《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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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。

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。