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代工之争,燃烧在芯战后方的狼烟
作者:佚名  点击数:1650   更新时间:2019-11-19 11:12:59

照片来源@ vision china

文|吴矩研究所,作者|曲

9月11日清晨,在一年一度的苹果秋季大会上,除了宣布新iphone之外,还有苹果新的a系列芯片——a13仿生芯片。

在介绍芯片时,网民们惊讶于苹果今年也玩ppt,并比较了友好商家的芯片性能。除小龙855和小龙845外,华为p30 pro使用的麒麟980也榜上有名。

虽然这在苹果的新闻发布会上很少见,但这种与朋友芯片的比较形式已经成为新产品新闻发布会上证明自己手机质量的最核心证据。因此,在手机新闻发布会现场,其实是芯片品牌制造商pk的战场。

虽然芯片制造商在前线激烈战斗,但在后方芯片制造中隐藏着更激烈的战场。在这场没有硝烟的战斗中,发生了太多的阴谋,有时,如果竞争太激烈,很容易造成因意外开枪造成的前线战场大屠杀。

这对后来在复杂的芯片战场上进入世界的新晶圆代工企业意味着什么?

我仍然记得1946年2月14日,世界上第一台电子计算机eniac在美国问世。这是一个巨大的物体,有17,468个电子管,60,000个电阻,10,000个电容和6,000个开关。它重30吨,占地160平方米。然而,如果与目前的计算机相比,它的计算能力不如今天的便携式计算器。

73年后,计算机现在如此之薄,以至于可以随身携带,而且它们的计算能力也大大增强了。所有这些都取决于半导体的发现和电子电路的发展。

世界上第一次发现半导体的人是法拉第,英国电子学之父。从那时起,这种位于绝缘体和导体之间并具有可控导电性的材料已经应用于电子器件。特别是在第二次世界大战期间,由于战争中对雷达和无线电技术的巨大需求,英美军方开始在半导体器件的研究上投入更多。

然而,人们最初知道的大多数半导体是金属硫化物或氧化物,它们不是制造电子器件的最佳材料。此外,人们逐渐意识到电子管制造的机器不仅体积庞大,而且非常昂贵。1947年12月,贝尔实验室的肖克利、布莱顿和巴顿用锗制造了第一个晶体管。

与真空三极管相比,晶体管制成的电脑体积更小,更省电,运行速度也大大提高。然而,电路仍然是由分立元件组成的,直到德克萨斯仪器公司的杰克·基尔比无意中想出了一个主意。

1958年,他在锗半导体芯片上增加了晶体管和其他元件,并用细金属线连接这些元件,从而形成了世界上的集成电路。此后不久,飞兆半导体的诺伊斯(Noyes)也在第二年开发了另一种基于硅平面技术的集成电路。

集成电路已经完全改变了电子产品的外观。然而,自然界中锗的含量非常有限。相反,地球上的硅储量非常丰富。地球上各处沙子的主要成分是二氧化硅。此外,二氧化硅在常温常压下具有很好的强度和耐腐蚀性。因此,集成电路的原材料被锗中的硅所取代。

从那时起,飞兆半导体因其发明家的身份而享有短暂的荣誉。飞兆半导体没有落后。英特尔和amd等许多半导体公司已经出现,它们都位于美国西海岸的一个狭长地带。随着时间的推移,这个地方的名字已经成为全世界半导体产业集群的同义词。这是硅谷。

如果硅谷见证了世界半导体的快速发展,那么英特尔创始人戈登·摩尔预测了晶体管的发展速度,即“当价格保持不变时,集成电路上可容纳的元件数量将大约每18-24个月翻一番,性能也将翻一番。”

近年来摩尔定律下微处理器晶体管的数量(维基百科)

事实上,根据摩尔定律的预测,集成电路上的晶体管数量从20世纪60年代的不到10个增加到80年代的10万个,90年代的1000万个,现在高达上亿到103亿个。因此,摩尔定律也成为后来半导体公司相互赶超的基准。

在早期,半导体公司大多是集成元件制造商(idm),从事从集成电路设计、制造、封装、测试到销售的所有工作。然而,随着半导体芯片的设计和制造变得越来越复杂和昂贵,单个半导体公司往往负担不起从上游到下游的高研发和制造成本。

从20世纪80年代后期开始,半导体行业逐渐走向专业分工,分为负责设计的上游公司和负责包装和制造生产的下游公司。然而,这种分裂的开始源于TSMC的建立。

1987年,当张忠谋准备建立TSMC时,世界上的半导体工业已经被以英特尔和德克萨斯仪器公司为代表的idm大型工厂所控制。张忠谋清楚地知道,面对这些大工厂无疑是一次冒险,所以他决定用另一种方式把TSMC变成一家专门的晶圆代工公司。

此后,TSMC率先在晶圆制造产业链中开辟了一种独特的铸造模式,这种模式只负责芯片制造或密封测试,也就是经常被提及的铸造模式。此外,TSMC的成功也使得这种新兴的铸造模式发展迅速,成为半导体行业的主要模式。

不久,TSMC周围出现了许多“抢肉”的力量,但对于第一个占领高地的TSMC来说,局势已经变得“易防守难进攻”。多年来,TSMC一直处于晶圆代工行业的领先地位,即使是最后几名的排名也几乎没有改变。

然而,即使表面没有波浪,只要不是一滩死水,水面下也会有潜流,晶圆厂也是如此。

张忠谋成为第一个敢于吃螃蟹的人。随着这种新模式逐渐被市场接受,当它开始风雨飘摇时,它引发了台湾另一家半导体公司联华电子(莲花电子)的战争。

联店是一家拥有多年历史的idm公司。为了对抗TSMC,连城、李安瑞、贾立安晶圆代工公司于1995年与美国、加拿大等地的11家ic设计公司联合成立,代价是放弃自己的品牌,将其改造成纯粹的专业晶圆代工公司。

两年后,工厂开始试生产,并取得了可喜的成果。就在莲店逐渐看到打败TSMC的希望并开始放出英雄的话“莲店两年内一定会杀了TSMC”的两天后,一场无情的大火摧毁了莲店拥有的李安瑞工厂。

这场大火不仅摧毁了数十亿家工厂,还摧毁了预期利润为20亿元的订单。在很短的时间内,UMC从一个繁荣的企业变成了负债累累的企业,错过了半导体发展的高峰,造成了大量的客户损失。

UMC的经历只能归因于“运气不好”,而不是在与TSMC积极技术的竞争中失利。因此,UMC心里有点遗憾。另一方面,TSMC仍然保持着稳步前进的领导地位。与此同时,TSMC也知道,如果它总是处于高位,它总是担心有人会爬上去把自己推倒。最好的方法是足够强壮。

当半导体元件越来越小时,不仅晶片本身需要改进,中间连接的金属线也需要更新。当时,主要有两种解决方案来解决向后布线的问题。一种是直接更换材料,用电阻较低的铜代替铝,另一种是选择低k介质(低介质绝缘)作为介质层材料。

就在2000年,美国专利“富人”ibm发现TSMC和UMC同时出售一种0.13微米铜工艺和低钾材料的新技术。面对现成的新技术,UMC欣然接受,而TSMC选择自己开发。

然而,UMC没有想到ibm的技术会局限于实验室。实际上,产率太低,无法实现大规模生产。另一方面,TSMC 2003年自主研发的0.13微米工艺技术赢得了客户的好评,这再次大大扩大了UMC与其营业额的追赶距离。

鉴于台湾省不再是TSMC的竞争对手,TSMC放眼国际社会,开始以积极主动的战略挑战idm工厂。三星在亚洲战区是第一个受到挑战的。

当时,三星不仅设计生产了自己的处理器,自给自足了自己的电子产品,还收回了苹果手机处理器的订单,这可以说是风雨中的风暴。然而,随着三星手机与苹果手机在后期的摩擦,TSMC立即发现三星与苹果法律关系出现裂痕的机会,并于2014年开始进入苹果A系列处理器供应链。

在被TSMC抢走苹果蛋糕后,2015年,两者之间的情况再次逆转,这一次是在这个过程中。

来源:西南证券

TSMC之前在20纳米工艺上领先三星,但不久前仍担心20纳米工艺产量的三星突然跳过16纳米工艺,直接引入了14纳米工艺,从后到前用了不到半年的时间。

三星的插件增长已经开始将外界归咎于梁梦松,梁梦松在离开TSMC后被置于三星旗下。梁梦松在TSMC取得了杰出的成就。2009年离开TSMC后,他受雇于三星。同样在三星任职期间,三星的制造技术发展迅速。2011年底,TSMC正式起诉梁梦松泄露商业秘密。

当然,一个公司的进步不能全部归功于一个人。只是一切都太巧合了。诉讼结束后,梁梦松也从三星出来,并于2017年10月正式加入SMIC。然而,历史总是如此相似。梁梦松加入之前,TSMC用同样的方法对待新半导体公司SMIC。

SMIC和TSMC之间的联系始于SMIC的创始人张汝京。

SMIC成立前,张汝京在台湾省成立了一家名为实达的半导体公司。这是台湾继TSMC和联华电子之后的第三家晶圆代工制造商。后来,随着时代变得越来越大,它开始威胁TSMC在台湾的地位。因此,张忠谋出面与张汝京讨论收购实达的计划。

TSMC在2000年购买了世界半导体公司。同年8月24日,SMIC在上海正式建了一个桩。仅仅过了13个月,SMIC就有了一个8英寸的晶圆厂,这在业界是一个奇迹。

SMIC的快速发展吸引了来自TSMC的频繁诉讼和骚扰。

原因是当张汝京创建SMIC时,大多数初创团队都是TSMC的前雇员。2003年8月,在SMIC即将在香港上市的关键时刻,TSMC抓住机会起诉加州的SMIC涉嫌向前雇员泄露商业秘密。从那以后,TSMC以同样的方式多次骚扰SMIC。

面对TSMC没完没了的诉讼,两者之间的矛盾终于在2009年9月完全爆发。上次争端解决仅一年零七个月后,TSMC第四次对SMIC提起诉讼,并赢得了诉讼。然而,在双方就赔偿规则签署和解协议几小时后,张汝京退出争端,结束了与TSMC的关系。

虽然SMIC为此付出了惨痛的代价,但它并没有阻止SMIC的快速发展,现在它已经稳稳地跻身世界十大纯晶圆厂的前五名。

对这场战斗的胜利者TSMC来说,旅程还远未结束。相反,此时的战斗形势已经显示出金字塔的趋势。离塔顶越近,压力就越大,任何粗心都会给前面的上游企业带来麻烦。

芯片制造过程中的每一个环节都至关重要。只要留下一个环节,就会产生多米诺骨牌效应,影响全身。尽管晶圆代工不如设计者耀眼,但它是整体中最基本、最关键的一环。像水、电和煤气一样,它在平时很容易被忽视,但是如果出了问题,它会影响正常生活。

最近,名单上的一家代表工厂和TSMC之间的诉讼已经蔓延到上游企业,但这场诉讼的原告不再是TSMC,而是来自美国的电网核心。

辛格是一家工厂,于2009年3月从amd分离出来。尽管辛格是一家老牌工厂,但它的合同制造业务却相当艰难。例如,当TSMC在2011年大规模生产28纳米工艺时,辛格直到一年多以后才正式生产。因此,自成立以来,辛格的利润一直为负,尤其是2014年净亏损高达15亿美元。

事实上,大部分损失都是由网格核心本身造成的,因为网格核心的14纳米鳍场效应晶体管工艺是由三星授权的,7纳米工艺技术全部由2014年收购的ibm半导体公司(ibm Semiconductor)收购。缺乏独立的研究和开发能力使得网格核心在这个说技术的行业中变得困难。

此外,根据摩尔定律,如果我们想留在制造过程中,我们必须投入大量的研发资金,这正是电网不能拿出的。最后,在2018年8月27日,电网不再能够站起来宣布将制造技术搁置在7纳米以下。然而,就在一周前,联电还宣布不会投资12纳米以下的先进技术。

电网核心的规模已经不足以单独挑战TSMC,但近年来它并没有袖手旁观。

辛格曾于2017年向欧盟执行机构欧盟委员会(European Commission)指控TSMC操纵市场,并于2018年向中国当局提交了针对TSMC的反垄断调查。此外,辛格于今年8月26日在美国和德国法院指控TSMC及其客户侵犯了该公司的16项专利技术。

辛格一次又一次骚扰TSMC,希望动摇TSMC客户对TSMC的压力,影响其决策,从而为自己赢得一些利益。然而,这一次辛格的炮火不仅瞄准了TSMC,还瞄准了许多高科技企业,包括苹果、伯通、高通、Avida、思科、谷歌和联想。

在提起诉讼的同时,格网核心还申请了法院禁令,以防止侵权技术制造的TSMC产品被进口到美国和德国。因此,一旦TSMC与网格核心之间的诉讼破裂,网格核心的做法将直接威胁到TSMC客户。

这并不是合同制造商与TSMC竞争造成“意外伤害”的唯一案例。当三星试图从TSMC手中夺回苹果芯片时,它不得不在制造过程中追逐它,并最终与TSMC合作,在2015年推出的iphone 6s上开发苹果a9处理器。

然而,三星急于赶上TSMC。结果,在台湾发布的iphone 6s中,三星生产的14纳米手机不如TSMC生产的16纳米手机有效,电池寿命也不如后者,导致了苹果芯片门事故。

据说狙击和蛤蜊争夺利润,但在当年三星和TSMC的竞争中,苹果没有利用最初采用的双合同制造模式,而是被用户大规模退货。从那以后,苹果的手机处理器已经与TSMC签约很长时间了。

可以说,从芯片制造到销售,芯片产业链中的公司实际上是“同一条线上的同一只蚱蜢”。然而,当全球化与他们的命运紧密相连时,起步较晚的新生铸造工人将如何保护自己,甚至攻击他们?

根据拓运工业研究所发布的最新报告,晶圆代工厂商在2019年第二季度排名前五,与去年持平。TSMC以49.2%的市场份额稳坐第一位,与第二位的三星有一定差距,但第三至第五位的份额相差不大。

由此可以看出,未来晶圆厂之间最激烈的战争将发生在1号和2号之间,然而,在摩尔定律的压力下,尽管TSMC和三星在制造过程中仍在相互追逐,但从近年开始,关于摩尔定律即将到期的评论层出不穷。

今年1月,Avida首席执行官黄仁勋在ces 2019上预测了摩尔定律的未来:“摩尔定律过去每5年增长10倍,每10年增长100倍。如今,摩尔定律每年只能增长几个百分点,而且每10年可能只会翻一番。所以摩尔定律结束了。”

在视频网站上,名为datagraph的账户还上传了一段关于摩尔定律在vs.cpu/gpu 50年发展的视频。

在不到5分钟的视频中,1965年提出的摩尔定律将一直演示到2019年,最终,直到屏幕上显示出摩尔定律将于2025年终结的结论,以后产品的更新速度才会跟不上摩尔定律。

不管摩尔定律将来是否会失败,TSMC和三星至今仍在突破半导体发展的极限。相反,近年来,芯片制造商的进展因摩尔定律(Moore's Law)的失败而放缓,这对新生的半导体企业来说不一定是好消息。

重要的是要知道排名第三和第四的电网核心和联电已经停止了它们的制造过程。排名第五的中国核心国际现在正是赶上前两山的时候。

因此,与电网核心和联合电力制造流程的暂停相比,三星TSMC的制造流程已经延期。现在新生的“核心”正面临着反向攻击的挑战和机遇。

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