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探秘台积电美国工厂
随着全球持续应对芯片短缺，芯片制造商中的一家安静的巨头已承诺在三年内投资 1000 亿美元以提高产量。台积电可能不是家喻户晓的名字，但市值超过5500亿美元，是全球市值最高的10家公司之一。现在，它正在利用其可观的资源将世界上最先进的芯片制造带回美国本土。CNBC 独家参观了位于亚利桑那州凤凰城外的价值 120 亿美元的制造工厂或晶圆厂，台积电将于 2024 年开始生产 5 纳米芯片。该公司表示，它将每月生产 20,000 片晶圆。“这些部件将用于许多不同的地方：CPU、GPU、IPU 等。它们将用于智能手机，”Rick Cassidy 告诉 CNBC。Cassidy 是台积电的首席战略官，也是台积电亚利桑那州项目的总裁兼首席执行官。从手机到 F-35 战斗机，再到NASA 的毅力漫游者火星任务，都需要用到台积电制造的各种关键部件。本月早些时候，它宣布计划在日本建立一家新工厂，在那里生产采用旧技术的芯片，用于家用设备和某些汽车零部件。台积电还是Apple目前市场上每部 iPhone 和大多数 Mac 电脑中最先进芯片的独家供应商。“但就终端市场而言，它们仍然处于后台。因此，当一款新手机问世时，Apple 会获得所有赞誉，”Semico Research 制造部董事总经理 Joanne Itow 说。“我们很低调。我们让我们的产品不言自明。他们的成功带来了我们所期望的所有业务，”Cassidy 说。美国是先进芯片的发源地，但几十年来，它的市场份额一直在流失到亚洲，据行业协会 SEMI 称，2020 年全球 79% 的芯片生产发生在亚洲。它计算出美国去年占全球芯片制造业的 12%，低于 1990 年的 37%。
据该公司称，仅台积电就占 2020 年全球半导体产量的 24%，高于 2019 年的 21%。研究机构凯投宏观 (Capital Economics) 的数据显示，在最新款 iPhone、超级计算机和汽车 AI 中使用的最先进芯片方面，台积电占了 92%，而三星则占了 8%。“它在前沿芯片制造几乎成为垄断，所有这些制造业务，大部分都在台湾新竹进行。Susquehanna的高级半导体分析师克里斯托弗·罗兰 (Christopher Rolland) 表示，这对美国来说是一个重要的问题，这不仅是美国，而是整个西方世界。除了尖端的 3 纳米和 5 纳米芯片外，台积电还为电动牙刷和咖啡机等产品生产更大的芯片。汽车通常使用不太先进的 28 到 40 纳米芯片。所有类型的芯片都受到短缺的影响。包括通用汽车和丰田在内的汽车制造商已暂停部分工厂的生产。苹果可能会大幅削减 2021 年iPhone 13 的生产目标，部分机型的订单将推迟一个多月。
当Morris Chang在1980年代首次提出台积电的想法时，投资者持怀疑态度。张出生于中国大陆，曾就读于哈佛、麻省理工学院和斯坦福大学，在德州仪器工作25 年后移居台湾。在那里，政府要求他创建一家将成为世界领先者的台湾半导体公司。他的想法是：只专注于制造——现在被称为纯代工厂。“当你只专注于一件事时，你就会把一件事做得非常好，”Cassidy说，他在 23 年前加入台积电，他形容与张的长达数小时的会面令人着迷。Chang 押注于尚不存在的需求。当他于 1987 年创立台积电时，英特尔和德州仪器等巨头以设计和制造 自己的芯片而自豪。当时业界有句传奇的说法是“真男人有晶圆厂”。“当张忠谋出去寻求资金时，他去了许多你认识的知名公司，他们告诉他们，Morris ，你的想法不会落地。如果你把它从地面上拿下来，它就无法扩展。’”但随着芯片变得越来越复杂，制造它们成为一项艰巨的任务。分析人士说，今天建造晶圆厂至少需要两年时间和 100 亿美元。它已经成为几乎不可能，即使是如英特尔，英伟达，博通，高通，AMD 等大芯片公司，也无法做到这一切。例如，英特尔仍在设计和制造自己的芯片，但近年来已经落后于三星和台积电，现在依靠台积电来制造一些芯片。 “如果你是一个聪明的设计师，随着 TSMC 的出现，你第一次不必拥有数十亿美元和一个晶圆厂，”罗兰说。现在，芯片制造的每个主要步骤通常由单独的公司处理。一些，例如 Arm 和MIPS，专注于 IP 和架构，提供设计芯片的核心构建块。然后是电子设计自动化公司，如Cadence和Synopsys，它们编写用于设计芯片的软件。只有一家公司ASML制造了价值 1.8 亿美元的极紫外光机器，用于将设计蚀刻到最先进的芯片中。然后是设计芯片的大获成功的无晶圆厂公司，例如苹果、高通、英伟达等等。
随着这些无晶圆厂公司的腾飞，台积电发现自己在飞轮上制造越来越多的世界芯片。“这让 [TSMC] 不仅赶上了，而且在我看来，超越了英特尔，成为地球上世界上最伟大的制造技术，”罗兰说，“就市值而言，它是全球前 10 名最有价值的公司之一。”台积电于1994年首次在台湾证券交易所上市，并于1997年成为第一家在纽约证券交易所上市的台湾公司。到 2000 年代，它已经赶上了当时制造最先进芯片的 20 家左右的其他公司。随着技术的不断进步，越来越多的公司落在了后面。今天，只有两家制造商可以制造最先进的 5 纳米芯片：台积电和三星。2013年，苹果开始依赖台积电为iPhone生产A系列芯片，摆脱对手机直接竞争对手三星的依赖。今天，市场上的每部 iPhone 都有一个台积电芯片。苹果也离开了英特尔，现在依靠台积电来制造大多数 Mac 内部的芯片。2018 年，86 岁高龄的张作为台积电董事长退休。他激进的纯代工理念继续获得回报。随着明年在台湾开设新晶圆厂，台积电正在与三星竞争制造全球首款 3 纳米芯片——英特尔计划在 2025 年实现这一目标。目前，美国没有一家晶圆厂可以制造 5 纳米芯片。但台积电正在改变这种状况。“如果你想要更多的产能，你就必须建造更多的晶圆厂。这就是我们搬到美国的原因之一，”Cassidy说。“我们的客户希望我们在美国，美国政府希望我们在这里。”台积电技术总监 Tony Chen 带着 CNBC 参观了正在建造一座 230 万平方英尺的四层晶圆厂的现场。在台积电工作的 23 年里，陈先生领导了其他 17 个晶圆厂建设项目。 “这个项目被设计成一个 5 纳米晶圆厂。实际上，这是我们在台湾的晶圆厂的复制，”陈说。 在那里，世界上最大的起重机之一正在被提升到 200 英尺的全高。这台 2,300 吨的起重机由 153 辆半卡车运到现场。现场主管吉姆·怀特 (Jim White) 表示，自 4 月开始施工以来，承包商已搬运了近 400 万立方码的泥土，并使用了超过 2.6 亿加仑的水。建造晶圆厂和制造芯片需要大量的水，而不是沙漠中的丰富资源。亚利桑那州最大的水源是地下水，但大型农场的深井用水速度快于自然补充。陈说，台积电每天需要大约 470 万加仑的水来支持生产。 台积电对缺水并不陌生。他们在台湾正面临 56 年来最严重的干旱威胁，台积电表示这并未影响生产。台积电表示，在亚利桑那州，一个现场水处理中心将回收高达 90% 的工厂用水。“最终，在提供反渗透和其他技术解决方案后，这些水将与凤凰城合作重新注入含水层，”大凤凰城经济委员会总裁兼首席执行官克里斯卡马乔说。他帮助谈判了将该项目带到亚利桑那州的交易。另一个挑战是，大多数 5 纳米专家都位于亚洲。为了解决这个问题，台积电的学术关系经理 Roxanna Vega 表示，该公司正在从台湾引进一些顶级专家。“他们被视为他们在我们那边的晶圆厂所做工作的主题专家，”Vega 说。“这将是一个临时任务……两年，也许三年。”台积电表示，它已经向台湾派遣了 250 多名美国新员工，做为期 12 至 18 个月的培训，以加快工厂推进速度。“在我们位于台湾的 5 纳米超级工厂中进行培训，目的是让他们深入了解亚利桑那州的工具、机械和一切将有多么巨大和最先进，”Vega说。“台湾在模拟半导体设计方面不是很好，通过搬到美国，你将能够接触到更多的模拟设计师，”罗兰说。
台积电的 12 座晶圆厂大部分位于台湾和中国大陆，这使世界容易受到自然灾害造成的潜在放缓影响，包括当地目前的干旱或该地区的地缘政治紧张局势。然而，一些专家将台积电称为台湾与中国关系紧张的“硅盾”。“媒体对这种情况描绘了一幅非常黯淡的图景，”罗兰说，“但我实际上要乐观得多——部分是因为这种半导体屏蔽的想法，因为大陆和台湾之间的这种互利关系本身。中国目前的领先制造需要它们。”美国还严重依赖来自台湾的芯片——这是政府努力说服台积电将其技术带到台湾的一个关键原因。“亚利桑那州有许多计划，包括合格设施税收抵免和优质工作税收抵免，这确实是帮助降低运营成本的激励措施，”Camacho说。“除此之外，凤凰城还提供了 2 亿美元的基础设施配套，帮助台积电获得供水和所需的额外基础设施。”拜登政府也提出了520亿美元补贴计划，推动更多如台积电等企业来美国落户。行业报告估计，美国政府投资 500 亿美元将在未来 10 年内在美国建设 19 座晶圆厂，有效地使国内芯片制造能力翻番。随着短缺的继续，类似的投资正在世界各地发生。行业协会 SEMI 预计，到 2024 年，将有 72 座新晶圆厂或大型扩建工厂上线，其中 10 座位于北美和南美。SEMI 总裁兼首席执行官 Ajit Manocha 表示：“在过去的两三年里，我听到的投资公告比我一生中听到的都要多。” “基于此，我们认为到明年年底，我们应该会看到芯片短缺有所缓解。”据《华尔街日报》报道，在此之前，随着需求继续飙升，台积电将芯片价格提高了 20% 。成本可能会随着电子产品的价格逐渐下降到消费者身上。台积电也在继续提高产能，包括在美国，亚利桑那州占地 1,100 英亩的工厂肯定有第二阶段的空间。
