台积电：晶圆代工老大的难题三重奏
近期，关于台积电南京厂扩大28nm制程产能的新闻如深水炸弹一般，激起一波又一波的讨论热潮。
支持一方表示欢迎，扩产有助于缓解当前全球芯片短缺问题，尤其是汽车芯片短缺严重，扩产还能为内地补充技术、人才和资金，也有利于内地形成产业链聚集。
反对一方则表示应该抵制，台积电扩产是司马昭之心，是美国用来打压中芯国际等内地芯片企业发展的工具人。
此前也有消息声称，台积电原本打算在南京厂扩产7nm先进制程，但因为中美贸易摩擦，才不得不改为28nm的成熟制程。
外界众说纷纭，而台积电并未对此事给出明确答复。
从大家的热烈讨论中可以看出，台积电身为晶圆代工产业老大，一举一动都备受关注，但是，作为老大的难处却甚少有人关心。
事实上，在天灾（缺水、停电、新冠疫情）与人祸（中美贸易摩擦）的双重夹击之下，台积电正在演奏自己的“困难三重奏”。
建厂难，竞争难，技术难，台积电的难处是难上加难。
开创制造的新模式
在了解台积电的难处之前，先说一说他作为晶圆代工老大的“发家史”。
在很多种行业，第一个吃螃蟹的人通常会成为业内老大，德州仪器是这样，英特尔是这样，而台积电也是这样。
在台积电出现之前，半导体公司只采用IDM（Integrated Device Manufacture）模式，即从芯片设计到芯片制造封装都自己完成，因此在很长一段时间内，芯片设计和工艺制程是紧耦合，被认为是半导体公司的核心竞争力，英特尔和德州仪器就是IDM模式的代表企业，并一直延续至今。
IDM模式的好处十分明显，产能有保障、质量可控，还能提升新技术、新产品的性能表现，只是对于芯片设计公司来说十分不友好，因为他们只能向整合元件制造厂购买空闲的晶圆产能，产量与生产排程都受制于人，不利于大规模量产产品。
但是，如果让设计公司或是中小型企业花费上百亿美金投资建造一间晶圆厂，也是不现实的。
台积电的出现开创了芯片制造行业的新模式，即“无厂设计公司（Fabless）+代工工厂（Foundry）”的模式。晶圆代工厂（Foundry）提供代工业务，让没有芯片制造封装能力的芯片设计公司（Fabless）和中小型企业不必担负兴建、营运晶圆厂的庞大成本，虽然产能、技术受限，但总体来说还是十分划算的。
对于原有的IDM模式的公司来说，出于对产能或成本等因素的考量，也可以将部分产品交给晶圆代工公司进行生产制造。
基于以上原因，晶圆代工成为一项稳定发展的科技产业。
台积电不仅开创了晶圆代工的先河，而且还逐步发展成为了行业老大。
开创一个新的产业模式并不容易，想要“Fabless+Foundry”模式运转起来，需要同时满足工艺水平、客户需求和赚钱三个条件：
代工工厂的工艺水平不能比同期IDM的工艺水平差
芯片设计公司的设计水平高并且有一定的出货量，才能填满代工厂的产能
Fabless+Foundry要和同期竞争的IDM模式有一样或是更高的投资回报比，才能持续发展
以上台积电都做到了。
在工艺水平方面，两个重大节点让台积电一骑绝尘，成为行业内的绝对领导者：
台积电于1987年成立，最初的工艺技术仰仗飞利浦公司，落后于当时的德州仪器、摩托罗拉等欧美大型IDM公司。1997年，台积电开始自主研发基于铜制程0.13微米技术，并于2000年开始生产，这项工艺水平远超同期，使其成为业内第一。
2007年，台积电的林本坚提出浸没式光刻设想，与ASML合作开发浸没式光刻机，并在 2007年成功推出第一台浸没式光刻机。台积电将技术能力延展到制造设备，并开始“抢先半步”，走40、28、20nm路线，与英特尔的45、32、22nm路线分裂。紧接着，创始人张忠谋回归，大手笔投资28nm制程，将技术先进巩固为商业成功。
现如今，台积电的7nm制程产能约为每月14万片；5nm产能约为每月9万片；3nm工艺客户有英特尔和苹果；按照规划，台积电有望在2023年中期进入2nm工艺试生产阶段，并于一年后批量生产；1nm以下制程也取得了重大突破。
在客户需求方面，先进的客户需求能够推动代工厂不断改进工艺。台积电的大客户包括苹果、NVIDIA、AMD、高通、联发科、英特尔、博通、Marvell、赛灵思（Xilinx）等。苹果是台积电的超级大客户，每年为台积电贡献超20%的收入，而苹果手机芯片逐年迭代的更新节奏，反向促进了台积电的工艺制程升级，也为整个行业确定了方向。
在公司经营方面，按照金融相关人士的说法，台积电“画出了一张教科书般的收支图表”，多年来，一直保持着“高投入-低成本-高销量-高投入”的正向循环。台积电在不断追求更先进的制程同时，一方面让自己始终不被行业波动影响，另一方面精准平衡业务赚到的营业现金流量（正现金流）和投资活动付出现金流量（负现金流），实现长期稳定的发展。
可以说，台积电的成功与张忠谋等领导人的经验、魄力与前瞻性密不可分。
建厂难，竞争难，技术难
“被迫”离家出走
台积电创始者张忠谋在今年台湾经济日报主办的2021大师智库论坛上提到，与美国相比，在晶圆制造上，美国的土地、水、电条件都优于台积电。
一句话透露了台积电现在的困境。
今年4月，台积电南科Fab14 P7厂区突然停电，业界预估有近3万片晶圆受到影响，损失金额近10亿新台币（折合2.3亿人民币）。该厂区主要生产12吋晶圆，是台积电40nm、45nm制程生产的重要据点之一。这次事故对汽车行业是一记重击，因为该厂区也是生产车用芯片的主要车间。
事实上，台湾地区的电力资源和水资源已经限制了台积电的发展。
晶圆厂是巨大的吃电怪兽。芯片制造设备的耗电量巨大，加之生产制造环境的严苛要求，也需要投入大量电力来维持，据绿色和平组织估计，台积电的年耗电量占整个台湾地区总耗电量的4.8%，比整个台北市的年耗电量还要高。
如果说，目前台湾地区的电力还能够勉强供台积电使用，但3nm芯片厂启动后，一年的耗电量就有70亿度。根据彭博行业研究的数据，生产制造5nm和3nm需要投入EUV光刻设备，一台输出功率250W的EUV机台工作一天就会消耗3万度电，预计到2023年底，当5nm和3nm厂同时全速运转时，对新增电路的需求将达到台积电过去一年全球耗电量的98%。
供电不给力，水资源也出问题。
近两年，台湾地区干旱问题严重，水资源紧张，岛内的不少水库干涸，蓄水量也不足平日的十分之一，不少地区已经启动了“供五停二”分区限水政策，甚至停止了近五分之一的农田灌溉。台积电作为用水大户也受到影响，虽然已经采用了加油车运水的方法来解决，但也并不是长久之计。
当硬性条件跟不上，台积电的“出走”就成为了必然，不管是美国亚利桑那州的5nm新厂，还是南京厂扩产，还有正在商谈的日本、德国，都成为台积电摆脱困境的解决方法。
竞争有点儿难
今年，半导体行业巨头英特尔宣布加入晶圆代工业务，并在3月成立了芯片代工服务（Intel Foundry Services，IFS）业务群。英特尔对于这条战线有很大的野心，首席执行官帕特·基辛格(Pat Gelsinger)在接受采访时表示，“到2030年之前，我们要成为这个市场的第二大参与者。”
在近期的采访中，英特尔宣布了高通与亚马逊两个大客户，将使用英特尔的20A工艺为高通代工生产芯片，为亚马逊网络服务（AWS）提供封装服务。于此同时，英特尔还公布了未来四年在10nm、7nm、4nm、3nm以及20A的制程工艺发展规划。
关于英特尔计划斥资约300亿美元收购第三大晶圆代工厂格罗方德半导体（GlobalFoundries）的消息也传得沸沸扬扬。
对于英特尔的高调宣战，张忠谋隐晦地表达了不足为惧，他说：“美国短期补贴不足以弥补长期劣势。”
而对于内地芯片企业的竞争，张忠谋则表示现在还不是对手，在2020年的数百亿美元补贴之后，大陆半导体制造落后台积电5年以上，逻辑半导体设计落后美国、台湾1-2年。
虽然工艺制程上落后于台积电，但汽车、物联网等领域对28nm的极大需求给了中芯国际等国内企业广阔的发展空间，让竞争多了几分不确定性。
真正被台积电视为竞争对手的，是三星电子。
三星电子同样提供代工业务，虽然在工艺水平和客户方面与台积电有一定差距，但持续不断的巨额资金投入和对先进工艺的紧追不放还是给了台积电很大压力。张忠谋认为，韩国在晶圆制造方面的优势和台湾相似，一流的本地人才和地理优势与台积电的优势相同。
来自摩尔定律的挑战
曾经，摩尔定律是引导芯片制造的金科玉律，而现在，当制程工艺达到了1nm，未来芯片该何去何从，就成为整个芯片行业的挑战。
后摩尔时代，台积电选择从新材料和封装入手，开始极限挑战。
今年5月，《Nature》杂志刊登了台积电与美国麻省理工学院、台大的合作研究项目，论文报道了半金属铋（Bi）与半导体单层过渡金属硫族化合物（TMDs）之间的欧姆接触。文章报道的接触电阻是二维半导体的一项重大改进，接近量子极限。这项技术的发现证实了高性能单层晶体管的潜力，有望成为摩尔定律的突破口。
先进封装是后摩尔时代提高芯片性能的关键钥匙。台积电的先进封装技术押宝于3DFabric。据相关报道，台积电的3DFabric平台整合了所有先进封装技术，包括了整合晶片系统（SoIC），整合型扇出（InFO）以及CoWoS系列家族，可供客户自由选配。
从白手起家到业内第一，台积电有很多值得国内芯片企业学习的地方，单就南京厂扩产一事，到底是正常的商业发展，还是人在江湖身不由己，相信时间会给出答案。
