臺灣半導體產業再進入一個新的裡程碑

臺灣半導體產業再進入一個新的裡程碑

technews 發表於 2020-11-26 16:06:24

臺灣叱吒全球的半導體產業再進入一個新的裡程碑！那就是晶圓代工龍頭臺積電位在南科的3 納米廠正式舉行上梁典禮。根據外媒《彭博社》的報導指出，臺積電的3 納米製程預計將在2022 年的下半年正式量產。臺積電董事長劉德音也表示，3 納米廠廠房基地面積約為35 公頃，無塵室面積將超過16 萬平方公尺，大約是22 座標準足球場大小。而屆時當3 納米進入量產時，當年產能預估將超過每年60 萬片12 吋晶圓，這也將使得臺積電繼續保持技術領先地位。

根據市場研究及調查機構《IC INSIGHTS》的最新研究數據顯示，2020 年全球前15 大半導體廠當中，臺積電的年營收可望達454.2 億美元，將僅次南韓三星（Samsung）及處理器龍頭英特爾（Intel），居全球第3 大半導體廠。不過，相較於三星有記憶體及晶圓製造，英特爾以銷售處理器及其他晶片為主的商業模式，臺積電則是其中唯一的純晶圓代工廠。

另外，根據TrendForce 旗下拓墣產業研究院的調研結果顯示，2020 年第3 季臺積電在全球晶圓代工市場的市佔率高達53.9%，也就是在前10 名的晶圓代工企業當中，其他9 名的總和都沒有臺積電一家多。而這今日的臺灣之光，掌握全球半導體製造產業的重要關鍵，當時是如何建立？這就得從1974 年在臺北的一場會議中談起。

推動經濟轉型促成兩大龍頭

1974 年，當時的行政院秘書長費驊，會同包括經濟部長孫運璿、交通部長高玉樹、電信總局局長方賢齊、工研院院長王兆振與電信研究所所長康寶煌等政府官員，再加上美國無線電公司（ RCA）研究主任潘文淵聚在一起討論如何促進臺灣經濟轉型，希望能從原本的紡織業轉而發展電子業。討論結果最後決定，藉由政府的主導來發展集成電路產業，由經濟部在工研院底下設立「電子工業研究發展中心」，也就是後來的工研院電子所，以電子表使用的晶片為基礎，預計自美國引進集成電路技術。

潘文淵邀集海外華人組成「電子技術顧問委員會」（TAC），為工研院擬定技術合作邀請函，詢問30 多家美國半導體廠商技術移轉的意願，最後選定RCA。當時RCA 已經在臺灣設廠生產電子產品，而且願意代訓人才，並負有更新技術之義務，以及買回所生產出的晶片，因而雀屏中選。當時工研院選派楊丁元、史欽泰、章青駒等多人赴美國RCA 工廠培訓，回臺灣在電子所設立集成電路示範工廠，後來這些人均成為臺灣半導體產業的關鍵人物。

而電子示範工廠生產的首批電子表電路CD4007 A 的良率為55.7%，但4 個月後便超過RCA 估計的最高良率80%。此後甚至超越美國的平均良率83%，而達到88%，連RCA 都自嘆不如。後來，RCA 甚至一度請求工研院將示範工廠或是技術賣回RCA，但為工研院拒絕，之後開啟了臺灣集成電路產業的輝煌世代。

不過，產品大受歡迎的情況下，卻產生了另一個問題，那就示範工廠越來越商業化，需要擴廠的資金需求也越來越高，而這與工研院身為研究機構，準備專心第二期集成電路研究計畫產生衝突，因此決定將示範工廠切割出去，這也就是在1980 年成立衍生公司聯華電子（聯電）的由來。

至於，後來臺積電的成立，則是工研院電子所「超大型集成電路計畫」的產物，之後成為繼聯電後的第2 家衍生公司。如同聯電一般，1987 年成立臺積電之際，時任行政院長俞國華希望民間持股能夠至少有51%，以便確保臺積電成為民營公司，但是同樣因為臺灣企業家缺乏信心而募資不順，最後只得尋求外資合作，之後由行政院開發基金投資48.3%、荷蘭飛利浦公司投資27.5%，本地民間資本僅佔24.2%。

英特爾也幫了一把

臺積電創立後，1988 年董事長張忠謀做了一個關鍵的決定，那就是透過私人情誼將老朋友Andy Grove（前英特爾創辦人暨執行長）請到臺灣對臺積電展開認證，並爭取為英特爾代工產品。當時，拿到英特爾的認證對於臺積電來說至關重要，因為拿到世界級的認證就是對其生產能力最好的背書，同時也為公司建立起了規章制度上的國際化標準。

在順利通過英特爾的認證之後，等於為其所擁有的晶圓代工模式打開生意的大門，使得成立不久的臺積電逐漸步上穩健的經營軌道，並在1994 年9 月5 日正式在臺灣證券交易所上市，股票代碼為2330.TW。之後的1997 年10 月8 日，臺積電海外存託憑證又在紐約證券交易所上市，股票代碼為TSM.N。

而隨著臺積電後來在晶圓代工領域驚人的成功，尤其是在營業額屢創新高之際，依舊維持將近50% 的毛利率，臺灣及世界各地的半導體設計公司因此大幅增加，加速了半導體產業的技術進步。之後，許多企業爭相模仿，首先是新加坡的特許半導體（Chartered Semiconductor）也以純晶圓代工模式與臺積電競爭，此外，南韓三星、日本的富士重工、川崎鋼鐵、神戶鋼鐵與山葉以及美國的英特爾等公司，也在自身業務外投入晶圓代工產業。

面對晶圓代工市場的百花齊放，此時的臺積電仍依照自己既定的步伐邁進。1999 年，臺積電領先業界推出可商業量產的0.18 微米銅製程製造服務。2001 年，臺積電推出業界第一套參考設計流程（Reference DesignFlow），協助開發0.25 微米及0.18 微米的客戶降低設計障礙，以達到快速量產之目標。2005 年，領先業界成功試產65 納米製程晶片。同年6 月，張忠謀辭去臺積電執行職務，將棒子移交給其一手培養起來的接班人蔡力行，自己則僅擔任董事長的職務。

世代交替幾經波折

不過，世代輪替後的臺積電並沒有因此而一帆風順。首先是2008 年全球金融海嘯衝擊，使得2009 年營收較2008 年下滑了11.2%，而且還因為勞資爭議事件鬧的滿城風雨。再加上當時臺積電正在積極開發的40 納米製程遇上瓶頸，這些因素都讓公司營運面臨虧損的危機。

2009 年6 月，在卸任4 年之後，張忠謀以78 歲高齡，重新回鍋擔任臺積電執行長職務，透過一系列的危機處理，使臺積電的營運重回正軌。而其中之一的關鍵，就是繼40 納米製程之後的28 納米製程，臺積電決定採用與英特爾相同的Gate-last 架構，放棄IBM 的Gate-First 架構，使得當時同樣在開發28 納米製程的競爭對手聯電、三星、格羅方德都還持續在研發卡關的時刻，臺積電能在2011 年正式量產28 納米製程。

28 納米製程搶先成關鍵

有人稱28 納米製程為幫助臺積電後來全面脫胎換骨的關鍵，現在看來一點都不為過。原因在於當其他競爭對手都還持續在與28 納米製程技術奮鬥之際，臺積電率先推出28 納米製程晶片，使得製程技術和臺積電落差無法縮小落差的情況下，只能在65 及40 納米的技術節點上彼此削價競爭。使得當初以高階晶片為主的IC 設計公司在選擇代工廠之際，可說除了臺積電以外，就沒有第二選擇，也因此使得臺積電在28 納米節點上的優勢維持了數年之久，而該製程亦可說是歷年來對臺積電營收貢獻最大的製程之一，這也使得臺積電之後進一步拉大與其他競爭對手差距，成為持續穩坐晶圓代工龍頭的最大助力。

2013 年，臺積電挾28 納米製程的技術與市場優勢，推出半節點升級的20 納米製程，只是，20 納米為28 納米製程所改良而來，在晶片面積微縮及功耗提升有限的情況下，較知名的除了蘋果的A8 處理器外，正式採用的客戶並不多，未能延續臺積電在28 納米製程上的優勢，使得這時的臺積電開始將期望放在下一個全節點提升的16納米製程發展上。

被迫與三星分單反突顯優勢

2014 年，臺積電推出在20 納米製程基礎上加入FinFET 技術而成16 納米製程，並且取得使用於搭載於蘋果iPhone 6s 和iPhone 6s+ 智慧型手機上A9 處理器的部分訂單。當時，臺積電的競爭對手南韓三星，因為在28 納米製程上始終無法突破臺積電的優勢之後，就將發展目標進一步跳過20 納米製程，放置到更先進的14 納米製程上，並且找來前臺積電負責研發的梁孟松進行技術指點，之後領先臺積電的16 納米製程，率先推出14 納米製程，後來還與先前持續在製程上領先臺積電共享蘋果A9 處理器訂單。

當時，蘋果採取了使用雙供應商的策略，同樣的晶片設計分別由三星電子和臺積電完成晶圓代工。三星生產的晶片代號為APL0898，使用14 納米製程製造，面積為96 平方公釐；而臺積電生產的晶片代號為APL1022，使用了16 納米製程製造，面積為104.5 平方公釐。雖然略有區別，但是蘋果宣稱性能並無顯著區別。

之後，2015 年10 月，市場卻傳出，根據測試程式的結果，搭載三星代工晶片的iPhone 續航能力，較搭載臺積電代工晶片的iPhone 更低的情況，一系列報導引起了消費者熱議。雖然，這消息為蘋果及三星所否認。但是自A9 系列處理器之後，蘋果自A10 系列處理器開始，直到近期最新的A14 系列處理器，蘋果就再也沒有讓三星進行代工，可以想像這次事件影響的巨大。

製程優勢一路領先

雖然臺積電與三星在16 及14 納米製程上仍在激烈競爭，但當時的臺積電已經開始著手新一代10 納米製程的開發，而這其中還加入臺積電後來關鍵的致勝武器──InFO 扇出型晶圓級封裝技術，並在2016 年正式推出。事實上，扇出型晶圓級封裝技術早在2010 年就已經被英特爾研發出來，最初用在英特爾的行動解決方案上，但可惜的是，英特爾並未堅持下去，反而臺積電接手該技術的研發，並推出完全版的InFO 封裝技術。而該封裝技術的最大好處就是降低成本、加快晶片製造周期，在製程良率達到最佳水平時效率尤其明顯。

隨著10 納米製程之後，臺積電緊接著迎接個位數納米製程的來臨。臺積電的第1 代7 納米製程於2017 年4 月開始開始大規模投產，相較於上一代的10 納米FinFET 製程技術，臺積電的7 納米製程技術在邏輯閘密度提高1.6 倍，運算速度增快約20%，功耗降低約40%。至於，第二代的7 納米（N7+）製程技術，在採用了及紫外光曝光技術（EUV） 之後，則於2018 年8 月開始試產。

而臺積電也曾表示，自2020 年7 月份終於生產出了第10 億個7 納米製程晶片之後，換句話說，7 納米製程自投產開始，到生產出第10 億個晶片僅花費27 個月的時間，在平均每個月生產出3，700 萬片7 納米晶片的情況下，使得該製程較過去的其他製程都要更快達到其量產規模。另外，目前採用7 納米製程的客戶有數十家，其所生產的產品搭載在100 多種的產品上，而如果將這10 億個內含數十億個電機體的7 納米晶片鋪平，則足以覆蓋13 個紐約曼哈頓。

緊接著7 納米製程的發展，2020 年臺積電的5 納米製程也進入正式的量產階段。而根據臺積電公布的資料顯示，5 納米製程將會是臺積電的再一個重要製程節點，其中將分為N5、N5P 兩個版本。N5 相較於前一個節點的N7 的7 納米製程性能要再提升15%、功耗降低30%。而更先進的N5P 則將在N5 的基礎上再將性能提升7%、功耗降低15%，而N5P 製程技術則預計於2021 年正式量產。

回顧歷程，臺積電在1987 年成立時由1 座6 吋廠開始，如今已經發展成擁有4 座12 吋超大晶圓廠、4 座8 吋晶圓廠和1 座6 吋晶圓廠，並擁有一家百分之百持有之海外子公司──臺積電（南京）有限公司之12 吋晶圓廠，及2 家百分之百持有之海外子公司──WaferTech 美國子公司、臺積電（中國）有限公司之8 吋晶圓廠，再加上4 座後段封測廠的跨國性大型半導體公司。

截至2019 年為止，臺積電也提供最廣泛的先進位程、特殊製程及先進封裝等272 種製程技術，為499 個客戶生產1 萬761 種不同產品。而2020 年前3 季也繳出，收達新臺幣9，777.22 億元，較2019 年同期增加29.9%，毛利率52.8%，較2019 年同期增加8.5 個百分點，稅後純益3，751.19 億元，較2019 年同期增加63.6%，每股EPS 為14.47 元的亮麗成績。緊接著，隨著南科3 納米廠的逐步完工，預計臺積電未來還將持續發展，其將能為者個半導體產業帶來什麼樣的改變，也讓大家持續期待。
       責任編輯:tzh

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