【陳可樂】台積電是台灣的護國神山?

前幾日德國經濟部長阿特麥爾(Peter Altmaier)由於德國汽車產業的晶片短缺危及汽車產業復甦,寫信請台灣政府向晶圓代工龍頭台積電傳遞訊息,希望可以獲得一些產能。這個新聞不僅讓因股價成熱門話題的台積電又再度受到矚目,甚至讓德國明鏡周刊(Der Spiegel)為文檢討歐洲半導體的發展,並認為晶片短缺已對德國的核心製造業造成傷害。隔幾日,再有媒體指出日本政府也曾向台灣請託,推動台灣半導體製造商增加產能。這似乎暗示著,讓台灣經濟蓬勃的台積電、聯電、力晶電、世界先進等晶圓代工大廠也可以視為台灣國家安全的籌碼?

延伸閱讀:
點名要台積電晶片 德國經濟部長致函台灣政府
汽車廠缺晶片 日經產省官員:以政府立場向台灣求援

其實近期來自德國或是日本政府的請託,對台灣的半導體產業或是政府來說應該不陌生。在美中衝突中白熱化之時,台積電也在半推半就之下於 2020 年 5 月宣布將在美國亞利桑那州蓋一座 5 奈米月產 2 萬片的晶圓廠。美國知道現實上不太可能半導體產業鏈完全遷回美國本土,因此要台積電去美國蓋一間製程先進但小量的廠,這可能意味著美國只是想要把與國安相關的晶片移回本土生產,以確保美中衝突若繼續擴大,美國可以在尖端科技上的開發不至於因為無高階晶片而受制於他國。

延伸閱讀:【陳可樂】「台積電宣布在美國蓋新廠」意味著什麼?

而在更早之前的 1999 年 9 月 21 日,台灣發生九二一大地震,當時台灣的半導體廠受創甚深,產能緊縮直接影響全球半導體產業的供需平衡,特別是晶圓代工及動態隨機存取記憶體(DRAM)。影響之深連全球最大的電腦公司戴爾電腦(Dell)總裁麥可戴爾(Michael Dell)親自來台,關心台灣資訊產業的狀況。根據工研院電子所的數據,在九二一大地震之前,1998 年台灣 IC 代工業產值就已達新台幣 938 億元(約 30 億美元),約占全球代工的 53.9 %,而 DRAM 產值則占全球的 10.3 %,其中台積電的產值為 15.3 億美元,聯電爲 12.5 億美元。排名第三的新加坡特許半導體(Chartered Semiconductor)為 4.5 億美元,尚不及台積電的三分之一。排名第四的 Newport Wafer 僅為 1.35 億美元。

世界上超過六成的晶片來自台灣

九二一大地震 21 年後的 2020 年,台積電光第三季單季的營收就已達 113.5 億美元,市佔率高達 53.9%。聯電也達 14.8 億美元,市佔率達 7.0%。在前 10 大晶圓代工廠中台灣公司的比例就已高達 63.6%。簡言之,世界上有超過六成的晶片是台灣晶圓廠製造的。相較之下,韓國為 18.3%,中國則僅為 5.6%。因此,單以「量」的角度來看,在這個晶片無所不在的現代社會中,台積電等晶圓代工公司似乎是足以當台灣的護國神山。

2020 年第三季晶圓代工排名

排名公司國籍營收(百萬美元)市佔率
1台積電(TSMC)台灣11,35053.9%
2三星(Samsung)韓國3,66517.4%
3格羅方德(Global Foundries)美國1,4847.0%
4聯電(UMC)台灣1,4827.0%
5中芯國際(SMIC)中國9484.5%
6高塔半導體(Tower Semiconductor)以色列3201.5%
7力積電(PSMC)台灣2891.4%
8世界先進(VIS)台灣2761.3%
9華虹半導體(Hua Hong)中國2361.1%
10東部高科(Dongbu HiTek)韓國1910.9%
前 10 大合計20,24196.1%

有「量」還要有「技術」

然而,單有「量」的影響力是不足以護國的。如果晶圓製造產業是僅以量取勝的話,那急欲發展半導體的中國可能早已宰制全世界的半導體產業了。相較於其他國家的半導體製造公司,中國政府強力扶植的中芯國際更能輕易的擁有滿手的資金來擴充產線,而阿特麥爾的信可能也會是寄給習近平。此外,以 2020 年第三季前五大晶圓代工公司的合計市佔率就已經是 89.8% 也可以略知一二,近年半導體製造產業有強者恆強的趨勢,台積電的市佔率過半,排名第二的三星尚不足兩成。因此,技術就是其中的關鍵。

最常見的半導體技術指標就是「10 奈米(10nm)」、「7 奈米(10nm)」,甚至是最新的「5 奈米(5nm)」或是開發階段的「3 奈米(3nm)」等關鍵字。而頭髮的直徑約為 30,000 ~ 50,000 奈米、病毒的直徑大約是 60 ~ 250 奈米。也就是說,目前台積電最先進的製程能力可以精細到頭髮直徑的萬分之一。可以把電子元件做得越小就表示可以在同樣的體積中放進越多電子元件,而越多的電子元件就可以讓電子產品功能更強大、速度更快。因此,「X 奈米」成為一個關鍵的技術指標,甚至可以用來粗略評估兩家半導體製造公司之間的技術差距有多少年。

半導體技術指標是指 MOSFET 閘極的寬(MOSFET 圖/LeviLee/public domain)

但並非是把單一電子元件做到 10 奈米這麼小,而是把一個用來進行 0 與 1 運算的金屬-氧化物-半導體場效電晶體(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,簡稱「MOS」)做到奈米等級,更精確的說是把 MOS 閘極的寬(Gate,可用有無加電壓來決定這個 MOS 狀態是 0 或 1 的開關)做到 10 奈米、7 奈米等級。然後再用數以百萬計、千萬計個以上的(總之是天文數字等級的) MOS 組合出各種功能的電子元件。電子產品公司再把這些電子元件組合成各種電子產品,例如手機、筆電、汽車自動控制系統、飛彈導航裝置等等。

手握製造流程表和鈔票就能制霸天下了嗎?

越精細的東西就越難掌控製造過程。溫度不對、氣體壓力不對、時間掌握不對、研磨平整度不佳、酸鹼液體濃度不對,甚至沒特殊的設備就無法做出如此精細的產品。因此,如何找到適當的生產條件就是一大挑戰,需要透過不斷的試誤、爆肝來找出最佳的製作環境。再則,同一間公司內的同型機台、同生產條件在不同廠區還會讓產品有些微的差異,而些微的差異甚至就會讓產品做到一半就會被丟進垃圾桶,例如假設 7 奈米寬的閘極可以容忍的誤差是 10%,那就是製程差異要控制在 0.7 奈米以下。因此,半導體製造現場的「微調能力」與經驗的累積變成是很難用資金在短時間就能跨越的門檻。

與「實驗室」的距離

能製作出一個可以成功運作的「5 奈米」MOS 可能可以制霸實驗室,但仍不足以稱霸半導體製造業。可以大量生產才具有商業價值,而大量生產中能維持「高良率」才是能一直稱霸的關鍵。美國英特爾(Intel)、韓國三星在製程能力上跟台積電幾乎是伯仲之間,甚至互有超越,但是台積電的市佔率卻遠勝三星,而英特爾則不斷傳出要將成熟的高階製程委外代工,其中一個關鍵就是良率提升能力。

對大多數晶圓代工公司的客戶來說,良率是獲利多寡的重要因素之一,因為多數時候晶圓代工是以一片晶圓計價。因此,良率越高就代表一片晶圓上有越多可用的晶片,也就代表利潤越高。而良率的提升主要仍是得靠大量的現場生產經驗、微調一點一滴往上拉,這成為通往晶圓代工頂尖之路上的一座高山,即便買足一流的設備但無一流的登山經驗,仍是被阻在高山前,看不到一流公司的車尾燈。

此外,即便是成熟製程的擴產若一切順利也得三個月至半年。所以,以台灣晶圓代工產業的市占率與技術規模,要被他國取代雖然不是不可能,但即便台積電原地踏步,仍得花費數年以上。

另一方面,因為車用晶片有安全考量,所以此類晶片通常比一般晶片(例如智慧手機晶片)的品質要求更高,因此通常不會使用半導體的先進製程,甚至會把訂單投在 8 吋晶圓廠使用成熟製程。因此,德國和日本政府來信要求台灣的晶圓代工公司擴產,也意味著晶圓代工廠不僅先進製程產能利用率高,連成熟製程產線目前也是處於塞車狀態。因此,除非插隊排擠等著進產線的訂單,不然要求台灣的晶圓代工公司擴產,可能緩不濟急。

半導體產業的全球化

目前整個半導體產業的發展是全球化的。晶圓代工廠如台積電、聯電的客戶是 IC 設計公司,而世界知名的 IC 設計公司有美國高通(Qualcomm)、德國英飛凌(Infineon)、瑞士意法半導體(STMicroelectronics)等等。其中英飛凌(Infineon)在 2019 年 6 月宣布以 101 億美元的金額收購美國賽普拉斯半導體(Cypress Semiconductor)成為車用晶片大廠。因此,單以產業鏈的角度來看,德國經濟部長的來信請求台灣晶圓代工廠產能,是跳過了 IC 設計公司。

通常 IC 設計公司產出 IC 設計圖後,會把製作委給晶圓代工廠,晶圓代工廠完成晶圓後,會再轉給封裝測試廠進行良率測試與切割成晶片。而 IC 設計與晶圓代工之間的關係類似建築事務所出設計圖後,接下來給建設公司把建物蓋出。值得注意的是,絕大多數的狀況下,晶圓在晶圓代工廠、封裝測試廠進行製作的過程中是屬於 IC 設計公司所有。

半導體產業鏈簡圖。實際產業分工程度遠比此圖所述還複雜、細膩、多元

因此,智慧手機、電動車、飛彈的導航裝置可以說是全球分工下的產物,其中的各類晶片可能是歐美 IC 設計公司設計、亞洲國家代工、封測,而晶圓代工所需的高階曝光機可能來自荷蘭的艾司摩爾(ASML),曝光過程所需的光阻劑可能來自日本的富士(Fuji)。這意味著,半導體產業幾乎是不可能由單一國家關起來門來自主研發到頂尖水準的。此外,實際的產業鏈分工,也比上述圖示的還複雜、細膩、多元,而且與時俱進。

結論

全世界超過六成的晶片來自台灣已經說明台灣的晶圓代工在全世界的半導體產業舉足輕重,而高市佔率的成果則是由需要大量現場生產經驗與技術的高良率所撐出來的。

不過,台積電、聯電等晶圓代工公司可以長期佔據世界前五大並非一蹴可幾的。聯電成立於 1980 年,台積電則是 1987 年,在過去 40 年來,台灣每年都有成批優秀的理工碩博士前往台積電、聯電等晶圓代工公司貢獻心力,而政府也透過政策、水電、匯率等讓台灣的半導體產業取得生產上的優勢,還有眾多周邊相關產業,例如化工、機械、金融領域等等。因此,台灣晶圓代工目前在全世界的地位其實是台灣社會數十年來的整體社會資源投入而得的。

此外,2018 年以來的美中衝突也已經可以清楚地看到,衝突並非狹義的單指軍事衝突,各種先進技術的產業也是較勁的領域。因此,毫不意外地,台灣的半導體產業必定是敵對勢力覬覦之物,而保衛台灣投入數十年與各類資源而長成的產業也當然是重中之重。所以除了在技術上保持領先優勢之外,還得防堵各種形式的技術偷竊、人才挖角,甚至還要能在必要的時刻給予敵對勢力的關鍵產業痛擊。

從台灣晶圓代工公司的總市佔率來看,台灣早已是全世界的晶圓代工的重要聚落之一,所以持續加強聚落的完整性以保持競爭優勢甚至擴大領先差距。而加強聚落不僅只是提供土地、水電、勞力等生產要素,強化晶圓代工周邊產業也相當重要,例如高端生產設備、光阻、靶材等原物料、設計、生產軟體等等。以生產曝光機的荷蘭艾司摩爾為例,製作曝光機除了需要有半導體生產知識外,還要有機械設計、光學設計、材料研發、軟體設計等等科技人材。因此,強化聚落的策略不僅是吸引他國一流公司來台設研發中心、廠房之外,對基礎科學、工業(物理、化學、化工、機械、光學、軟體等等)的投資則是能讓產業確實在地紮根,進而持續讓原本聚落壯大,甚至發展、培養出新產業領域,以收「護國群山」之效。

在過去 40 年來,台灣每年都有成批優秀的理工碩博士前往台積電、聯電等晶圓代工公司貢獻心力(圖/台積電官網)

另一方面,美中衝突已經清楚呈現出半導體產業已是戰場之一,發展立基於經濟安全、產業安全,乃至於國安等級的產業研究是必要的。和一般以投資為目的的產業研究不同的是,以經濟安全出發的產業研究其一重點是「哪些是與國防、經濟命脈相關的關鍵產業與技術」,同時也得清楚敵對勢力目前的發展狀態與未來方向,進而知道自家的產業有哪些領域已被鎖定偷竊、挖角,甚至在需要出手打擊敵對勢力產業時,才能知道要如何精準的打擊敵方的痛處。這方面,美國已經在一系列制裁中國企業的舉動上為我們做出很好的演示了。

最後,與其要問:「台積電等晶圓代工公司是否是台灣的護國神山?」,或許把問題換成:「台灣是否有把晶圓代工產業視做護國神山?」會更合適,甚至是思考保護、孕育、培養出不同領域產業的神山,組成「護國群山」。

護國是一件刻不容緩的嚴肅之事。

 

延伸閱聽:【報呱全世界】EP33 – 武漢肺炎疫苗與台灣護國神山台積電

Tagged:
About the Author

呆過半導體公司、社福機構、智庫、節目編輯等。
興趣:用嘴巴打棒球。