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矽盾神山:台積電的戰略大變局

【台積電的製程優勢】先進製程瞄準AI高效能運算,成熟製程搶佔電動車大餅

2022/10/19 ,

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莊貿捷

Photo Credit: 關鍵評論網
莊貿捷

莊貿捷

嗨^^

我們想讓你知道的是

如何把一座高樓大廈設計圖縮小一塊晶片,並且利用技術製造出來?這就是台積電「先進製程技術」領先全球的工藝,他們瞄準未來的高效能運算(HPC)搶得人工智慧商機,又再擴大「成熟製程的產能」,一步一步吃下電動車產業的大餅,成為了台灣的矽盾神山。

每一個時代裡頭,產業界都會積極尋找一項新產品,摸索出催動經濟成長的引擎。

從發明「電腦」到後來誕生的「智慧型手機」都引領近代商業,亦改變了全球地緣政治的樣貌。過去十多年來電腦、智慧型手機等消費性產品,造就了台灣包含台積電(TSMC)、大立光(LARGAN)與鴻海(Foxconn)等企業壯大,同時也推動韓國三星(Samsung)崛起。

電腦產業的代表是微軟(Microsoft ),而目前智慧型手機指標公司則是蘋果(Apple)。

以蘋果來說,2021年《金融時報》分析iPhone 13 Pro Max(256GB)零組件發現,成本由高而低依序是:OLED面板、相機模組、影像感測器(CMOS)、快閃記憶體和邏輯晶片,這些零件技術分別由美日韓台等國所把持,它們各有競爭又相互合作,推動了數十年以來半導體業的步伐。

而作為半導體標竿的台積電,未來又有什麼利基市場呢?

高效能運算(HPC)是台積電發展的下一個「頂樑柱」

千禧年後,所謂先進技術多應用於智慧型手機,但盛極必衰是千古不變的道理,手機於2010年創下最高成長紀錄,又在北美、西歐、日本和亞太等成熟市場滲透率到達頂點後,產業飽和疲態顯露。

也意味以手機為主的供應鏈正在快速凋零,代表業者是OLED面板為主的韓國三星、相機模組的台灣大立光,近年兩者財報來看,均有下滑的態勢。以大立光為例,高階鏡頭市場逐漸飽和,後起之秀(中國玉晶光、中國舜宇光學)猛烈追趕下,股價一瀉千里。

那台積電是不是也會步入那樣的後塵?正當產業界苦惱下一波成長動力時,高效能運算(HPC)如閃耀的北極星給了一個方向。

HPC產業可謂是明日之星,用於動畫與特效、剪接影片和活動直播的效能;更重要的是HPC技術掌握打開人類對於人工智慧領域之門,衍伸出像是臉部、語音辨識和各類無人機、各類載具的發展。

半導體業內大廠主任工程師表示,鏡頭、面板等業者雖然衰退,但是半導體仍在蓬勃發展,都是因為高效能運算。以台積電來說,翻開近年財報,營收、毛利率節節攀升,銷售主力早已經不再是消費性電子、智慧型手機,反而是高效能運算。

高效能運算,給了台積電「先進製程」(advanced process)一個舞台。

許多人不懂先進製程。其實它和摩爾定律(Moore's Law)緊密相關,是指半導體的電晶體「持續縮小」的過程,電晶體數量以每年(或18至24個月)翻倍成長,新款將比舊款提升40%效能。

目前普遍以7奈米作為分水嶺,以下是「先進製程」,以上則是「成熟製程」(mature process)。台積電的先進製程領先全球,給了許多伺服器、超級電腦更快且有效的晶片。

先進製程門檻高,業者剩下台積電、三星與英特爾

台積電要製造7奈米以下的晶片可不容易,必須要和設備業者配合。位於荷蘭的艾司摩爾(ASML),專門為包含台積電在內的晶圓製造商,提供微影系統量產晶片。

艾司摩爾將電路設計圖「投印」(縮小至奈米等級)在矽晶片上,這可是量產晶片時最重要的步驟。簡單一點來說,可理解微影系統是一個投影系統,利用光線穿透印有電路圖的光罩,在矽晶片上投印出電路圖。

而光罩上的電路圖是實際在晶片上呈現圖案的4倍大,當圖案印好之後,系統會稍微移動晶圓,並在晶圓上進行另一次複製,整體完成後再進入侵刻、氣體等工序。

EUV技術原理_(2)

光源不斷投過凹透鏡、凸透鏡改變米的波長,並在晶圓印上電路圖,便於下一個階段的切割作業。

艾司摩爾是全球半導體設備的領導業者,其技術極紫外光微影技術(EUV),專門用來生產先進製程晶片;另外,針對成熟製程則是使用深紫外光微影技術(DUV),同時也是最多晶圓製造業者使用的機台。

如果以應用來看,EUV機台是智慧型手機、HPC持續發展的重要關鍵,隨著物理極限(越來越小)突破困難,所需要的設備、研發金額等動輒數百億美元,遠遠超過一般公司所能承擔。

EUV流程圖_(1)
Photo Credit: 關鍵評論網

經過光刻機將電路圖複印上晶片,進行沈積、蝕刻和清洗。但有些晶片可能會受到灰塵、技術等原因,導致粒子污染晶片,若粒子污染越多,而「生產良率」就會跟著下降。

倘若公司砸大錢買幾台,卻又因為良率不佳、無法順利量產,那麼週轉不靈、倒閉的機率極大,所以現在半導體業中仍持續突破摩爾定律這條不歸路的公司,只剩下台積電、三星和英特爾;其餘業者包含台灣聯電(UMC)、美國格羅方德(GlobalFoundries)、中國中芯國際(SMIC)及世界先進(VIS)都止步於成熟製程。

台積電的另一個春天——電動車

許多民眾認為先進製程發明後,舊的技術會被淘汰,但在半導體世界並非如此。

兩種製程的在晶片體積上的不同,終端應用也差很大,這代表成熟製程不會因為先進製程而受到排擠。由於多數產品並不需要高效能,像是較為廉價的家電、手機等,再加上成本考量下市面上反而多以成熟製程為優先、市場需求更大。

此外成熟製程也迎來了另一個春天——電動車。

過去傳統燃油車需要40種晶片,若是電動車,晶片數則暴增至150種以上,又加上是高階電車有「自駕功能」,晶片數量越來越多。

雖然台積電擁有先進製程技術,但因為台積電生產設備都攤提完畢,成熟製程相較業者更便宜,很受客戶青睞,所以大約還有25%營收來自於成熟製程。

創意思惟教育訓練中心總監李銘泰解釋:「以6奈米來說,裡面要有500個百萬電晶體,必須要買相當多IP才可以製作出一個晶片,沒有20億出不來。」他表示,電動車有願景,不需要先進製程,再加上成熟製程IP都已經驗證過,成本低非常多,因此每台電動車還可能上看數千的晶片需求。

基於產業的重大變化,半導體公司的身價水漲船高。波士頓顧問公司(BCG)董事總經理暨全球合夥人、半導體業務負責人徐瑞廷曾表示:「以前很多車廠不跟半導體業者說話」。但是經過了去(2021)年的「晶片荒」後,各大車廠都開始主動建立更緊密的半導體供應鏈。

台積電業務發展資深副總經理張曉強日前解釋,從台積電角度看,雖然客戶進入更新技術須付更多費用,卻有更多好處,比如說從較舊製程轉移到較新製程,不但產品提升運算效能、降低功耗,對整個產業都是利大於弊。

事實上,HPC和電動車兩大市場是相輔相成,因為電動車目前正邁入「完全自動駕駛」階段,未來勢必會運用到更多高效能運算的工藝,最後於車體、通訊及雲端上發展人工智慧,也意味著台積電正一步一步搶佔未來市場。

如今,美日韓歐中等主要國家將半導體視為戰略物資,均以國家之力砸下數百億美元不等的補助打造本土供應鏈。面對這個世紀的變局,台積電乃至於台灣該如何應對?下一篇我們將從台積電的人才、供應鏈分析日後的走向。

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核稿編輯:翁世航

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