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代工之争,燃烧在芯战后方的狼烟

2019-09-26 10:15
小生漫谈
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9月11日凌晨,在一年一度的苹果秋季发布会上,除了公布全新iphone之外,还有苹果全新的A系列芯片——A13仿生芯片。

在介绍芯片环节中,让网友们感到惊讶的是今年苹果也玩起PPT与友商芯片性能进行了对比,其中除了有骁龙855和骁龙845之外,华为P30 Pro使用的麒麟980也赫然在列。

虽然这在苹果发布会上很少见,但这种与友商芯片对比的形式,已然成为了新品手机发布会上说明自己手机好坏最硬核的证明,所以在手机发布会的现场上,其实也是芯片品牌厂商PK的战场。

芯片厂商尽情地在前场激情厮杀的同时,后方芯片制造也隐藏着更加激烈的战场,在这场没有硝烟的争夺中,发生过太多尔虞我诈,而且有时候如果竞争过于激烈还容易发生擦枪走火殃及前方战场的惨案。

而在全球战情复杂的芯片战场之中,对于入局稍晚一步的新生晶圆代工企业来说又意味着什么?

点沙成金,分工而制

还记得1946年2月14日,世界上第一台电子计算机ENIAC在美国问世,它是一个由17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6千个开关组成,重达30吨,占地160平方米的庞然大物,但如果将其和现在的计算机相比,计算能力还不如今天的便携计算器。

73年后,现在的计算机已经薄到可以随身携带,而且运算能力也大大加强,这一切全都仰赖着半导体的发现和电子电路的发展。

世界上首次发现半导体的人是英国电子学之父法拉第,从那以后,这种处于绝缘体到导体之间且拥有可控导电性的材料便开始应用在电子器件上,尤其在二次世界大战期间,因战事对雷达和无线电技术的大量需求,英美军方开始加大投入研究半导体器件。

然而最初被人们所认识的半导体大多为金属硫化物或氧化物,这些并不是制造电子器件的最佳材料,加上慢慢人们开始意识到用电子管制造的机器不仅体积庞大,而且造价也十分昂贵,1947年12月,贝尔实验室的肖克利、布拉顿、巴顿用锗制造出了第一个晶体管。

相较于真空三极管,由晶体管构成的计算机更小、更省电,同时运算速度也大幅度的提高,但到此为止电路还是由分立元件构成,直到德州仪器的杰克基尔比无意中生成的一个想法。

1958年,他在锗半导体芯片上添加了三极管等多个元件,并将元件之间用细金属连线连接,从而形成了世界上一块集成电路,此后不久,仙童半导体的诺伊斯也在第二年研制出了另一种基于硅平面工艺的集成电路。

集成电路彻底改变了电子产品的样貌,不过自然界锗含量非常有限,相反硅在地球上的存量倒是十分丰富,地上随处可见的沙子主要成分就是二氧化硅,再者二氧化硅在常温常压下有着非常好的强度和耐腐蚀性,所以集成电路的原材料便从锗换成了硅。

此后仙童半导体因发明者的身份迎来了短暂辉煌,到仙童半导体没落后,涌现出如英特尔、AMD等多家半导体公司均坐落在美国西海岸的一条狭长地带,久而久之这个地方的名字也就成为了世界各地半导体工业聚集区的代名词,它就是硅谷。

如果说硅谷见证了世界半导体的高速发展,那么英特尔的创始人戈登·摩尔则预言了晶体管的发展速度,即“当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍”。

代工之争,燃烧在芯战后方的狼烟

摩尔定律下近年来微处理器晶体管个数发展(维基百科)

的确在摩尔定律的预测之下,集成电路上的晶体管数量从上世纪六十年代的不到10个,增加到八十年代10万个、九十年代增加到1000万个、再到现在高达数亿至103亿个,因此摩尔定律也成为了后续半导体公司互相追赶的标杆。

而早期半导体公司多是从IC设计、制造、封装、测试到销售都一手包办的整合元件制造商(简称IDM), 但越往后由于半导体晶片的设计和制作越来越复杂、花费越来越高,单独的一家半导体公司往往难以负担从上游到下游的高额研发与制作费用。

于是从1980年代末期开始,半导体产业逐渐走向专业分工的模式,分成专门负责设计的上游公司和负责封装与制造生产的下游企业,然而促成这种分化的开始则是源于台积电的成立。

1987年,当张忠谋准备创立台积电的时候,世界上的半导体产业已由英特尔和德州仪器为代表的IDM大厂把持着,张忠谋心里清楚,迎面对抗这些大厂无疑是以卵击石,故而他决定另辟蹊径,将台积电打造成一家专门的晶圆代工公司。

此后台积电便最先在晶圆制造的产业链中开辟出了一条只负责芯片制造或封测的独特代工模式,即人们常说的Foundry模式,而且台积电的成功也让这种新兴的Foundry模式迅速发展,成为半导体产业的主要模式。

不久在台积电的周围出现了多方势力前来“抢肉吃”,可对最早占据高地的台积电来说局势早已成“易守难攻”之势,这么多年台积电一直稳居晶圆代工龙头的宝座,而且连后几名的排名也鲜有变化。

不过即使表面再毫无波澜,只要不是一滩死水,水面之下也会有暗潮涌动,晶圆代工也是一样。

高处不胜寒,还不如主动出击

张忠谋做了第一个敢吃螃蟹的人,随着新的模式逐渐被市场所接受,开始苦尽甘来的时候,却引来了台湾省另一家半导体公司——联华电子的战火。

联电是一家拥有多年历史的IDM公司,为对抗台积电,1995年不惜放弃自有品牌,转型为纯专业晶圆代工厂,与美国、加拿大等地的11家IC设计公司合资成立联诚、 联瑞、联嘉晶圆代工公司。

两年后,晶圆厂开始投入试产并取得喜人的产出,就在联电逐渐看到打败台积电的希望,摩拳擦掌地放出“联电在两年内一定干掉台积电”豪情壮语的两天后,一场无情的大火摧毁了联电旗下的联瑞厂房。

这场大火不仅毁掉了价值百亿厂房,还葬送了原本预计盈利20亿元的订单,一时之间,联电从英姿勃发变为债台高筑,错失半导体发展高峰期不说,还造成了大量订单客户流失。

联电的遭遇只能归因于“流年不利”,而不是败倒在和台积电正面技术比拼之下,所以在联电心中不免留有一丝遗憾,而另一边台积电依靠稳扎稳打依然坐稳老大的位置,同时台积电心里也清楚如果一直处于高位不免总要担心会有人爬上来将自己推下来,最好的办法还是自己足够强大。

当半导体元件越来越小,不仅晶圆本身需要进步,中间负责连接的金属导线也需要更新,当时解决导线落后问题的解决方法主要有两种,一种是直接换材料,用电阻更低的铜代替铝,另一种则是选用Low-K Dielectric (低介电质绝缘) 作为介电层材料。

恰好2000年,来自美国的专利“富人”IBM就带着铜制程和Low-K材料的0.13微米新技术同时找到了台积电和联电兜售,面对现成的新技术,联电欣然接受,而台积电则是选择自己研发。

可让联电万万没想到IBM的技术只限于实验室,在现实制造上良率过低,达不到量产。反观台积电2003年自主研发的0.13微米制程技术得到了客户的好评,从营业额又一次大大拉远了联电追赶的距离。

眼看着台湾省已经再无和台积电比拟的对手存在,台积电便放眼国际,用主动出击的策略开始挑战IDM大厂,首先迎战的就是亚洲战区的三星。

当时三星不仅自己设计生产处理器,自给自足自己的电子产品,还手握苹果手机处理器订单,可以说是要风得风要雨得雨,不过伴随着后期三星手机与苹果手机出现摩擦,台积电马上看准三星和苹果打官司关系出现裂痕的时机,2014年开始打进了苹果A系列处理器供应链之中。

被台积电抢走苹果这块蛋糕之后,在2015年,二者之间的局势又一次出现了逆转,而这次是在制程上。

代工之争,燃烧在芯战后方的狼烟

图源:西南证券

之前在20nm制程上台积电是领先于三星的,然而不久前还在苦恼20nm制程的良率问题的三星却摇身一变,跳过16nm直接推出14nm制程,从落后到领先仅用了不到半年的时间。

三星的外挂式增长让外界开始将原因归咎于从台积电离职后归入三星门下的梁孟松身上,梁孟松曾在台积电立下比比战功,2009年离开台积电后,被三星挖角,也是在三星任职期间,三星的制程技术得到了飞速发展,2011年底台积电正式以泄露行业机密为由起诉梁孟松。

当然一个公司的进步不能全都归结在一个人身上,只不过一切都太过于巧合,结束官司后,梁孟松也从三星出来,于2017年10月正式加入中芯国际,然而历史总是如此地相似,在梁孟松加入之前,台积电也曾用相同的手段对待过中芯国际这个新兴的半导体公司。

中芯国际与台积电的联系始于中芯国际的创始人——张汝京。

在创办中芯国际之前,张汝京曾在台湾省创立了一家名为世大的半导体公司,这是继台积电、联华电子之后,台湾的第三家晶圆代工厂商,后来随着世大越做越大,开始威胁到台积电在台湾的地位,所以张忠谋便出面和张汝京讨论收购世大的计划。

2000年台积电收购世大半导体,同年8月24日,中芯国际正式在上海建厂打桩,之后仅用13个月的时间,中芯国际就拥有了一座八英寸晶圆代工厂,这个速度堪称业界奇迹。

而中芯国际高速发展的同时却引来了台积电的频繁诉讼骚扰。

原因是张汝京在创立中芯国际的时候,初创团队大多数是原来台积电的老员工,2003年8月,在中芯国际即将在香港上市的关键时刻,台积电看准时机,在美国加州以离职员工涉嫌泄露商业机密为由起诉中芯国际,此后台积电用相同的手法多次骚扰中芯国际。

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