foundry業界順利運營的結果。

英特爾10納米失敗、開始Tick-Tock（工藝年-構架年）模式

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

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

Tick-Tock（工藝年-構架年）模式是一種交替進行“微縮化”、“更新設計”以推進處理器進步的商業模式（Business Model）。比方說，在2015年不更改上一代的理論設計和掩膜圖案（Mask Pattern），直接從22納米進入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，僅更新設計，且被稱為“Tock（設計年）”。

然而，在英特爾從2016年的14納米進入2017年的10納米之際，由于10納米工藝的啟動失敗，導致此模式的延續失敗。結果即如下圖3所示，被TSMC遠遠甩在了后面（TSMC于2018年量產7納米、2019年采用尖端EUV、量產7納米+）。

圖3：邏輯半導體與Foundry的技術走向圖（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。因此，如果英特爾在2019年之前量產了10納米，就不會被TSMC超越了。但是，直到2020年英特爾也沒有順利量產10納米，在2020年第二季度的財報中，屆時的CEO--鮑勃·斯旺先生指出：“到2022年，英特爾會決定究竟是繼續進行工藝技術的研發、還是擴大Founry業務”，并且暗示了“在7納米以后，可能會將業務委托給TSMC代工生產”。

如上所述，英特爾連續在尖端工藝的啟動上遭遇了失敗，能否在2024年順利啟動7納米（采用EUV曝光設備、相當于TSMC當下量產的5納米）工藝，還是無從得知。

但是，實際上，英特爾能否在Foundry方面獲得成功與尖端工藝的啟動并無太大關系。

那么，問題何在呢？自2016年開始的Tick-Tock（工藝年-構架年）模式才是英特爾Foundry 業務能否成功的關鍵所在。

TSMC的Foundry業務是什么樣的？

下圖4是近六年來TSMC的各個世代的半導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5納米工藝的Foundry廠家。

圖4：TSMC的各個世代的半導體銷售額（~ 2020年第四季度）。（圖片出自：筆者根據TSMC的財報制作了此表）

但是，TSMC的競爭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的傳統型半導體、也擁有最尖端的5納米工藝，可以說TSMC一直在量產所有世代的半導體。

此處即為TSMC和英特爾的差異所在。對于TSMC而言，當量產后的世代不再具有尖端技術優勢時，依舊會繼續生產，而且這會給TSMC帶來巨大的利潤。此外，尖端半導體是在傳統世代的基礎上層層堆疊而成的。

的確，對于高性能PC和服務器而言，必須要采用由尖端工藝制造的半導體。但是，也有很多最新款的電子設備采用的是傳統世代的半導體。如圖1，在2018年半導體的出貨數量達1兆多，即證明了這一點，其中大部分的半導體不是由尖端工藝、而是由傳統工藝生產的。TSMC競爭力的源頭之一在于其能夠生產各個世代的半導體。

與此相對，英特爾僅能生產尖端工藝（當下的尖端世代為：14納米-10納米）的半導體。即使英特爾在2024年量產7納米（相當于英特爾的5納米）、并開始Foundry業務，也僅能生產14納米以后的半導體。因此，就工藝的進步而言，可以說英特爾幾乎無法滿足2，000多家Fabless企業的要求。

半導體種類紛繁

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

圖5：TSCM生產的各種各樣的半導體產品。（圖片出自：筆者摘選自TSMC發布的2019年度報告）

即使是用于某種特殊用途的邏輯半導體（Application Specific Integrated Circuit、ASIC），也分為消費電子方向、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WSTS的數據制作了此圖）

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

Foundry業務的本質在于可進行多品種、小批量生產。為了滿足2，000多家Fabless企業的代工要求，TSMC運用各個世代的工藝（從傳統世代到最尖端的世代）為客戶生產各種各樣的半導體產品。

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

總之，英特爾的業務模式是“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和服務器、智能手機兩個方向。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業務嗎？至少是無法模仿TSMC的業務模式。

設計由TSMC制定

TSMC通過運用自身的各個世代的工藝來生產各種各樣的半導體產品，在Foundry領域占有一半以上的份額（如下圖7）。就主要原因而言，有觀點認為是因為TSMC是生產半導體的專家，僅需要匯集資源于工藝技術就可以了。

圖7：Foundry的銷售額占比。（圖片出自：DRAM eXchange）

作為TOP2的三星電子在生產處理器（用于三星Galaxy）之前，需要自行設計。因此，需要在設計部門投入較多的技術人員，也需要進行大規模的設計投資。

但是，TSMC之所以能夠在Foundry領域占有如此大的市場規模，其自身的尖端工藝技術自不必說，TSMC的設計技術也是重要原因。

理由如下所示。

比方說，TSMC在發布5納米技術之際，為了Fabless企業，在被稱為EDA（Electronic Design Automation）的設計工具中，籌備了“Cell Library（單元庫）”。在“Cell Library（單元庫）”中籌備有英國ARM的處理器內核（Processor Core）、美國德州儀器（Texas Instruments， TI）的數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、各種存儲半導體的Cell（也叫“IP”）。

TSMC不僅保證了以上這些Cell的可操作性，還完成了它們相對應的生產工藝。因此，Fabless企業僅需像排列樂高積木一樣將“Cell Library（單元庫）”中的Cell 排列起來，就可以設計出需要的半導體。而且，TSMC會為他們生產半導體。

如果Fabless企業不使用“Cell Library（單元庫）”、而從零開始設計半導體的話，其設計的半導體可能無法工作。或者說，大部分情況下是無法工作的。此外，即使勉強可以工作，也無法得知生產的良率如何。

然而，TSMC擁有服務于各個世代的、各種半導體的“Cell Library（單元庫）”。運用“Cell Library（單元庫）”，Fabless企業能夠毫無風險（No Risk）地設計半導體。而且，TSMC會對Fabless企業設計的半導體負責。即，作為生產專家的TSMC通過控制設計，獲取Foundry的市場份額。

英特爾永遠也無法成為TSMC

15年前（2006年），筆者擔任同志社大學教師之時，原九州工業大學的川本洋教授告訴了筆者TSMC的優勢所在。

全球的Fabless企業只要連接到TSMC的“Cell Library（單元庫）”，任何時候、任何地點、任何人都可以進行設計。（下圖8）

圖8：任何時間、任何地點、任何人都可以進行同樣的設計。（圖片出自：筆者基于九州工業大學·川本教授的設計學習資料制作了此圖）

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，其利潤就增長一份！

圖9：Oligopoly of SOC Business。（圖片出自：筆者基于九州工業大學·川本教授的設計學習資料制作了此圖）

TSMC之所以在Foundry方面有壓倒性的優勢，原因就在于以上這種結構模式，其在工藝技術方面的領先地位是其優勢的源頭所在。

而如今，英特爾卻要進軍TSMC獨霸的Foundry領域！但是，英特爾卻永遠也趕不上TSMC。因此，即便英特爾竭盡全力，也無法戰勝TSMC。

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