世界上最大的半導體代工廠正在向臺灣以外的地區擴張，在美國亞利桑那州的工廠投資了400億美元，這是一個具有巨大政治和商業影響的舉措。
目錄
1. 難如登天的半導體制造
2. 生產半導體的步驟 3. 張忠謀的成功策略
4. 下一波浪潮
在臺積電亞利桑那州新廠房典禮上，張忠謀(Morris Chang)聲稱"全球化幾乎已經死了”、"自由貿易幾乎已經死亡。"
張忠謀是半導體制造公司——臺積電的創始人和兩任首席執行官，利用地域套利，即臺北廉價勞動力，建立了這一世界上最大的企業之一，臺積電的市值一度達到4170億美元。
這家總部設在臺灣的半導體公司正在積極投資美國的制造業。近期，在喬-拜登和蒂姆-庫克的陪同下，張忠謀宣布臺積電計劃在亞利桑那州投資400億美元，建立兩個新工廠，這不僅是臺積電最初承諾的2020年計劃的三倍，而且是美國歷史上最大的直接投資之一，大大超過了三星在德克薩斯州建設芯片工廠的170億美元計劃。 比臺積電在美投資規模更重要的是其影響。半導體對現代生存至關重要，為我們的安全、工業和生活質量提供保障，晶體管僅有幾納米寬的微小芯片，為我們用來工作的電腦、我們需要的通信電話、運送人員和貨物的汽車和卡車以及烏克蘭等國家戰爭武器提供動力。即使是半導體供應鏈上的任一產業，如開發用于芯片設計的軟件公司和制造設備的制造商，都是不可替代的，更不用說像臺積電這樣的公司，一旦倒閉，對人類來說將是一場災難。NZS投資者Jon Bathgate說："GDP將在一夜之間下降10%。"我們會讓自己陷入全球大蕭條。" 這些繡有電路的硅片就像一道光的邊界，將我們與黑暗分開。
由于對現代生活各個方面的重要性，半導體被視作地緣政治的重要博弈品，特別是對中美而言。 以上使臺積電在美投資獲得了更多注意，這不僅會將臺灣的尖端制造業分散出去，而且新工廠將創造就業機會，提高產能，并為臺灣問題提供盡管是很小的對沖。亞利桑那州企業的發展速度、規模和最終的成功將說明此舉的意義有多大。但是，如果它是一個更廣泛趨勢的開始——如果張忠謀對全球化崩潰的看法是正確的，這一舉措將在政治上、商業上和技術上產生深遠影響。 克里斯-米勒的《芯片戰爭》詳細記載了半導體的歷史，并著重描述了其對于全球的重要性。這本書將制造半導體和許多看起來是絕對不可能的事情聯系起來，充分證明了半導體制造的復雜性：半導體制造與機械、物理、化學、物流和商業相關。巴斯蓋特說："這就像把一根針立在一根針的上面一樣。”
半導體是一種有條件地導電的材料。它既不像玻璃，是一個絕緣體，也不像銅，是一個好的導體。它介于兩者之間，導電性會發生改變，硅就是一個著名的半導體。但大多數人在使用這個術語時，并不是和導電性相關，相反，"半導體"往往代表了 "半導體芯片 "。芯片通常由光滑、深色的硅片制成，各種元件被放置在硅表面上，以改變電流，晶體管就是特別重要的元件。這些元件的工作方式就像一個開關，將電流引向一個或另一個方向，這是因為半導體材料的基本特性在發揮作用。米勒在《芯片戰爭》中寫道："這些晶體管 "門 "將信息轉化為二進制代碼，"將現實世界的感覺如圖像、聲音和無線電波轉化為數百萬個1和0。”
一塊芯片可能容納數百億個晶體管，每個晶體管門只有幾納米寬，最小的晶體管門只有0.3納米寬，還未能商業化生產。蘋果公司在最新iphone中使用的A16芯片，依靠的是一個晶體管門為5納米的處理器（經過一些修改），人類的頭發寬達100,000納米，而一個紅細胞的寬度為7,000納米，所以，晶體管門所涉及的是極微小、微觀的尺寸。 隨著晶體管的縮小，單個芯片所能容納的晶體管數量也成倍增加，1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾就對這一現象做出了預測，在接下來的十年里，每兩年芯片能容納晶體管的數量將增加一倍，這在科技界被視為 "科技快速發展 "訊息，在過去的六十年里，摩爾定律也一直被驗證著其正確性（盡管有些人認為它正在達到其終點）。 盡管芯片在不斷縮小，但它們日益普遍的存在卻極大地擴大了半導體市場的規模。1991年，半導體銷售額達到550億美元。三十年后，它擴大了十倍，超過了5550億美元。2022年，市場規模預計將達到近6140億美元。在不久的將來，芯片將可能成為一個萬億美元的產業，麥肯錫預計它將在2030年達到這一里程碑。 正如大多數人所理解的那樣，制造芯片的步驟是非常復雜的，這就像是一個微妙的、錯綜復雜的玩家生態系統，每個人都有定制的角色。 這里有一個（非常）簡化的指南來實現它。 如果想制造半導體，你需要一些硅。幸運的是，最純的硅來自石英，還需要收集大量的普通金屬和貴金屬(比如鋁、銅等)以及磷和硼等元素。 開發專門的設計軟件 如何將原材料轉換成芯片呢？這需要專門的軟件，類似于Cadence或Synopsys這樣的解決方案，它們擁有專門的功能來支持機器學習、人工智能、增強現實、虛擬現實、機器人等技術，可以設計一個半導體所需的數十億個部件。這類型的公司多在美國。 軟件問題還不是最棘手的，制造半導體還需要一種設備，即極紫外（EUV）光刻設備，而這個設備目前只有在荷蘭的ASML（Advanced Semiconductor Materials Lithography）一家供應商。 幾十年來，半導體制造商一直將光作為一種工具，通過在芯片上涂抹光阻材料，可以操縱可見光在元件上刻畫形狀。原始光的波長寬達700納米，而隨著晶體管的收縮，這一方法不再有效，因為可見光變得太鈍了。于是，科學家們開始試驗紫外線，并最終試驗部分極端紫外線光譜，其波長僅為13.5納米。經過幾十年的發展和數十億美元的投資，只有ASML公司成功地創造了一個商業上可行的EUV光刻機，每臺機器都依靠幾十萬個部件一起工作來完成聽起來最瘋狂的任務，比如，用激光每秒撞擊一個錫斑點5萬次，以產生足夠的EUV光線。因此，單臺機器花費1億美元也就不足為奇了，一位業內人士稱它是 "人類建造的最復雜的機器"。 為了建造和操作半導體制作所使用的設備，國家常常需要招募行業專家，讓一臺EUV光刻機旋轉并不簡單，半導體制造業所需的許多其他任務也不簡單。 臺積電是唯一一家有能力制造尖端產品的晶圓代工廠；三星制造的芯片主要是28納米的。這將耗資約200億美元。一旦工廠開始運轉，你就需要堅持不懈地工作來提高工廠的效率。由于與制造相關的高成本，以低產能運營鑄造廠是不經濟可行的，您需要優化、擴展并達到至少95%的利用率。 建立一個組裝部件的供應鏈 最后一步比較容易，需要一個富士康式的工廠組裝各個部件，完成最終成品。如果你之前沒有考慮到這一點，你還需要技術工人來完成這個過程——以及大量的非技術工人。 從以上步驟可以看出，半導體制造過程不是一個順暢的供應鏈，而是一連串的阻塞點，幾乎每一個步驟都需要大量資金、專業知識和超高的協調能力，因此，許多國家都容易受到外國勢力的操縱，這在很大程度上是中國努力將部分芯片產業國有化的原因。 到目前為止，中國已經投資了數百億美元來減少對國外技術的依賴性，雖然這推動了許多中國晶圓代工廠的建立，如中芯國際集成電路制造有限公司（SMIC），但尖端制造與美國等國家的芯片制造實力還有所差距。 臺積電的起源與當代大多數創業公司的成功秘訣看起來并不相同。它的創始人不是一個早熟的大學輟學生，而是一個從職業失意中走出來、56歲的中年人；它不是由風險投資家資助的，而是由中國臺灣政府(以及一系列當地天使投資人被堅決“鼓勵”參與)資助的；它也不是輕資產的互聯網產品——SaaS平臺或社交網絡，而是一個昂貴而復雜的工業項目。 關于張忠謀和他的創新有很多說法： 張忠謀是一名退伍軍人，以前從未在臺灣生活過，他在香港長大，成年后的大部分時間在德克薩斯州度過。在為德州儀器公司(Texas Instruments)辛苦工作了幾十年，并推動半導體行業向前發展后，張忠謀卻并沒有得到與之付出相匹配的職位和酬勞。1987年，在另一家公司短暫而不起眼地工作了一段時間后，張忠謀來到臺灣，擔任臺灣工業技術研究院院長。 雖然張忠謀的角色聽起來有些官僚主義，但在政府的財政支持下，他基本上可以自由地按照自己的意愿行事。事實證明，這是一個偉大而明智的任命，張忠謀創建了世界上最大的公司之一——臺積電。在撰寫這篇報告時，臺積電的估值為4170億美元，2021年的收入超過了570億美元；在11月的大豐收之后，其第四季度的收入可能超過200億美元，該公司的代工廠同比增長了50%。"他們的增長規模基本上是空前的，"Brinton Johns說。NZS的創始人指出，許多評論家強調亞馬遜的AWS是一種商業奇跡：一個部門的復合增長率約為30%，年化運行率接近800億美元，與此同時，臺積電正在以稍快的速度實現類似的成就。 張忠謀是如何建立起一家在龐大基礎上不斷復利的公司，并且這家公司對全球經濟還至關重要? 他的策略包括地域套利、敏銳的商業模式、精明的研發投資和不懈的執行。 地域套利 Morris Chang并不是第一個利用低成本勞動力的芯片制造商，早在20世紀60年代，飛兆半導體和德州儀器等公司就開始雇傭亞洲的廉價勞動力，那時候，雇傭臺灣工人每小時的價格為19美分，而雇傭美國工人每小時則需要2.5美元。1969年，在Morris Chang的領導下，德州儀器在臺灣開設了一家工廠，雇傭當地的廉價勞動力，二十年后，當張忠謀創辦臺積電時，當時的廉價勞動力已經成長為具有該行業工作經驗的優質勞動力，但價格仍然較為低廉。 直到今天，雖然臺灣和美國工人的工資差異已經不像是60年代那么明顯了，但仍有很大差距。臺灣的半導體工程師平均工資為35,200美元，而美國的同等人員工資為118,300美元。 選定一個唯一的商業模式 張忠謀的最佳決定是使臺積電成為一個 "純粹的玩家”——只做代工廠。例如，與三星或英特爾不同，臺積電不設計芯片，也不為自己的用途生產，這使它成為客戶的一個不太復雜的合作伙伴。電子公司或芯片設計公司不必擔心臺積電會偷學他們的技術，來改進自己的產品線，他們知道臺積電只是一個代工廠。 通過保持中立，臺積電成為該生態系統參與者的首選供應商。隨著時間的推移，該公司逐漸擁有了強大的地位，能制定行業標準，并從對手的創新中獲益，改善生產。Jon Bathgate指出，這種 "開放的生態系統 "給了臺積電網絡效應。"一旦你走在前面，就會產生復利效應"。 研發投入跟上時代步伐 Morris Chang在研發支出方面特別精明，特別是關注于移動革命。盡管年事已高，但張忠謀知道移動電話將顛覆世界和芯片行業，如果臺積電想保持它的價值并不斷壯大實力，它就需要被定位以資本化。 在2006年首次移交公司領導權后，張忠謀在其繼任者在2008年金融危機后削減研發開支后重返公司。盡管經濟形勢嚴峻，張忠謀在2010年代加大了對新技術的投資，去抓住移動革命的機遇。 作為技術投資戰略的一部分，張忠謀做出的一個關鍵決定是加大對ASML的EUV技術的研發投入。在《芯片戰爭》中，米勒寫道，沒有人比臺積電的首席執行官在這項技術上 "下更大的賭注"。盡管當時還沒有得到證實，但張忠謀的一個親信相信其潛力。張忠謀為該技術的測試和實施提供了大量資金，這使臺積電在前沿制造方面獲得了優勢。 這種大膽的做法得到了回報。盡管蘋果公司最初依賴三星半導體，但隨著臺積電的發展，它成為唯一能制造真正尖端芯片的廠商，最終，蘋果選擇臺積電成為其iPhone處理器的唯一制造商。蘋果現在是臺積電的最大客戶，即使除了蘋果，臺積電也擁有約84%的尖端市場，如果沒有持續的研發支出或ASML的工具，它不可能取得這種主導地位。 卓越的執行力 《芯片戰爭》中的一段話回應了這一觀點。鼓勵張忠謀投資EUV的那位中尉說："在臺灣，人們工作得很辛苦。" 如果一臺設備在半夜發生故障，工人會趕去修理，而不是等到第二天。員工們會通宵達旦地工作，以推動關鍵項目的進展。當保持正常運行時間可以節省數百萬美元，而取得下一個技術突破可以帶來數十億美元的收益時，細微的利潤就會產生差異。值得注意的是，臺積電卓越的執行力在很大程度上歸功于張忠謀的第二任繼任者——Mark Liu，在2018年從張忠謀手中接過接力棒后，他在維持標準方面發揮了關鍵作用。 1987年，Morris Chang的職業生涯看起來即將結束。但是，他并沒有離開，而是在接下來的35年里創建了一家公司，這家公司重新定義了整個行業，促進了技術進步，并且變得非常重要，就像Jon Bathgate所說的那樣，成為 "全球經濟的關鍵點"。這種重要性賦予了臺積電非同尋常的力量，但也使它處于中國和美國爭奪霸權的中心。 正如我們之前所寫的，2022年是人工智能之年。快速的更迭正在改變我們研發藥物、編碼和修建的方式。像ChatGPT這樣的進步可能會迎來一個無窮無盡的媒體時代，在那個時代，算法會生成我們喜歡的書籍、游戲、電影和電視節目。 發展人工智能并不便宜，主要是因為它需要大量的計算。據估計，訓練GPT-3——一個新的過時的模型——將花費460萬美元。OpenAI即將推出的GPT-4模型可能要花費更多的數量級。關鍵是，在該領域取得進展時，計算能力是一個關鍵的投入，關于這點，OpenAI已經很好地展示了用于訓練模型的計算能力的指數級增長。 如果我們認為人工智能對人類的進步至關重要，那么計算能力是必不可少的，這意味著半導體在未來幾年可能會變得更加重要，時間將證明這種重要性對芯片行業的影響。 值得注意的是，人工智能依賴于不同的芯片。通常情況下，這意味著 "圖形處理單元"，即所謂的GPU。Nvidia是GPU的領先設計者，盡管它并不生產這些產品。除了更多標準化的GPU，近年來還出現了定制的人工智能芯片，旨在改善處理和降低成本。谷歌投資創建了 "張量處理單元"，縮寫為TPU，可以更好地與它的TensorFlow機器學習軟件對接。亞馬遜收購了以色列芯片設計公司Annapurna Labs，為其發布 "Inferentia "奠定了基礎，這是一種為深度學習設計的定制半導體。 當你第一次聽到這些創新時，人們可能會懷疑它們是否會顛覆現有的產品。臺積電在2010年代抓住了移動革命的歷史機遇，使它在英特爾面前一鳴驚人，也許，人工智能革命也可以給競爭對手一個類似的機會？ 也許吧。但是，再深挖一層，就會發現這些創新對臺積電的依賴程度與上一代芯片一樣，甚至更高。Nvidia可能位于加州，但它依靠臺積電的臺灣工廠進行生產。雖然不太清楚谷歌和亞馬遜在哪里制造它們的產品，但兩者都被認為在某種程度上依賴于臺積電。 即使從規模的角度來看，也很難看到Morris Chang的設備被取代。首先，芯片行業青睞規模大的企業，只有最大的企業才能負擔得起競爭所需的設備、運營費用和研發開支，當涉及到尖端的半導體時，這一點尤其真實。新來者或落后者沒有資金能生產改變游戲規則的人工智能芯片，他們需要擁有像臺積電那樣深的錢袋。 來源：RockFlow Universe
