台积电的晶圆厂 2.0：试图包揽先进芯片生产的一切

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随着台积电拿走芯片制造更多利润，产业风险也在进一步聚集。

文丨邱豪 贺乾明
编辑丨龚方毅


1990 年代，硅谷诞生数十家只设计、不制造的芯片公司（Fabless）。AMD 创始人杰瑞·桑德斯（Jerry Sanders）在一场行业会议上说：“现在听我说，真正的男人要有晶圆厂”。他认为，只做设计的芯片公司，只能在晶圆厂有空余产能时才能下单，还得把设计图纸无保留地交给竞争对手，容易让公司陷入困境。

十多年后，芯片行业沿着桑德斯预想的糟糕情况发展。按照他的标准，当前最强的一批芯片公司——苹果、英伟达、博通、高通等，都不是 “真男人”。AMD 也变成一家纯设计芯片的公司，经历多年阵痛后，在女性 CEO 苏姿丰带领下走出困境。

晶圆厂依旧重要，只是没几家能建得起最先进的。台积电保持绝对优势，生产全球 60% 的逻辑芯片、90% 的 5 纳米以内先进芯片。先进芯片制造领域，台积电仅剩的两个对手各有各的困境：

- 三星的 3 纳米芯片制造工艺，良率问题至今未解决，客户只有芯片设计简单、订单稀少的虚拟货币矿机芯片商。三星下一代旗舰手机 Galaxy S25，可能也会全部使用台积电代工的高通芯片。三星工人们的劳工意识在觉醒，工会组织大罢工。三星芯片业务负责人全永铉在内部信里警告，“如果不改革公司文化，三星将陷入恶性循环。”
- 英特尔先进制造工艺被台积电越甩越远，甚至将部分先进芯片交给台积电代工。2021 年上任的 CEO 帕特·基辛格（Pat Gelsinger）制定了重振芯片制造计划，被昂贵的研发和资本开支拖垮，市值只有台积电的 1/8。今年二季度巨亏 16 亿美元后，英特尔宣布收缩，裁员 1.5 万人。基辛格计划出售资产、暂停扩张，甚至最终可能像 AMD 一样剥离芯片制造业务。

与此同时，台积电董事长魏哲家在二季度财报电话会上提出 “Foundry 2.0” 的概念，称台积电的业务范围覆盖先进芯片的制造、封装、测试等流程。芯片设计公司只要给台积电递交设计文件（GDS），几个月后就能收到成品。它继续扩张，想要借助先进制程的优势，拿走芯片制造领域的更多利润。


一场投入二十年的商业模式迭代


芯片行业诞生后的数十年里，英特尔、德州仪器等公司，在内部建立了整套芯片设计和生产流程。当时芯片的性能和可靠性还满足不了主流客户的需求，芯片公司必须控制每个关键组件的设计和制造，才能有竞争优势。

随着制程技术的迭代进步，只有极少数公司负担得起越来越昂贵的生产线开支。领先的芯片巨头也需要减负，劳动密集、利润率不高的封装和测试业务率先被分包出去，诞生了专业的封测（OSAT）公司。如今全球近三成封测产能都集中在劳动力成本较低的东南亚地区。

张忠谋于 1987 年创办的台积电进一步迎合了这个趋势。他认为，随着计算成本的降低，芯片需求会在各个领域迸发，催生出很多不具备生产能力的芯片设计公司。台积电先从英特尔等巨头觉得利润低的成熟芯片代工做起，逐渐积累制造经验和规模优势，推动了芯片产业的专业化分工：

设计公司通过 EDA 等软件设计好电路图，交给制作掩膜的公司，形成芯片模版，芯片制造商拿到掩膜，在硅片上加工，经历清洗、光刻、蚀刻、掺杂、沉积、抛光等数百道工艺，经测试无误，切割成一个个的裸片（Die），然后交给专门的封测公司，封装进保护外壳，连接外部电路，经过最终测试后，将芯片成品交付给设计公司，再装进电子设备中。

相比台积电只负责芯片制造的 “Foundry 1.0” 时代，魏哲家口中的 “Foundry 2.0” 现阶段多了掩膜版和先进封装，二者都是技术难度高且利润丰厚的环节。魏哲家说，2023 年全球芯片代工行业规模为 1150 亿美元，但是在 Foundry 2.0 的新定义下，行业规模将倍增至 2500 亿美元。台积电在全球晶圆代工市场的市占率也因此从 61% 降到了 28%。

一定程度上，Foundry 2.0 只是一个看似让台积电增长潜力更大、垄断风险更低的数字游戏。台积电在芯片代工领域站稳后，就开始把业务逐渐延伸到掩膜和先进封装环节。

1998 年，台积电开始为客户提供掩膜版。掩膜制作会涉及芯片加工的技术机密，越是先进工艺，晶圆厂越倾向于自主生产。而且，掩膜版制作是芯片设计公司流片（小批量生产，验证芯片设计方案）时的主要成本。台积电提供掩膜版 “拼单” 服务，能让多个芯片设计客户复用部件，分担掩膜成本。

掩膜版的功能类似于传统相机的 “底片”，是光刻工艺中连接设计与制造加工的关键材料。芯片制造商需要借助光刻机和光刻胶，通过掩膜将芯片设计电路图形以曝光方式 “复印” 到基板或晶圆上。

据国际半导体产业协会 SEMI，全球芯片掩膜市场规模接近百亿美元，其中 2/3 来自晶圆厂自有产线。台积电只生产相对先进的掩膜版、而且只供自己的客户使用，就已经是全球最大的掩膜制造商。

台积电的先进封装业务始于 2009 年，退休高管蒋尚义重回公司，提出要做区别于传统封装的先进封装。他认为，芯片制程沿着摩尔定律飞速进步，但芯片之间封装的金属间距却在 110 微米上停滞了 20 年，成为阻碍技术进步和成本降低的瓶颈，比如过宽的金属间距导致 GPU 和 DRAM 离得太远，会影响传输速度。

得到 400 名工程师和价值 1 亿美元的设备支持后，蒋尚义带领团队开发出第一代先进封装技术 CoWoS。CoWoS 由 CoW 和 oS 两部分组成，CoW 代表 Chip on Wafer，指的就是前述芯片封装在硅晶圆上的过程，oS 代表 on Substrate，再将封好的晶圆连接在基板上。oS 更接近传统封装，技术含量和利润率不高，台积电至今仍将这部分流程外包给封测厂。

刚开始，成本高昂的 CoWoS 并没有获得市场认可。台积电牺牲部分性能、大幅低成本，开发出第二个先进封装技术 InFO，借此获得不弱于三星的芯片封装方案，吸引苹果下单。

性能更佳、但成本昂贵的 CoWoS 最终也在坐了十多年冷板凳之后，等来人工智能芯片的需求爆发。即使今、明两年连续翻倍扩产，台积电的 CoWoS 产能仍旧供不应求，预计到 2026 年才能供需平衡。

在先进的 AI 芯片中，先进封装的价值更高。据芯片行业分析师 Robert Castellano，一张英伟达 H100 生产成本约 3000 美元，其中台积电先进制程代工费用为 155 美元，而先进封装 CoWoS 费用为 723 美元。

魏哲家说，目前台积电先进封装的毛利率已接近公司整体毛利率（53%）。这个水平差不多是目前头部封测厂商的三倍。


投资先进工艺 “性价比” 变低，台积电加速进入晶圆代工 2.0


台积电的成功，首先在于它敢烧钱。台积电每年赚的钱，都会在买设备、建厂等资本开支上花个干净。在关键节点，不惜举债投资。

2010 年前后，苹果为自研芯片寻找代工方，英特尔因为报价太低拒绝。但张忠谋认为，苹果的大批量订单，将给台积电带来规模优势，于是找银行借了 70 亿美元为苹果建设产线，这笔钱差不多是当时台积电两年的利润。回报则是台积电拥有了全世界最有能力和意愿为先进芯片制造工艺买单的大客户，推动它建立商业循环——投入资金研发先进工艺，获得更多收入，能继续投入研发，并借此建立技术优势。

过去三年，台积电每年的资本开支都超过 300 亿美元，超过全球前五大芯片设计公司（英伟达、高通、博通、AMD 和联发科）的净利润之和。没有一家芯片设计公司愿意投入这么多钱建产线，但它们在激烈的竞争中持续开发先进芯片，最终都成了台积电的客户，让台积电的商业循环更稳固。

英特尔、三星原本希望借助公司内部的业务订单建立这样的商业循环。但随着摩尔定律走向衰竭，芯片性能提升越来越难，投资研发先进芯片制造工艺更昂贵。建设一座 28 纳米晶圆厂，需要投资 60 亿美元，5 纳米需要 160 亿美元，而到了 3 纳米则需要近 200 亿美元。

但更昂贵的制造工艺给产品带来的收益越来越不明显，以至于去年只有苹果选择在 iPhone 上使用 3 纳米制程的芯片，第一次把高通等竞争对手甩开。客户采购芯片的花费，就是晶圆厂的研发投入。三星、英特尔逐渐在这场竞争中败下阵来。

反而是不断衰退的摩尔定律，成为打断台积电循环的潜在因素。芯片制程在纳米级走到极限，每两年把芯片上的晶体管尺寸缩小一半，压榨出更多性能，变得更加困难。一旦技术进步放缓，台积电靠高额投入建立的技术优势就会削弱。

台积电需要新的方法来延长技术进步与投资循环的跑道，新的突破口就是先进封装工艺。从制造工序看，先进封装更加接近传统的芯片制造而不是封测，台积电对此投入多年、经验丰富，在量产速度和良率上明显领先于其他芯片制造或封测厂商。

台积电正在先进封装领域复制此前的烧钱循环。今年 7 月的财报电话会上，台积电 CFO 黄仁昭称，今年的资本开支下限从 280 亿美元上调至 300 亿美元，其中 70% 至 80% 投向先进制造工艺，10% 投给先进的封装测试以及光掩膜技术，预计台积电 CoWoS 先进封装产能，今明两年都会翻倍增长。

目前，台积电正在研发下一代封装技术 SoIC，苹果已经预订了明年的第一批产能。


台积电越关键，世界预防它出错的代价也越大


单点故障（SPOF，Single Point of Failure）指的是那些只要一个部件失效，就会让整个系统崩溃的关键零部件。

在芯片行业，接到最多订单的制造商会拥有最多利润，能够投入最多的钱，得到最先进工艺和最多的产能，然后以最好的技术和最低的成本吸引更多订单，获取更多利润。

芯片这样快速变化且需要超高投资的超长赛道，已经孵化了多个 SPOF 公司——台积电、ASML、英伟达，它们彼此依赖，建立了一条几乎没有弹性的供应链。

但在全球化不是必然选择的今天，芯片成为国家间的竞争武器，大国政府也在试图纠正行业中的 “单点故障”。地域属性最强的台积电首当其冲。

2017 年，美国政府委托一群芯片公司高管和专家学者研究芯片行业的未来，他们在一份递交给总统的报告里敦促政府加倍对国内芯片行业的扶持。过去几十年，除了芯片设计和设备环节仍旧领先，美国本土的芯片制造份额所剩无几，而且没有一家光刻机制造商，愈发依赖于几个脆弱的瓶颈。

五年后，美国政府正式推出《芯片与科学法案》，为美国本土建设晶圆厂准备了 390 亿美元补贴，其中 66 亿美元给了台积电，要求它把相对先进的芯片产线建到美国。美国芯片制造商得到的补贴更多，英特尔拿了 85 亿美元，美光 61.4 亿美元，从 AMD 分离出来的格芯也有 15 亿美元补贴。

可是今天仅靠政府投入，已经很难和整个市场和全球消费者哺育出的芯片巨头竞争。美国政府早期买走了硅谷芯片公司生产的所有芯片，而今天它的买量只占整个美国芯片市场的 2%，能给的钱也远比不上客户给台积电的。作为买家的苹果 CEO 蒂姆·库克（Tim Cook），对芯片行业的影响力可能比五角大楼的官员更大。

台积电美国工厂初期的建设成本是中国台湾的至少四倍，两地截然不同的工作文化让它很难在当地招到合适人才、维持高效运转。在政府补贴撬动下，雄心勃勃到生产芯片并不经济的欧美大举投资的英特尔，陷入成立 56 年以来最严重的财务危机。

如果有选择，台积电的客户们也不愿意完全依赖单一供应商。苹果一直以来习惯于培养第二、第三供应商，借此压低成本、管控风险。唯独在芯片制造上，苹果自 2016 年起就只有台积电一家供应商。

但建立台积电这样的公司需要巨大投入，而想要纠正或替代它的代价更甚。

题图：视觉中国

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谢谢楼主分享。