《打造創新路徑》:進出摩爾定律的台積電,成為引領未來產業發展的先鋒

《打造創新路徑》:進出摩爾定律的台積電,成為引領未來產業發展的先鋒
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我們想讓你知道的是

台積電所做的就是一邊深化摩爾定律,一邊逐漸脫離它。如果說技術的推動是讓台積電能夠緊緊的捉住摩爾定律而穩定前行的動力根源,那麼市場的拉動與應用則是讓台積電能夠找到突破原有產業限制的活水泉源所在。

文:洪世章

台積電:進出摩爾定律

對於每一家半導體業者而言,創新既是建立在推進半導體技術的摩爾定律,也來自於回應、掌握與突破摩爾定律的挑戰,對於位處追趕經濟體、開創晶圓代工模式的台積電更是如此。在以下的篇幅裡,我們會指出,台積電對於摩爾定律的回應過程可以分成三個階段:1987至2000年、2001至2010年、2011至2019年,在每一階段中,行動的重心所在可分別稱之為「摩爾為王」、「深度摩爾」、「超越摩爾」。

一、摩爾為王,1987-2000年

在新創時期,台積電的策略行動重心是要能夠走進由摩爾定律所建構的產業組織裡,讓晶圓代工模式與摩爾定律融合在一起,進而讓半導體的發展從垂直整合漸漸走向垂直分工,也讓大家願意跟台積電有生意上的往來。換個比喻,台積電的行動可理解成一種「尊王攘夷」的策略,也就是在認知「摩爾為王」的價值體系之下,藉由尊勤摩爾定律的過程,取得攘斥對手、建立市場所需的資源與正當性。

1985年,張忠謀回到台灣擔任工研院院長,不久之後,就根據他過往在美國工作經驗所知向政府提出設立台積電,雖然政府同意,但同時也希望能夠分散風險,就如政務委員李國鼎當時所言:「台積電不能成為一家國營事業,失去活力,行政院開發基金只能投資48%,剩下的52%股份必須找民間廠商。」但對於這剩下的52%股份,在大家都不看好晶圓代工模式下,除了幾家台灣的民間企業勉強同意(包括台塑、華新麗華、裕隆、台聚等),很難找到其他廠商願意投資。

張忠謀運用在美國做事的經驗與關係,找上Intel、Motorola、TI、AMD(Advanced Micro Devices;超微)等大廠,都表示沒有意願,特別是當張忠謀向Intel的執行長Andrew Grove與AMD的執行長Jerry Sanders(傑瑞桑德斯)請益,也都獲得負面的評價。其他如IBM與日本的廠商也都不認為晶圓代工會成功。事實上,當時業界普遍流傳著Jerry Sanders的名言:「真男人要有自己的晶圓廠(Real men own fabs)」。

最後,政府透過台灣Philips的總裁羅益強,說服荷蘭總公司,剛好那時Philips也有半導體元件的需求,因此就由Philips出資27.5%,成為台積電最大的民間法人股東。成立之後,大家還是都不看好。「在新竹科學園區裡,管理局批准台積電租的土地,比起同業狹小,前面的道路也窄。」原因就是認為台積電終究會被飛利浦收購,所以不願意批給它好的地點(楊艾俐,1988:143)。

不只社會不認可,技術也是一大問題。初創時期,台積電只有3.0與2.5微米的製程技術,落後國際大廠兩個世代,從摩爾定律來推估,也就是四年的技術門檻。相比之下,同時期台灣半導體技術最領先的就是聯電,作為一間傳統的IDM,在日後還開發出第一顆本土製造、與Intel x86相容的微處理器。技術的落後,加上新之不利所帶來的不確定性,讓台積電在爭取訂單上困難重重。

1988年Intel的執行長Andrew Grove來台灣訪問,因為Intel也正在尋找國外代工機會,就在張忠謀與總經理James Dykes的引介下,來台積電的晶圓廠參觀。Grove當下對台積電3.0微米製程的高良率印象深刻,但也提出兩百多個刁鑽的問題當作功課。Grove回美國後,台積電就盡全力把這兩百多個問題都給解決了,Grove便答應給台積電代工微控制器和晶片組的訂單。在經過長達一年的認證程序,1989年台積電得到Intel的認證。自此之後,美國的一些IC設計公司(例如Altera),也才願意大大方方跟台積電合作。就如杜甫《前出塞九首.其六》所言:「挽弓當挽強,用箭當用長。射人先射馬,擒賊先擒王。」

在製程微縮的競賽中,Intel的認證,讓原本連取得比賽資格都有問題的台積電,得以跨過了正當性問題的第一道門檻,而得以跟其他半導體業者,平起平坐的一起同場競技,追趕摩爾定律。台積電的客戶數量從1987年的十五個,到了2000年,客戶數超過了三百個。客戶不僅有IC設計業者,還有傳統的IDM,美國前五大半導體廠商—包括:Intel、Motorola、TI、National Semiconductor(國家半導體)、AMD,除了TI,其餘四家都是台積電的客戶。

在技術發展上,站穩腳步後的台積電,開始緊緊的跟著Intel與摩爾定律。這時對台積電而言,摩爾定律也有點像是電影《哈利波特:神秘的魔法石》(Harry Potter and the Philosopher’s Stone)的「飛天掃帚」(broomsticks),讓台積電可以穩穩地騎上它,去打一場半導體的魁地奇大賽,奪取大家都夢寐以求的金探子——也就是無窮的應用市場。

從1987年的3.0與2.5微米,直到2000年主力製程為0.18與0.15微米,並開始著手研發0.13微米的技術,台積電始終確保沒有落後Intel太多。此時期,台積電除了能夠代工客制化的邏輯IC,像是場式可程式閘陣列(field programmable gate array;FPGA)等特殊應用積體電路(ASIC),還能夠生產高階處理器與NVIDIA的繪圖晶片(GPU),甚至有能力把製程技術移轉給傳統的IDM,像是於2000年,把自己的快閃記憶體製程技術,移轉給Motorola和National Semiconductor,是第一次晶圓代工廠技轉給IDM的案例。

台積電的成功,讓晶圓代工這種新的商業模式,快速融入全球電子生產的體系裡,加速半導體的專業化(Kapoor, 2013),同時也刺激更多的晶圓代工成立,像是以色列的TowerJazz(高塔)成立於1993年;新加坡的Chartered,在1995年進軍晶圓代工;聯電也在1995年從IDM轉型為晶圓代工廠,與台積電並稱「晶圓雙雄」。2000年中國的中芯國際在上海成立,不僅把台積電當成假想敵,也大舉挖角台積電的人馬。

張忠謀APEC發表約3分鐘談話 聚焦兩主題
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對於台積電而言,之所以可以走入由摩爾定律所建構的產業組織裡,跟張忠謀個人的產業經歷與社會連結有很大的關係。張忠謀18歲以後就在美國求學與工作,任職過Sylvania(希凡尼亞)、TI、GI,國籍上早已是美國人了,這樣的身份與認同,一定有助於降低客戶的戒心,讓對方認為是自己人。過去的人生經歷讓張忠謀從一個中國出生的華人,在文化與思想上,散發出濃濃的美國氣息,其純美式作風也直接影響台積電的組織文化(張忠謀,1998)。

這個「洋味」對於面對制度的台積電而言,是個有用的工具,無論是摩爾定律、NTRS、ITRS,根本上都是美國人主導的遊戲規則,而在1980與1990年代,美國不僅是全世界最重要的技術創新來源,也是最大的半導體市場,若想要在全球半導體產業生存與壯大,學會和美國人打交道、做生意,就得讓美國客戶認為你是他值得信任的夥伴,特別是面對日本的崛起,更會讓美國人對亞洲新興國家有所戒心。

這個「洋味」在當時的台灣是很少見的,像是聯電第一任董事長方賢齊,是典型的中國技術官僚,技術做得很好,但未必能和美國人打交道;聯電後來的董事長曹興誠,出生在台灣的軍人家庭,也不太具備這個技能。因為領導人的背景差異,台積電與聯電走上不同的道路,由一位美籍華人擔任董事長,加上台積電的前二任總經理——James Dykes (1987/02-1988/07)、Donald Brooks(1991/02-1997/04),以及北美業務總經理Stephen Pletcher,都是土生土長的白種美國人,能夠讓台積電比較容易和美國客戶打交道,並跟著美國的產業走,或是說比較容易在摩爾定律上不脫隊。

再舉個例子,台積電所有的晶圓廠裡,十二廠在竹科,也是台積電的總部所在,十四廠則在南科,中間直接跳過十三廠,這是因為在西方世界裡,「13」是個不吉利的數字,美國客戶不會喜歡自己的產品是在十三廠製造的,Intel本身也沒有十三廠,這個道理就像華人不喜歡「4」這個數字,但台積電過去其實有過四廠(後來合併到三廠,主要生產DRAM)。

可以得知,形塑台積電獨特風格的正是美式文化。另外,台積電也是台灣第一家在美國上市的企業(1997年),這除了是因為主要客戶都在美國,也是讓它看起來更像是國際級(或是更具有美國味道)的公司。台積電也是全台灣第一家引進外部董事的企業,2002年,聘請麻省理工學院的Lester Thurow、哈佛大學的Michael Porter(麥可.波特)、前英國電信執行長Peter Bonfield,擔任外部董事,這種作法跟傳統的台灣家族企業非常不一樣,也讓它更容易得到國際社會與半導體產業的認可。

簡而言之,張忠謀的個人特殊身份與制度連結,一方面讓他可以站在台灣的產業系統外圍找到創新之機會點,而在相信「遠來的和尚會念經」的政府部分裡,又可以發揮影響力、建立所需的資源。另一方面,他的美國經歷又讓他可以「上高樓,望盡天涯路」,看到晶圓代工的機會,以及融入國際半導體產業,站在相對核心的位置,獲得主流廠商的認同。就在這樣的左右逢源過程中,即便是面對新之不利的台積電,也得以克服難關,讓晶圓代工成為可以獲利的商業模式。半導體技術的競爭,也進入了「Intel領跑、台積電加速、聯電與中芯國際追趕」的時代。

二、深度摩爾,2001-2010年

在這個時期,為了能夠找到增長的突破點,台積電從單純的迎合與趕上定律,轉而需要更深一層或是擴大摩爾定律所指引的創新機會所在。在概念化台積電與摩爾定律的互動關係上面,如果前一個階段(1987-2000年)台積電的重心是融合摩爾定律,那麼這一個階段就要逐漸的轉而採用「解耦」(decoupling)的策略(Battard, Donnelly, and Mangematin, 2017;Pache and Santos, 2013;Westphal and Zajac, 2001),也就是表面上仍然服從摩爾定律對於製程微縮的要求,但實際上透過強調產能領導的重要性,逐漸把營運的重心從摩爾定律脫離出來,以求不再為既有大家所服膺的藍圖軌跡所限。

這種從原本服膺「摩爾為王」的作法,轉而強調「深度摩爾」的「若即若離」關係(Deephouse, 1999),讓台積電一方面可以繼續依附在摩爾定律下發展,取得業界認可的廣泛正當性,而從這裡汲取的資源,在另一方面,又可以資助台積電探索更多的可能性,突破摩爾定律的限制,成為引領未來產業發展的先鋒。如果依附摩爾是「剛性」的要求、是技術利用(exploitation),那麼挑戰未來的另種可能就是強調「柔道」的力量、是技術探索(exploration),所以台積電在這時期的策略也可以理解成一種「剛柔並進」與「剛柔並濟」的方式,以因應產業競爭與永續成長的挑戰(Andriopoulos and Lewis, 2009;Gibson and Birkinshaw, 2004;Greve, 2007;March, 1991;Lavie, Stettner, and Tushman, 2010;O’Reilly III and Tushman, 2008)。

台積電之所以會有這樣的策略轉變,最主要的源起就是因為從2001年開始,學界與業界已經開始對於摩爾定律未來是否繼續有效性,有一些廣泛的討論(Forbes and Foster, 2003;Lundstrom, 2003;Meindl, 2003)。深嵌其中的台積電,因為實力尚不足以挑戰Intel或其他國際大廠的領導地位,也就是還不能與摩爾定律這個母體「斷奶」,因此還是必須依附在摩爾定律底下匍匐前進,甚至是必須盡力維繫與捍衛摩爾定律的有效性,以避免讓晶圓代工的模式遭遇正當性的危機。據此,努力追求製程微縮,讓技術的發展繼續沿著摩爾定律的藍圖而前進,就是重要的任務。台積電與聯電在0.13微米的競賽,就是關鍵的一役。

2000年左右,半導體技術進入新的紀元,從0.13微米開始,為了讓摩爾定律繼續走下去,必須採用新的元件材料。在0.15微米以前,半導體主要以鋁作為導線材料,但是按照原有的作法,0.13微米是做不出來的,在1997年IBM就發表以銅取代鋁的方案,銅的電阻是鋁的三分之一。自此之後,所有半導體廠商都在研發0.13微米的銅製程技術(Lim, 2009)。

台積電和聯電在銅製程的研發上,卻做出完全不同的選擇,台積電選擇自行研發,但剛完成與十餘家IC設計公司結盟的聯電則選擇和IBM合作,並停掉台灣開發團隊,轉進到紐約。2000年,台積電領先聯電研發出0.13微米的銅製程技術,很快就量產,並且在其他公司受到網路泡沫影響而業績滑落之際,大幅提升市佔率。自此以後,台積電就超越聯電,成為台灣第一大半導體公司。

台積電在追趕摩爾定律的路上,浸潤式微影技術的開發也是一個重要的轉捩點。2001年之後,乾式曝光機(mask aligner)的發展遇到技術瓶頸。原本半導體製造廠透過這種特殊的設備,可以把IC設計業者事先設計好的路線圖,根據光的原理蝕刻在晶圓上面。當時主流的設備商,像是尼康與佳能,都在193奈米波長下設法維持摩爾定律,卻一直沒有實質進展。2002年,台積電的林本堅改以水為介質,提出以浸潤式微影取代乾式微影,使得157奈米波長的曝光機可以達到193奈米的效果,讓台積電成功引領產業技術走向。

在半導體設備中原本不算主流的ASML,因為配合台積電的浸潤式微影開發新一代曝光機,也成為半導體設備中的主流。從此以後,台積電一直保持落後Intel一年以內的差距,穩穩的成為半導體先鋒部隊一員。浸潤式微影的技術,不止讓台積電可以繼續在摩爾定律所規劃的藍圖上繼續前進,穩定的汲取半導體與相關產業的市場資源,也讓台積電的製程技術擠身成為真正的國際一哥。

除了技術的突破以外,台積電也繼續宣導並強化「虛擬晶圓廠」(virtual fab)的概念,來擴大解釋摩爾定律的內涵。雖然虛擬晶圓廠的概念早在1997年就已經提出,但真正能夠深入人心,成為業界普遍的制度化信仰,則是要到2001年之後。其時,12吋晶圓開始逐漸取代8吋晶圓,但因為要蓋一間全新的12吋晶圓廠,成本至少就要30億美元,因此,台積電藉由虛擬晶圓廠的概念,一方面強化自己晶圓代工的重要性,另一方面說服IDM逐漸放棄投資設廠,把訂單轉交給台積電來代工,讓它們彷彿擁有一間專屬的晶圓廠。

透過虛擬晶圓廠或虛擬整合的市場定位,除了將台積電與產業的主流與領導廠商更加牢牢的綁在一起外,也不會與強調垂直整合與 IDM模式的摩爾定律有太嚴重的衝突空間。在這之後,台積電的客戶數量急遽攀升,尤其是IDM的比重越來越高,也加速了美國半導體產業從製造移往設計。

同時間,為了讓虛擬晶圓廠的概念更加的深入人心,台積電除了不斷的強調顧客關係的重要性外,也提出「產能領導需求」訴求,也就是要在產能上保持絕對的領先,讓客戶能夠絕對放心;例如,在2000年,台積電併購德碁半導體和世大積體電路,就是為了擴充產能。半導體產品,特別是DRAM,有一種類似期貨選擇權的市場不確定性,供給與需求時常是在不均衡的狀態,半導體產業的資本支出又非常龐大,如果供過於求(產能過剩),廠商很容易虧損(日本的DRAM廠就是靠政府補貼才能夠壯大)。因此,隨著12吋晶圓世代的到來,很多IDM為了避免產能過剩所帶來的虧損,對晶圓廠的投資會比較保守。

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台積電的產能領導需求主張,讓晶圓代工從原本的被動分單轉變為主動出擊的生意模式,也就是說讓半導體的產業關係從原本的「產品為先、製程為後」,轉變為產品與製程的並行牽引關係。亦即在滿足摩爾定律對技術的要求時,產能也是非常重要的。張忠謀認為,半導體每五年會有一次不景氣,這「不妨稱之為『張氏定律』」,但即便產能有過剩的疑慮,台積電也要不斷地擴充,確保客戶有足夠的產能可以利用。

這種產能為先的看法,也反應在張忠謀決定在2009-2010年金融風暴後加大資本支出的做法上(從原訂的27億美元,大增至59億美元)。「張氏定律」除了繼續強化虛擬晶圓廠與摩爾定律的觀念外,也想辦法開了一扇窗,期許在摩爾定律的框架之外,由張忠謀領軍的台積電也能開創新的遊戲規則,找到專屬於自己的成長道路。

換言之,台積電所做的就是一邊深化摩爾定律,一邊逐漸脫離它。如果說技術的推動是讓台積電能夠緊緊的捉住摩爾定律而穩定前行的動力根源,那麼市場的拉動與應用則是讓台積電能夠找到突破原有產業限制的活水泉源所在。張忠謀就曾說:「摩爾定律……還可維持十至十二年,在那之後,應用方面的發展會趕上技術。」具體而言,2000年中期以前,原本半導體的市場應用都是以個人電腦為主,在Intel的唯一領銜之下,市場的應用與發展空間其實不大。2007年,Apple發表第一代iPhone,揭開了智慧型手機市場的序幕,同時也讓半導體的應用能夠有更多的可能與發展空間,而讓台積電打開這個機會大門的最重要一役,就是28奈米的研發。

2007年,當半導體產業處在45奈米世代時,根據摩爾定律的微縮指示,下一世代應該就是32奈米(45的0.7倍是31.5,約略是32)。而正當聯電、Samsung、甚至是Intel等廠商們都專注在此時,台積電卻直接推出不在摩爾定律的技術藍圖中28奈米,讓對手措手不及。28奈米讓台積電搶先贏得Qualcomm、Nvidia等 4G智慧型手機晶片的大單,成為台積電有史以來最賺錢的技術,幫助它提升到與 Samsung、Intel直接競爭的國際水平。台積電之所以能夠跳脫出產業既有的邏輯,推出大家都沒想到的28奈米,最主要的原因就是來自於市場端的回饋。

強調「寧使天下人負我,不使我負天下人」的台積電,長久以來已經發展出與客戶之間的密切關係,因為代工業務之故,客戶之組成有相較其他IDM廠商更為多元,隨著市場的殺手級應用從電腦轉往手機,台積電的產品也從先前的少樣多量,轉變為多樣少量。值的注意的是,需求面的驅動創新,一直是半導體發展的主要動力(Adams, Fontana, and Malerba, 2013)。

多元客戶的無私分享,再加上多元化市場產品應用的回饋,讓台積電得以意識到28奈米的應用潛力,進而突破原有的技術認知障礙,找到新的藍色商機。另外,28奈米這一節點的創新,也證明了半導體產業並非只能服從摩爾定律,當跳脫出原本的遊戲規則,推出28奈米來搶佔新興應用與潛在功能的機會時,反而讓原本技術落後的台積電有機會威脅到Intel與Samsung。

相對來說,這時台積電最重要的競爭對手Samsung,之所以一直恪遵摩爾定律,就是受限於它作為IDM廠商的本質。另外,Samsung一直以來以生產DRAM或其他標準產品為主,產品的特色是少樣多量,即便也有代工部門,但在財閥集團內用需求的主力引導下(Mathews and Cho, 2000),客戶的組成就會比較單調、連結度也不會太高(至少相較於台積電而言)。

在市場訊息的回饋有限,而技術的推動又是如火如荼的展開之際, Samsung自然而然會是專注於在32奈米的追趕比賽中,而忽略了28奈米的可能機會。同樣的,Intel之所以忽略28奈米,最主要的原因之一就是因為它一直都是摩爾定律的捍衛者,技術的發展都是根據設計規則(design rule)而行,自然也無法跳脫出既有的產業框架。

總結而言,台積電的制度解耦策略,讓它可以一方面依附在摩爾定律之下,取得成長所需的資源,包括浸潤式微影技術的突破,以及虛擬晶圓廠概念的提出,都在強化這方面的作為。這種穩紮穩打、善用現有的制度連結機會,對於像台積電這般從後進國家出發的創新者而言,似乎特別重要(Hung and Tseng, 2017;Mathews, 2006)。

另一方面,台積電也想方設法要突破產業的限制,否則它只能算是一個賺取一般利潤水準的普通產業玩家,手機應用的崛起,提供了它這樣的機會。手機所提供的多元應用,再加上產能的持續與客戶的多元發展,讓台積電可以找到28奈米的突破點,而在日後成為真正引領半導體製程創新的領頭羊。

(文未完)

書籍介紹

本文摘錄自《打造創新路徑:改變世界的台灣科技產業》,聯經出版
作者:洪世章

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責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航