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台積電建立的競爭力壁壘

文/闕志克 清華大學資工系合聘教授、台達研究院院長

2021年全球晶片缺貨,讓幾個關鍵產業如汽車產業經歷了前所未有、幾近封喉的斷鏈危機,美國、歐洲和日本也大夢驚醒、豁然察覺到整個台灣積體電路製造業在全球半導體生態圈舉足輕重、不可或缺的分量。基於這次供應鏈中綴的慘痛教訓,以及中國對台灣日益明目張膽、跡近挑釁的壓迫與威脅,相關國家紛紛訂定新的政策,意圖恢復在地的半導體製造產能。

雖然台積電創辦人張忠謀認為,這些努力所產生的晶圓廠其生產製造成本效益可能不及台廠,但地緣政治與國家安全的考量通常總是凌駕純經濟利益的計算,所以未來幾年歐美日自建晶圓廠的趨向看來勢在必行。

台積電在2021年全球晶片製造市場占有率約56%;尤有甚者,在10奈米以下高階製造市場占有率更高達63%! 台積電對世界的重要性,Nvidia老闆黃仁勳說的最傳神:「隨時走進世界上任何一個商業會議場合,其中必有一與會者身上帶有台積電生產的產品,其普及性如水一般。」除了產能自主與在地化的考量外,歐美日韓對台積電如此獨占鰲頭的市場地位也極為不安,尤其針對最先進的製程,更是磨拳擦掌、勢在必得。除了三星一再加碼對前沿晶圓代工技術的投資,近日傳出美日兩國將聯手開發2奈米製程,並期於2025年量產。

面對如此嚴峻的外部挑戰,台積電建立了甚麼競爭力壁壘足以力退世界列敵?

基於外資持股比率長年高於70%,台積電可算是國際性的公司,但其先進製程研發部門幾乎全部以台灣團隊為主,這樣的團隊組成如何與美日歐精英研發部隊相抗衡?高階製程研發涉及設備的客製組裝搭配與運作參數的調校優化,所需的研究基礎設施極為昂貴,絕大部份的大學和研究機構都無法負擔相關的投資。

加上半導體公司也不願意開放其高端設備供外部研究人員使用,以致近十年來美國頂尖大學如MIT、Stanford、Berkeley的半導體研究團隊,大多只能著墨於創新半導體元件架構的理論探索與分析,很難也很少投入前瞻製程細部工程的開發、設計與精進。易言之,因為高價研究設施設下的天險,短期內美日頂尖大學和研究機構很難在這次半導體極高端製程競賽中參與或貢獻太多,大大削弱了先進國家傳統學術優勢對其競爭力的加持。

再者,先進製程的研發牽涉材料、設備、軟體控制、工序、檢測、人員操作訓練等多個維度,很難無中生有、一蹴可幾,大多基於前一代製程為基礎藍圖,沿著循序漸進、積小成大的脈絡逐步成形。因此,台積電自10奈米製程以來所開發出來、領先同業的工藝技術,為其下世代製程的開發打下重要的基礎,建立難得的不公平優勢(unfair advantage)。

過去30年來,台積電以專業晶圓代工的定位服務成千上萬晶片設計的專案,為了符合客戶的晶片設計對晶圓製造各式各樣的特殊考量、要求與限制,累積了深厚廣泛的應用know-how,也練就了一身客製基本製程以達成客戶需求的本事;譬如說,大功率電子電力線路的先進封裝,CMOS影像感測器(CIS)的晶圓堆疊等。這種因勢制宜客製能力無由速成,只能長期積累,然對其他以前非專業半導體代工公司而言,將需相對漫長的學習曲線始能竟其功。

除了製程精度與良率,晶片設計商還特重晶圓代工公司的可信賴度,因為前者將重大的公司機密及最終產品品質交付後者,如果兩者在其他市場有商業性競爭,他們之間的信任與合作關係就很難長久維繫。舉例來說,蘋果公司很不得已才會找三星代工因為兩者在手機市場有競爭關係;同樣的,Nvidia很不可能找英特爾代工因為兩者在資料中心市場有競爭關係。因為台積電是專業晶圓代工公司,則毫無這方面的顧慮。

最後,除了以如中立國般不偏不倚的定位為晶片設計商提供製造服務,台積電更進一步大幅簡化許多晶片商設計流程中的步驟,如提供與目標製程匹配的標準線路元件庫、加速後端電路布局布線、協助設計錯誤的診斷修復等,並深度投入極大化客戶晶片設計的可製造性與良率。這種以客為尊的全方位製造服務態度,台積電的現有客戶早已習以為常,但就錮於既有製造業務範圍、非專業代工的晶圓廠而言,將對其內部工作文化,產生巨大的衝擊與挑戰。

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