半导体行业观察 · 5月15日 · 安徽

台积电独步天下,凭什么?

TSMC在芯片制造领域占据绝对领导地位,其市场占有率稳定在约60%,最大竞争对手三星电子的市占率仅为11%。TSMC作为行业寡头,其核心竞争力主要包括商业模式、经营理念、技术积累、产能管理、生态建设、企业架构,对同业企业极具参考价值。本文针对TSMC核心竞争力逐一探析。

商业模式:开创芯片领域垂直化分工的创新商业模式

即使进入人工智能时代,张忠谋始终认为,最值钱的依旧是商业模式的创新。例如,美国的eBay、谷歌、亚马逊,大陆的腾讯、阿里巴巴都是以互联网为基础的商业模式创新。即使是互联网不发达的七八十年代,麦当劳、星巴克等企业也体现出商业模式创新的成效。

TSMC设立之初,芯片生产市场为IDM模式,即从芯片设计、晶圆制造到封装测试全产业链“一手包办”的业务模式,IDM厂商为英特尔、AMD等大厂。半导体行业发展遵循“摩尔定律”,即一年半到两年之间,电晶体最小尺度的线宽缩小0.7倍(面积缩小约50%)。芯片生产中的晶圆制造和封装测试环节均涉及重资产投资,每代技术更新均涉及新设备、厂房等大额新增资本性支出,因此只有IDM大厂有资金实力遵循“摩尔定律”。资金门槛将行业主要参与者局限于头部企业,限制行业技术发展速度。

鉴于前述行业特点和格局,创始人张忠谋在TSMC创立之初就扮演专业晶圆代工厂的角色,仅制造芯片、不设计芯片,扮演行业中的“赋能者”,让IC设计客户专注于设计和创新,扶植大量有潜力的IC设计公司进行专业生产,促使整个半导体产业开启了“Fabless-Foundry”垂直分工的运营模式,历经30年逐渐改变了全球半导体产业版图风貌。

张忠谋制定的策略,不仅与颇具规模的半导体公司合作,同时希望找到具有成长潜力的公司作为合作伙伴。他认为,只看现成大公司、不培养小型晶片设计公司是不利于晶圆代工产业长期发展的。细数2000年前后至今,被TSMC从小公司一路扶植到在产业占有一席之地的IC设计公司有高通、博通、英伟达、赛灵思、联发科、Marvell、Altera、LSI、Avago、Dialog、海思等。

经营原则:不与客户竞争、密切服务客户

1、不与客户竞争

TSMC从创立之初便设立“从不与客户竞争”的经营原则并延续至今。TSMC晶圆代工的客户是IC设计公司,合作模式是IC设计公司将芯片内部设计细节交付代工厂,并和代工厂深入合作,以验证性能并确定制造细节。因此,TSMC除了拥有专业技术,“不与客户竞争”的经营原则确保了与客户的利益协同。三星、英特尔等IDM厂商虽然可为IC设计公司进行晶圆代工,但苹果、高通、Nvidia等设计公司是IDM公司IC设计团队的竞争对手。在客户信任方面,TSMC具备三星、英特尔等IDM厂商不可比拟的优势,也是TSMC在晶圆代工领域成功的秘诀。

TSMC凭借该优势成为苹果的独家供应商。例如,2015年苹果为获得充足备货,采取“双供应商”模式,将iPhone 6S的A9处理器的订单分别给三星的14纳米工厂和TSMC的16纳米工厂。苹果A系列芯片是基于ARM指令集制定的定制化设计,相较ARM标准架构设计的A9有较高性能提升。到了2016年上半年,三星推出同样使用14纳米的新一代SoC Exynos 8890,用到了上述定制化设计架构,其单核性能和A9接近。到了A10,苹果选择TSMC作为独家供应商。相较于三星,TSMC与苹果无竞争关系,苹果在选择TSMC时除了技术无虞,也不必担心技术泄露,这也是TSMC成为苹果A10的独家供应商的原因之一。

2017年5月,三星经业务诊断后,拆分了晶圆代工业务,采取与TSMC相同的事业结构,避免与客户形成直接竞争关系,从一个侧面说明了其认识到,客户的信任才是最重要的基础。部门拆分之后,有利于三星半导体事业部进一步竞争晶圆代工的订单,使其在晶圆代工业务方面,有机会拉近与TSMC的差距。

2、密切服务客户

与客户高层保持密切联络。TSMC客户集中度高,前10名客户贡献2/3收入,前20名客户贡献80%收入。TSMC CEO和这20~30名客户保持密切联络,让客户感受到,一旦有问题可以随时沟通。

执行层面,TSMC为每家客户配备数人的专职团队,从设计、开发到生产全程提供协助。例如,为了让苹果的 IC 设计可以更快导入TSMC生产体系,当时一组团队进驻苹果公司一两年,将苹果的设计顺利引进TSMC厂房生产,显著改善能耗、良率、效率。

技术:自主创新、稳扎稳打,保持长期优势

TSMC长期占据技术领先地位,除了研发费用每年保持在公司净收入的8%以上、研发重点精准、研发模式合理之外,主要得益于坚持自主创新、技术积累扎实稳固、种类齐全,采用正确的竞争策略。

1、坚持自主创新、把握正确的技术路线

TSMC以3.0微米技术切入市场,多次引领技术创新。TSMC在关键节点把握正确的技术方向,坚持技术自主创新,完成技术赶超。

0.13微米节点之前,TSMC和联电号称“台湾双雄”,两家晶圆代工厂并驾齐驱,联电营业收入一度接近TSMC。转折点发生在0.13微米技术节点。彼时IBM率先发布0.13微米新技术,并计划向TSMC和联电兜售。TSMC回绝IBM,自行研发铜制程技术,并研发成功;而联电选择向IBM购买技术,进行合作开发。IBM的技术强项只限于实验室,在制造上良率过低、达不到量产水平。2003年,TSMC的0.13微米自主制程技术惊艳亮相,客户订单额将近55亿台币,联电则约为15亿台币,“台湾双雄”正式拉开差距。

在28纳米节点上,制程技术可选择先闸极(Gate-first)或后闸极(Gate-last),张忠谋选择后者,而格芯和三星选择前者。之后,TSMC良率迅速提升,三星和格芯则迟迟没有进展。

在先进封装领域,早在2011年刚推出28纳米技术节点之时,张忠谋宣布TSMC跨入封装领域,当时震惊业界,如今证明成果丰硕。先进制程已逐步逼近物理极限,每前进一步都需要投资天文数字,而先进封装尚处于有着较高成本效益的阶段,能够更有性价比地提升芯片性能。TSMC整合扇出型(InFO)晶圆级封装首度应用在iPhone的A10 处理器,进一步拉大与对手三星的差距。并在深耕十多年后,在AI时代看到了可观的营收空间。AI及高性能计算等芯片对先进封装技术的需求日益提升,其中,TSMC的CoWoS成为AI服务器芯片厂商主要采用的封装技术。

2、技术迭代稳扎稳打

TSMC技术积累扎实,基本遵循“摩尔定律”(一年半到两年之间,电晶体最小尺度的线宽缩小0.7倍),依次推出90纳米、65纳米、45纳米、28纳米、20纳米、14纳米、10纳米、7纳米、5纳米、3纳米、2纳米等技术。

基于学习曲线的积累,无论是在制程还是建厂的优势,都是一步一脚印的经验传承,竞争对手无法做到弯道超车,TSMC得以长期保持技术优势。

3、技术种类一应俱全

TSMC的特点是,围绕终端应用进行技术布局,通过提前布局将终端应用所需技术填平补齐,确保其第一时间把握并充分挖掘市场商机,吃尽市场风口红利。

例如,在智能手机领域,根据iPhoneX拆解报告,除了主芯片A11处理器由TSMC代工外,iPhoneX的无线充电IC、近距无线通讯芯片、LTE收发器芯片、模组、电源管理IC芯片、无线收发模组等功能模块虽然由高通、博通、德州仪器、英特尔提供设计,但前述IC设计公司均在TSMC下单。因此,iPhoneX上市后热销,TSMC堪称大赢家。

在物联网领域,当“物联网”被频繁提及,展露发展势头时,TSMC着手打造物联网“超级舰队”,将智能手机技术布局经验复制至物联网领域。具体而言,针对物联网未来蓝图提出进一步规划,由当时的共同执行长魏哲家亲自领军督导,从制程技术、研发、策略发展、业务等各部门钦点精英团队。“超级舰队”在物联网成为新的市场热点之前,加紧物联网技术开发,特别是物联网大量需求的特殊制程技术,从0.35/0.25/0.18微米到90/65/50/40纳米的RF制程、嵌入式快闪存储器制程等,将物联网可能用到的技术尽可能一网打尽补齐,确保对于客户需要的任何制程技术和产品规格,都能一应俱全,从而精准把握市场商机。

4、技术竞争出奇制胜

一是在技术扎实的基础上“越级”研发。TSMC之前严格遵循“摩尔定律”,“按部就班”地推出90纳米、65纳米、45纳米技术,2010年时任CEO的张忠谋突出奇招,跳过32纳米,推出芯片面积缩小20%的28纳米技术世代,效能、成本远胜对手的32纳米产品。三星、IBM、格罗方德阵营措手不及,28 纳米成为TSMC史上最赚钱、称霸时间最长的一个技术节点。

二是以“夜鹰计划”加快研发速度,赶超竞争对手。2014年,TSMC提出“夜鹰计划”,即从4万多名员工中组织300余人的研发工程师团队专门值小夜班或大夜班,实现24小时不间断加速研发,依靠投资1.5倍和2倍的人力和时间追赶技术。2016年底,夜鹰计划初获成功,攻克10纳米节点。10纳米之后还有7纳米,7纳米之后还有5纳米,夜鹰部队没有原地解散,而是化整为零,变为常驻制度。

三是通过并行研发加快技术迭代进程。面对三星在先进制程技术上步步进逼,TSMC为加快研发进程,改变以往研发部门完成一个制程研发移交给制造部门后,再开发下一个制程的流程,直接用两个团队平行研发,同时开发10纳米和7纳米制程,而非等10纳米完成研发后再做7纳米。因此,从16纳米到10纳米周期将近两年,但是从10纳米到7纳米的时间为5个季度。

四是通过提升季代产品兼容性提高迭代速度。研发团队和运营团队协同提高技术迁移速度,减少“转化损失”。从20纳米转换到16纳米时,以转换产能替代新增产能,两个技术节点在设备上的通用性约为95%,不仅节省投资成本10亿美元,而且节约设备、材料研发时间。从16纳米转换到10纳米时,设备重复使用率超过95%,只有剩余5%为转换至10纳米的新增设备,由设备、材料等合作伙伴开发。

产能:注重布局、调配和统筹管理

1、产能以新竹作为“大本营”,设置备份产能

TSMC制造重心集中在台湾省,主要位于台中、新竹、台南三地。其中,新竹市科学工业园区是“大本营”,不仅是最早的工业园区,而且技术节点最为全面,包括从450nm的成熟节点至2nm的先进节点;台南科学工业园区的技术定位为16nm及以上的成熟节点和5nm、3nm的先进节点;台中科学工业园区的技术定位为关键节点(28nm的成熟节点和7nm的先进节点)。从技术节点布局来看,技术节点对应的产能设置双份,新竹、台南+台中分别覆盖完整技术节点,从一定程度上来讲,新竹、台南+台中互为备用产能。

2、产能呈“聚落”分布,区域内调配灵活

不论是台湾省内的晶圆厂还是海外晶圆厂,TSMC采取的建厂策略是超大型晶圆厂(Giga Fab)群聚布局,形成“聚落”,也即选址工业园区后,在选址地不断扩建,让昂贵的设施能够利用已有的基础设施和工人,从而有效降低每座厂的平均厂务建置成本,同时全面量产时达到经济规模。例如省内的南科Fab18厂区,包括4座5纳米晶圆厂和4座3纳米晶圆厂;海外的日本熊本厂也在计划扩建第2座厂区,形成“产业聚落”。

TSMC核心工厂主要分布在台中、新竹、台南三地,三地之间产能调配高效灵活,可在一日之内高效调度逾300名以上的工程师。

3、产能云端自动化统筹管理

TSMC的资产逐年提升,需提高管理效率方能保持TSMC的核心竞争力,即使扩厂,未来员工人数仍维持4万多人左右,从而维持员工高薪。云端自动化管理是提升综合效率的必经之路。具体而言,存量和新建厂区通过云端系统全部连线,实现跨厂合作,提升综合产能利用率。例如,产能不足的厂区将生产资料共享云端,用其他厂区机台实现生产,或是用其他厂区的机台通过云端系统验证本地厂区的生产程序。

4、顺应逆全球化趋势布局国际化产能

在地缘政治、逆全球化的行业发展趋势中,TSMC的客户愈加重视供应链安全,TSMC响应客户需求,选取全球几个重点国家或地区布局产能,增强客户信任感。为了维持技术领先,TSMC制定了N-1发展战略,具体而言,TSMC引到境外的工艺技术比台湾省本地公司的量产工艺低一代,将最先进的技术保留在台湾省。

(1)美国建厂

TSMC前往美国亚利桑那州建厂,主要是迫于地缘政治、客户和市场压力等多重因素,实为一种“权衡”。对TSMC而言,最重要的是市场和客户,2022年前十大客户中,有七家公司总部位于美国,占据当年总收入的约60%,特别是苹果一家贡献收入23%。

美国建厂的优势是客户类型全面,涵盖智能手机、PC大部分应用领域,能够轻松消化亚利桑那州产能,苹果、英伟达、AMD三家CEO为TSMC新厂站台,宣布将成为首批客户。劣势是成本高昂、劳动力短缺、原材料中的水资源匮乏。相较在台湾省扩产的成本高出4~5倍,差异主要为劳动力成本、许可证成本、通货膨胀成本及人员和学习曲线成本等。预期通过政府补贴、降低成本来吸收海外晶圆厂的较高成本。

(2)日本建厂

2021年11月,TSMC宣布与日本索尼半导体解决方案(SSS)、日本株式会社电装(DENSO)合资建设“JASM晶圆厂”,位于日本熊本县,预计2024年底前投产,月产能5.5万片晶圆,日本建厂相对美国建厂而言更务实些,没选择难度较大的先进制程,而是从28纳米切入。

日本建厂的优势主要包括政府补贴、市场需求和材料供应。一是约一半建设资金来源于政府。二是在熊本厂量产前,订单已爆满,包括日本汽车本田的车用半导体大单和索尼CIS订单。根据订单情况,TSMC拟在熊本县加盖第二座晶圆厂,规模与一厂保持相同。三是日本半导体材料大而全,在TSMC的材料供应商中占据半壁江山,在TSMC决定在熊本开厂后,日本厂商趋之若鹜,确保其在材料供应上无后顾之忧。

(3)德国建厂

TSMC选择德国萨克森的德雷斯顿,计划2024年下半年开始动工兴建晶圆厂,目标2027年底投产,月产能为4万片12英寸晶圆,可提供28/22纳米和 16/12纳米工艺,总投资金额超过100亿欧元,TSMC将持有合资企业70%的股份并负责运营,博世、英飞凌、恩智浦各占10%,其中,恩智浦、英飞凌、意法半导体等汽车半导体企业本身是TSMC的重要客户。

德国建厂的优势包括政府补贴、车用芯片市场和基础设施。一是政府补贴预算至少为70亿欧元。二是德国车用芯片缺口巨大,市场前景广阔,汽车产业是德国的支柱产业,缺芯危机影响德国汽车产量,在德国欲振兴汽车工业之际,其自身晶圆厂有些捉襟见肘,因此TSMC的德国工厂成为众望所归。三是德雷斯顿是不可多得的优质建厂选择,作为老牌工业城市,德雷斯顿是欧洲最大的半导体产业中心之一,被誉为“欧洲硅谷”,已有完整半导体生产链及供应生态系统,因此,TSMC选址于此。

5、采取价格优惠策略实施错峰生产

芯片生产淡旺季明显,一般上半年为淡季,下半年为旺季。芯片客户每逢旺季必抢TSMC产能,却又每每抢不到,打乱上下游产业链产销计划和客户端的库存管理计划。

TSMC根据当年市场状况可能采取价格优惠策略,实现淡季下单的“错峰生产”,从而提高存量设备全年综合产能利用率。例如,2019年上半年订单能见度不佳,为抵御市场需求低迷,以及美中贸易战新增的市场不确定性,TSMC在产业传统淡季主动采取价格优惠策略,提升淡季订单量。具体策略上,由于7纳米及以下产能满载,2019年降价策略主要锁定12纳米以上的成熟及特殊制程,以及8英寸制程等项目,优惠程度依据不同客户而定。由TSMC业务代表向IC设计大厂号召在时间、地点上“错峰”生产,一是2019年晶圆产能需求规划尽早提出,须提前在传统淡季生产,未依照事先提醒实施的,逾时不候,中途抽单概不受理,二是各家芯片客户将主力产品分散到两座以上的晶圆厂基地,避免集中在一家晶圆厂,以致订单大幅堵塞。

从实施效果来看,不仅提高公司产能利用率,而且产生较强的虹吸效果,IC设计厂一般会抽离原本在其他晶圆代工投片的订单,优先向TSMC投片,造成中芯国际、联电等竞争对手的订单被排挤。

生态系统:联合上下游建立以TSMC为核心的“虚拟IDM”

在65纳米阶段,TSMC启动了开放创新平台(OIP)计划。OIP 聚集EDA和IP公司等所有与IC设计相关的重要参与方,与TSMC晶圆制造联手形成“虚拟 IDM”。目的是确保IC设计企业获得充分的技术支援,使用成熟完善的EDA工具,有效降低设计时可能遇到的种种障碍,进一步聚焦于IC设计,并提高首次投片即成功的概率,TSMC客户服务与接单能力得以增强。目前,OIP拥有超过3,000名TSMC员工,以及来自100多家OIP合作伙伴的10,000名员工。OIP 现在拥有43,000个技术文件和2,800个PDK。

企业架构:效仿国际头部企业,创设双首长接班制

1、股权结构分散

分散的股权结构有利于经营团队能独立做出对公司最佳的经营决策。创办人张忠谋持有TSMC股份0.48%,两位继任者持有的股份更少,TSMC前十大股东全部是全球重量级投资机构,与硅谷公司类似,和亚洲企业股份多半集中在创办人家族的状况完全不同。

2、董事会由世界级专业人士组成

TSMC董事采取提名制,在股东大会由股东投票选出,因此董事会须拿出绩效,确保股东权益,才能得到投资人的支持。TSMC董事会由世界级专业人士组成,以丰富从业经验提出合适的建议。TSMC的独立董事延吉布斯,是带领德州仪器再起的关键人物,另一位董事史宾林特,曾任全球最大半导体设备公司应用材料董事长。董事会成员构成与英特尔类似,英特尔独立董事在董事会的席位数达8成,除董事长和执行长,其他董事由知名律师、财务专家、知名企业人士组成。

3、双首长接班制

参考美国500强企业中一半实施“董事长和总经理并行”,创始人张忠谋创设“双首长平行领导”模式,即面向股东和政府的是以刘德音作为董事长为代表的TSMC,面向客户和供应商的是以魏哲家作为CEO为代表的TSMC,同时魏哲家也负责财务和法务。公司向CEO总裁汇报,总裁向董事会汇报。

股价和经营绩效是考核新经营团队最重要的指标,具体表征为:如果股价和经营绩效节节攀升,则证明决策品质没有问题;但如果股价持续下挫,董事会将采取措施以保证股东权益。

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