2020年末,一場“缺芯”事故造成全球汽車產業大敗退。疫情之下不少芯片供應商降低產能或關停工廠直接導致汽車芯片產能被擠壓。

大眾、福特、豐田、本田等汽車廠在今年第一季度紛紛停擺。德州暴雪、瑞薩電子火災、中國臺灣地震、停水停電、疫情蔓延,“缺芯”問題雪上加霜。

隨后,多米諾骨牌效應顯現,產能不足從芯片蔓延到封裝、硅片原材料,導致芯片價格迅速暴漲,業內人士透露,半導體顆料成本從14元漲到80元,漲幅達到4．7倍,并對全球多達169個行業造成打擊。

據統計僅汽車市場,2021年全球已減產299萬輛汽車,相較于2020年7760萬輛的汽車產能下滑3．9%,經濟損失超過600億美元。

但是,伴隨“缺芯”事件影響,晶圓代工產業產值再創歷史新高。TrendForce數據顯示,僅2021年第一季度,全球前十大晶圓代工廠總產值就達到227．5億美元,同比2020年增長20%。

而在這份表單當中,中國大陸廠商占7%市場份額,中國臺灣則拿下了65%的市場份額,韓國占據17%,美國占據5%,以色列占據1%。

中國臺灣在全球半導體產業鏈中占據舉足輕重的地位,并已成為占其GDP15%的支柱性產業。

自20世紀80年代以來,中國臺灣抓住半導體技術迅猛發展的黃金時期,拼全力打造半導體產業。從IC設計到晶圓代工再到封測,一系列圍繞芯片半導體的產業集群出現,這當中又屬高壁壘驅動的晶圓代工行業集中度最高,其晶元代工和封測領域全球市占第一,晶元代工更是拿下65%的市場份額。

這樣的背景下,有幾家晶圓代工廠在其中獨領風騷,除了我們熟悉的臺積電、聯電、世界先進之外,一家名為力積電的代工廠頗為特別。

作為中國臺灣唯一一家經歷退市欠債之后起死回生的半導體公司,力積電能夠成為中國臺灣第三,世界第六的晶圓代工企業,離不開其創始人黃崇仁頗具爭議的經營手段,也證明了半導體行業的機會無處不在,對如今日漸繁榮的半導體市場,號稱“小臺積電”的力積電又對大陸的芯片半導體行業有哪些啟示?

“三位一體”與乘勢而為

20世紀70年代,中國臺灣站在美日產業結構向知識密集型轉移的時間節點,依靠給在臺建廠的美日廠商做基礎低端加工起步,開始積累知識與技術。

初期,中國臺灣在半導體設計、制造、測試和封裝四個環節都有相應發展,但“產官學三位一體”模式的推行,為其找到了屬于自己的獨特發展模式。

1974年,中國臺灣效仿美國產學研模式建立起電子工業研究中心,其目的便是規劃技術,加速人才交流。

1985年,通過設立硅谷辦公室,中國臺灣學習先進技術的同時召集華裔工程師,當時在德州儀器擔任副總裁的張忠謀正是以此被請回臺灣,出任工業技術研究院院長,并創辦臺灣積體電路公司(臺積電)。

這一事件成為中國臺灣半導體行業大量吸收海外人才的注腳,并在1983-1997年以平均42%的增速持續為相關領域提供人才儲備。1996年,以日本VLSI(超大規模集成電路)計劃為參照,中國臺灣教育部門推動VLSI教改計劃,進行產官合作。

VLSI教改計劃,通過提供經費幫助學校培養出IC領域人才,并推出眾多國家型科技計劃,讓半導體應用深入各個領域,新竹科學園區(竹科)便在這一時期建立。

(新竹科學園區,資料來源:竹科管理局)

當時,VLSI計劃囊括了臺灣清華大學、臺灣交通大學、臺灣電子技術研究院等眾多知名大學和研究機構,1993年在各大學教授齊聲建議下,芯片設計制作中心(CIC)成立,通過提供學界免費實作芯片管道,進一步推動半導體產業高速發展。

一位在臺生活的網友提到,二十年前臺灣新竹科學園區旁的清大交大,幾乎整個理工學院的畢業生都往園區就業。甚至商學院、法學院的學生當時也往半導體行業相關走。新竹火車站旁有名的楊家意面墻上至今還能看到收購出售應材、科林零件的小廣告。

與此同時,政策與資本市場的投入進一步集中。當時中國臺灣對創新技術的資助金額占總規劃的20%以上,并規定新辦企業在九年內可任選連續五年免征所得稅,五年后每年營業稅不超過20%。

從1985到1990年,共有24億新臺幣進入半導體投資領域,臺灣大學電機資訊學院教授張耀文說:“產官學‘三位一體’合作是臺灣半導體成功原因。”

這一時期,作為曾擔任德儀第三號人物的張忠謀,不但為中國臺灣半導體產業帶來了先進技術和管理經驗,還拉來老朋友——通用電氣半導體總裁戴克加入臺積電,并說服英特爾總裁安迪·格魯夫成為其客戶。

經過找人、找技術等一系列努力,張忠謀以拿下英特爾訂單這一成果帶動了臺灣地區的半導體代工產業的發展。

臺積電之所以能夠拉來英特爾大單,正是由于80年代末,英特爾為代表的美國半導體產業從傳統IDM模式逐漸轉向Fabless(無工廠芯片供應商)模式推行全球縱向分工的機會。

IDM模式的特點是大而全,從芯片設計到制造、封裝與測試都獨立完成,但其投資大、戰線長、收效慢的缺陷在當時逐漸顯現,不但每一環都耗資巨大,并且相應的研發費用也水漲船高。

而Foundry(代工廠)和Fabless(無工廠芯片供應商)則通過垂直整合模式帶來了行業協作,這種分工細化帶來的不僅是效率的提升,更加速了整個半導體產業的進步,成功帶動上下游更多產業,中國臺灣得以發揮地理優勢加強信息技術溝通,形成產業良性競爭與合作。

這一點在臺積電、聯華電子、宏基等臺灣半導體領頭廠商入駐后愈發明顯,從某個企業單純的代工模式到產業鏈全環節分布,再到形成聯合生產群,最終形成了“日本進口,臺灣地區加工裝配,出口美國”的半導體發展策略。

時也勢也,到1999年,中國臺灣地區筆記本電腦、顯示器、主機板、光驅、顯卡等十多項硬件產業的全球占有率在30%以上,以DRAM作為主營業務的力晶科技(力積電前身),正是在這一時期建立并成長起來。

“九命怪貓”黃崇仁

創辦力晶之前,黃崇仁創辦的力捷電腦股份有限公司,靠著研發打印機和掃描儀曾大賺一筆,這位棄醫從商的“門外漢”對市場異常敏銳的嗅覺讓他找到了第一座金礦——為蘋果代工。

當時市面上掃描儀幾乎全是黑白產品,黃崇仁卻快人一步推出彩色掃描機。由于這種對新技術的投入,力捷在1996年取得了蘋果電腦授權并為其制造MacClone系列相容電腦,此后力捷逐漸轉型為電腦制造廠商并成功上市,黃崇仁一夜暴富,這期間除了結識喬布斯,黃崇仁還為力晶建立做好了充足準備。

1994年,黃崇仁創辦的力晶半導體以DRAM(動態隨機存取存儲器,目前最常見的系統內存)殺入行業。正值DRAM行業的黃金時期,依靠從日本三菱電機獲得的技術授權,力晶開始籌建DRAM生產線,并先后蓋下1座8英寸晶圓廠和2座12英寸晶元廠,購入了旺宏12英寸晶圓廠,并與瑞薩電子達成AG-AND快閃記憶體技術授權協議。

技術授權方式,是臺灣當時發展DRAM的主流模式。獲得技術授權的廠商能夠快速將技術轉化為產品并占領市場,協同上下游產業進一步研發更先進產品。

憑借這些技術授權,力晶一年獲利2000億新臺幣,甚至一度超過臺積電和聯電,黃崇仁的財富也隨之節節高升,最高峰的2005年,他的身價達到36．84億新臺幣,排名全臺富豪28名,但此時,DRAM代工廠的好日子也即將到頭。

2008年,伴隨金融危機影響,DRAM周期性價格暴跌,加之三星代表的韓國存儲廠商砸下重金血洗存儲市場,臺灣地區的DRAM廠商遭受巨額虧損。

2012年12月,力晶股價暴跌到0．29元新臺幣,按照相關規定,力晶面臨退市,黃崇仁背上1200億新臺幣債務,股民們拉起橫幅站在黃崇仁家門口,“炒股賺錢,坑殺散戶”,28萬股民因此咒罵力晶。

這是當時眾多DRAM廠商的一個縮影,在市場暴跌和對手資本入侵面前,無力承擔風險的中小廠商紛紛倒閉,一些大型DRAM廠商開始艱難轉型,例如當時南亞科技、華邦轉型為利基型DRAM(用于液晶電視、數字機頂盒等消費型電子產品),茂德轉型為IC設計公司,而力晶也開始從DRAM轉型為晶圓代工。

但正是在這一時期,力晶抓住了三個重要機會,并且在八年后成功“復活”。

首先是美光科技以25億美元收購日本芯片廠商爾必達。由于當時力晶曾與爾必達成立瑞晶電子,根據協議,美光在收購爾必達同時,還要以3．34億美元收購力晶科技所持的24%瑞晶電子股份,力晶也由此拿下了美光當時最先進的25納米技術記憶體的技術專利授權,讓其有了活下去的資本。

一位力晶內部工程師回憶道:“力晶早在美光并購爾必達前,就買下爾必達‘半套’技術,內部基于此技術繼續開發。”這為力晶之后開發被稱為“窮人的5納米”的3D WoW技術做好了準備。

第二是蘋果的驅動IC訂單。力晶下市欠下巨額債務時,所有人都不看好力晶,但蘋果iPhone 4、iPhone 5推出時,大家才發現,其驅動IC都采用了力晶的產品,這些訂單既讓力晶賺到錢繼續還債,也拯救了其糟糕的口碑。

2014年,力晶成為iPhone 6 LCD驅動IC生產線之一,總銷量達2．5億部的iPhone 6系列不但讓蘋果股價迅速抬升,也成為力晶從負債千億到大賺百億的關鍵,黃崇仁提到:“當銀行懷疑力晶是否有辦法從DRAM公司轉到晶元代工公司的時候,蘋果讓他們知道力晶的實力,因為蘋果是最最嚴苛的。”

第三個機會是2018年的MOSFET大缺貨。MOSFET是最基礎的電子器件,憑借高頻、電壓驅動、抗擊穿性好等特點,應用于電源、變頻器、CPU及顯卡、通訊、汽車電子等眾多領域。精明的黃崇仁敏銳捕捉到了市場變化,并讓力積電擴產了5萬片,把MOSFET的產能全部吃下,力晶再次大賺一筆。

從2012年到2020年,黃崇仁用8年時間還掉了1200億新臺幣負債,也成為中國臺灣唯一一家下市之后重新上市的半導體公司,命硬的他也因此被外界稱為“九命怪貓”。

2019年,力晶科技將晶圓廠及相關資產讓與力晶積成電子(力積電),黃崇仁完成力晶“重生”,到2020年重新上市時,其開盤股價暴漲170%,上市當天股價一度達到84元新臺幣,28萬股民解套。

轉型:“窮人的5納米”

與臺積電、聯電等晶圓代工廠不同,力積電從DRAM轉做晶圓代工可謂是“半路出家”,其技術實力并不出眾,不但工廠沒有對手多,晶元制程技術也沒有對手那樣先進。

據統計,臺積電在中國臺灣設有3座12英寸超大晶圓廠、4座8英寸晶圓廠和1座6英寸晶圓廠,南京1座12英寸晶圓廠以及美國2座8英寸晶圓廠,月產能100萬片,聯電則有12座晶圓廠,月產能75萬片,而力積電則只有2座8英寸及3座12英寸晶圓廠,月產能20萬片,實力上和前兩位相差很大。

從制程來看,力積電也不敵臺積電甚至聯電。前者的先進制程技術將目標放在14納米、10納米、7納米、5納米甚至更先進,聯電則以25納米作為其晶元代工重點,并和三星結盟成為其OLED驅動代工廠,而力積電則集中在90到40納米制程之間,這種情況之下,力積電究竟如何能夠實現高速增長并坐到了臺灣半導體第三的寶座?

黃崇仁曾在公開場合提到他“反摩爾定律”的觀點,在他看來隨著芯片領域制程越來越先進,芯片設計會愈發困難,從投入產出來說,巨額資金能否換來巨額回報存在疑問,其中巨大風險顯而易見,而這種風險對承受能力低的企業來說很可能是致命的。

(研發成本和收益關系預測,數據來自IC Insight)

摩爾定律指出,在過去,價格不變的情況下,集成電路上可容納的元器件數目大約每隔18個月增加一倍,性能也會提升一倍,這意味著晶片制程每隔1-2年就會進步一次,而相關產業自1965年摩爾定律提出之后的二十多年時間里,也始終遵循這一規律向前。

但到1999年,摩爾定律遇到了第一次危機——漏電。

當時,由于晶片內的晶體管增加,芯片內部柵極不斷被擠壓,當柵極長度低于20納米時,芯片出現電流失控,源極的電流穿透柵極,直接打到漏極,發生漏電,此時芯片發熱量急劇上升,便直接報廢。

漏電問題難以解決,摩爾定律開始受到一些人的質疑,但隨著胡正明博士提出FinFET解決方案之后,質疑慢慢消失。在傳統晶體管結構中,控制電流通過的閘門,只能在閘門的一側控制電路的接通與斷開,屬于平面的架構,而FinFET架構中,閘門呈類似魚鰭的叉狀3D架構,可于電路的兩側控制電路的接通與斷開,這種設計可以大幅改善電路控制并減少漏電,也被稱為鰭片結構。

鰭片結構在理論上解決了漏電問題,但實現起來難度極高,畢竟晶體管的體積都是以納米計算,在這種精度上改變形狀難度可想而知。所以更先進制程需要的前期投入巨大,黃崇仁曾推算過,建造12寸晶圓廠,生產28納米產品,耗費資金約36億美金,但到了7納米時代,晶圓廠投入動輒就要200億美金起。

更大的風險還在后面,由于新工藝的開發并非建立在前一代工藝良率穩定的基礎上,因此對芯片半研發來說,科學家一直都在挑戰制程極限,這也是英特爾、高通等芯片大廠在公布技術路線圖時往往出現同時研發多個工藝節點的情況,因為很可能花了很多錢之后,做出來的概率依然很低。

這種情況下,過去業界習慣于用功耗、性能和面積等方式去評估芯片的方式開始發生轉變,價格、能耗比、成熟度、良率等指標開始成為一些廠商關注的重點。

事實上,除了我們每天使用的手機和電腦芯片對于先進制程有更高要求之外,目前大部分智能應用場景所需的芯片可能連28納米工藝都用不到,但背后依然有廣闊市場空間,這就為那些不追求最頂尖技術的半導體公司打開了另一條路。

(大部分智能場景所需芯片連28納米工藝都用不到,資料來自德勤)

力積電正是“追求市場占有率,而非最先進技術”的半導體公司之一。盡管在芯片制程上落后于臺積電和聯電一大截,但黃崇仁還是通過技術上的積累為力積電找到了突破口。

其一便是邏輯與DRAM晶元堆疊技術3D WoW(3D Wafer on Wafer)。力積電與愛普合作研發,通過將臺積電生產的55納米CPU和自家38納米DRAM經愛普公司異質整合之后,實現了遠超先進制程的效能與速度,相比英偉達16納米處理器多出9倍效能的速度,相比AMD 7納米芯片還多出6倍運算速度,但卻比先進制程芯片價格更低,因此也被稱為“窮人的5納米”。

3D WoW技術正是基于力積電在DRAM時代的寶貴經驗開發而成,黃崇仁曾說過,DRAM和邏輯分開大家都會做,但疊在一起卻只有愛普和力晶兩家會做,這項技術不但會讓芯片速度變得很快,而且“是面向下個世代的技術”,事實上,類似技術也是蘋果、谷歌等廠商關注的焦點。

去年蘋果推出的M1芯片,其核心理念芯片是將移動處理器上的DRAM內存堆疊在AP(應用處理器)上的設計方法,通過這種方式不但減小了芯片面積、降低傳輸延遲和發熱,還能為“統一內存架構”提升運行速度,也因此成為蘋果從X86轉為ARM架構最關鍵的改變。

其二,力積電還有一個降低成本占領市場的武器,那便是利用鋁制程來做芯片。相較于其他晶元代工廠利用銅制程來制作芯片,鋁制程晶圓片的成本進一步降低,這也是力晶過去在DRAM領域積累下來的技術,成為力積電占領市場,提升毛利率的關鍵。

力積電財報顯示,從2019到2020年,其毛利率從7%提升到了25%,這其中就離不開其3D WoW以及鋁制程技術的投入。可以說盡管力積電在先進制程領域追趕不上臺積電和聯電等廠商,但其能夠抓住市場機會并針對性推出產品,以低價格高毛利獲得利潤,這是力積電能夠成功上位的關鍵所在。

靠產業集群突破“卡脖子”難關

隨著中國新能源汽車以及電子消費產品領域的快速擴大,“狂飆突進”的大陸市場成為全球半導體領域不可忽視的重要部分,根據國際半導體產業協會(SEMI)數據顯示,2020年中國大陸市場的半導體設備銷售額較上年增長39%,至187．2億美元,排名全球第一。

但嚴重的半導體短缺,加之貿易摩擦對中國企業的影響逐漸擴大。這種產業發展與消費市場造成的極端供需矛盾,讓人不由得思考,大陸半導體究竟還有哪些地方有待加強,而抓住80年代機會的中國臺灣和韓國半導體就帶來了寶貴經驗。

在不同的經濟環境下,80年代韓國和中國臺灣在半導體產業上走出了不同的發展路徑。前者依靠國家政府扶植出三星、海力士等大型企業并集中資源加速電子工業發展;而后者,則是在為數眾多的中小企業集群中找到了突破點,伴隨“產官學三位一體”的經濟發展理念,半導體產業的上下游不斷生根發芽,成為這座海島的支柱性產業。

同時,當我們把視角從臺積電、聯電看向力積電,一個分工明確、行業競爭與合作共存的半導體產業格局出現在眼前。力積電的成功,是中小企業發展的成功,也是技術積累產生變量的成功,更是對先進技術吸收之后內化的成功。

從最初切入DRAM到伴隨風口迎來高點,再到之后負債退市艱難轉型,技術和人才是這家企業能夠逆風翻盤的根本,利用過去的經驗創造出新的產品爭奪市場,并能夠以自身擅長技術避免與巨頭硬碰硬,尋找屬于自己的機會。

如今,越來越多大陸半導體公司蓬勃興起,并非都能做到臺積電那樣叱咤風云變成行業龍頭,但卻很可能成為力積電這樣的中流砥柱。在黃崇仁提出的反摩爾理念中,當下及未來,“風險共擔,利潤共享”會成為半導體公司的核心發展觀。

這一法則意味著代工廠不但要抓住市場機會,還要在選擇合作伙伴的同時,與對方建立風險共擔機制,從而在貼近客戶所需進行設計生產的同時,擁有更好的抗壓能力。

實際上,力積電與聯發科在2020年的合作就以此為準則,力積電耗資2780億元新臺幣新建12英寸晶圓廠為聯發科提供產能,但實際上修建一座12英寸晶圓廠成本至少6000億新臺幣,其中有一半出資都是聯發科提供,后者購買設備出租給力積電,而力積電需要把產能優先提供給聯發科。

在半導體制程越來越先進,投資金額和風險都越來越大的當下,這樣的理念對行業來說有其特殊意義,而這正是力晶1200億失敗負債之后得到的最大教訓。

半導體產業鏈是一個高度全球化的產業,美國半導體協會(SIA)曾在報告中指出,一家典型美國半導體公司的芯片生產流程,產業鏈涉及到日本、美國、馬來西亞、新加坡和中國五個國家。如今,拜登上任后,美國政府多次對其半導體產業過度依賴其他地區提出警告,并認為美國應該盡全力發展本土半導體產品,這種情況下,全球半導體格局也將產生變化。

(資料來自德勤)

對大陸半導體產業來說,這是危機也是機遇。過去,由于長期使用別人的技術方案與路徑而沒有內化為自己的技術,中國半導體產業始終沒能建立足夠大的影響力。但如今,中國成為半導體產業最集中的消費市場,2020年,中國大陸半導體制造能力已占全球的15%,市場的擴大,需要我們能夠不斷對技術進行消化、吸收以及創新,而這不但需要企業、政府,還需要學界、研究機構以及全社會達成的共識,時間緊迫,我們還必須緊緊追趕。

張忠謀在今年四月一次發言時也提到,中國大陸晶圓制造落后積電達5年以上,在IC設計則落后美國或中國臺灣約1～2年,并非如外界所言達“數代之遠”。

如今舉全國之力追趕的半導體產業,最好的結果便是能夠形成產業集群,我們不能脫離世界的發展,但至少能夠建立起我們自己的優勢,惟其如此,才不至于被卡了脖子。