1900億美元市值台積電：一個巨頭的誕生（上）

2020-10-22

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作者 | 不會功夫的熊貓

編輯 | 湯包子

在當今世界如果缺少了半導體晶片，人類社會可能就會直接倒退到20世紀50年代之前的電氣化時代。

智能網際網路，物聯網，雲技術，人工智慧等這些已經或正在改變這個世界技術性力量，其底層物理組成就是一個個微小的晶片。

據統計數字，2015年中國集成電路進口金額2307億美元，耗費超過原油，成為我國第一大進口商品，出口集成電路金額693億美元，進出口逆差1613億美元。

2016年中國集成電路進口金額依然高達2296億美元，出口集成電路金額635億美元，進出口逆差1661億美元。

雖然中國擁有全球最核心的半導體市場，但中國半導體行業處在一個較為尷尬的狀態，供需嚴重不匹配，需要大量依賴外部輸入。

目前半導體行業對於中國的戰略重要性日益凸顯，國家成立國家集成電路產業投資基金對中國半導體產業大力投資，旨在舉國家之力使產業做強。

為了更好地了解這個產業，我們不妨放眼全球從行業全球龍頭公司入手，以期望能夠做到高屋建瓴，重新審視一下這個行業。

半導體處於導體與絕緣體中間，主要代表性半導體材料為矽。

半導體用來製造電子元件的原因在於：

1、原料來源豐富，地殼中矽的占比較高；

2、矽可以進行摻入雜質，精確控制導電性。

因此矽用來製造重要的半導體組件電晶體。

世界上第一個電晶體（圖片來自網絡）

電晶體是一種半導體器件，可以作為一種可變開關，基於輸入的電壓，控制流出的電流，因此電晶體可做為電流的開關，更成為了二進位邏輯運算「0」和「1」的物理基礎，而且開關速度可以非常之快，這個特性在未來快速運算領域發揮巨大作用。

過往業界通過先生產電晶體、電阻、電容等電子組件，隨後再把組件連接起來形成電路，非常耗時耗力。

德州儀器公司的傑克•基爾(Jack Kilby)提出將整個電路板設計成電路圖，將電路圖縮小後把整個電路做到一片矽板上，既可以集成化又可以將整個電路尺寸變小。

這個構思開創了新的時代，為此在2000年，七十七歲的傑克•基爾比（Jack S. Kilby）獲得諾貝爾物理學獎。

一、半導體晶片製造過程

首先我們看一下半導體晶片的製造流程。

這部分包含技術細節較多，整個流程大致包括：晶片設計，晶圓製造，封裝及測試。

1. 晶片設計

晶片設計就像建築設計，設計師需要做出設計圖，規劃空間分布，用料，結構等。

在製造晶片時，設計工程師需要做出電路圖，規劃晶片需要具備的功能，功能分布及所需要組件。

接著設計工程師將電路圖用硬體描繪語言HDL表達出來，確認無誤後再將HDL代碼放入EDA Tool，程序系統將代碼轉換生成電路圖。

在整個設計中需要將電路圖做到平坦的玻璃表面上，形成光罩。

光罩與晶片的關係就像底片與相片的關係。

光罩（圖片來自網絡）

2. 晶圓生產

晶圓生產大致包括晶棒製造和晶片製造兩部分，晶棒製造是精度要求很高的過程，主要涉及到純化和拉晶。

晶棒（圖片來自網絡）

純化分為兩個階段，第一步是冶金級純化，此一過程主要是加入碳，以氧化還原的方式，將氧化矽轉換成98%以上純度的矽。

隨後再進一步採用西門子製程(Siemens process)作純化，取得高純度多晶矽。

拉晶過程示意圖（圖片來自網絡）

拉晶涉及到將高純度多晶矽融化，形成液態的矽，隨後以單晶的矽種(seed)和液體表面接觸，一邊旋轉一邊緩慢的向上拉起，待離開液面的矽原子凝固後，排列整齊的單晶矽柱便完成了。

隨後將單晶矽柱切割成厚度約為150μm(0.015cm)左右的矽晶片，可以用於下一個階段晶片製造。

在晶片製造過程中，光刻環節極為重要。

將事先準備的光罩，運用微影成像的技術，以光阻劑等化學品為材料，將光罩上線路圖一層層複製在矽晶圓上，化學品清洗、蝕刻，完成晶圓的製造。

光刻原理示意圖（圖片來自網絡）

3.封裝及測試

將合格的晶片自晶圓上切割下來，接著再進行封裝。

通常是以金線連接晶片與導線架的線路，再以絕緣的塑膠或陶瓷外殼封裝、測試，即完成晶片整個製造過程。

晶圓（圖片來自網絡）

二、半導體行業產業鏈劃分

半導體產業鏈大致分為：晶片設計、晶圓製造、封裝及測試，此產業鏈劃分與晶片製造的流程高度吻合。

全球半導體產業存在兩種商業模式，一種是IDM（Integrated Device Manufacture，集成器件製造）模式。

在這種模式下，公司業務覆蓋從設計，到製造、封裝測試以及投向消費市所有環節，例如Intel。

另一種模式為垂直分工模式，按照產業功能分工，晶片設計公司僅專注晶片設計(Fabless)，晶圓製造環節由代工廠(Foundry)完成，晶片封裝和測試由獨立公司完成。

每個環節的公司專注自身擅長領域，專業分工。

這種業務模式目前屬於主流，例如晶片設計公司高通，聯發科，英偉達，華為海思，展訊等，晶圓代工廠台積電，聯華電子，中芯國際等。

專注晶圓製造環節的台積電是半導體行業當之無愧的巨頭企業，自從其誕生之日起就開始推動整個半導體晶片行業的垂直化分工地發展，毫不誇張地將台積電出現塑造了今日整個半導體晶片產業的格局。

三、推動半導體晶片行業變革

一個牛逼的企業通常都有一個極為牛逼的創始人，台積電創始人張忠謀（Morris Chang），被行業尊稱為台灣半導體教父。

張忠謀畢業於麻省理工學院，畢業後加入了當時剛剛發展起步的半導體行業，並在27歲時來到德州加入德州儀器。

張忠謀（圖片來自網絡）

在1958年，張忠謀的一名叫的傑克•基爾比的德州儀器同事，發明了集成電路並在2000年獲得諾貝爾物理學獎。

或許當年這個傑克•基爾比經常跟這個叫Morris Chang的小伙子熱烈討論，怎麼樣把一個電路縮小並在一小塊矽片上實現出來，也許他們倆個人都不知道自己未來會如何改變全球的半導體產業。

集成電路發明人傑克•基爾比（圖片來自網絡）

憑藉優良的業績及出色的表現，張忠謀後來曾擔任德州儀器的資深副總裁，位列「三把手」。

後來由於對於經營方向的分歧，張忠謀於1985年返回台灣，並於1987年在台灣新竹科學園區創立台灣積體電路製造公司（簡稱」台積電「）。

在台積電創立之際，半導體行業巨頭都是IDM模式，即從設計，晶圓製造，封裝及測試全產業鏈都在一個公司內部。

當時半導體產業所需的投資巨大，門檻極高，半導體公司害怕設計專利等商業機密被競爭對手掌握，基本上不同公司之間不會共享晶圓生產設施，每一家公司都需要重複投資，實際上造成整體資源浪費，無法形成規模化整體上推動晶片成本降低。

張忠謀抓住這個機遇，設立台積電並將其定位於只做晶圓製造代工服務，旨在成為每家半導體公司的晶圓製造代工廠，為每一家半導體公司提供晶圓製造代工服務。

在台積電晶圓製造代工模式出現後，極大降低了晶片行業進入門檻，一批獨立的無晶圓廠晶片設計公司陸續出現，其中包括一些今日晶片行業的巨頭企業，例如1993年1月份黃仁勛Jensen Huang所創立的英偉達。