解析台灣半導體巨擘(四)──人力、製造力、設備共用性，共譜台積電勝出優勢

編按：資深前分析師 Richard 從財務面、技術面、競爭力分析等角度深度解析台積電，科技新報取得獨家授權，4 篇專文報導，帶你了解這間台灣舉足輕重的半導體巨擘。前三篇已就台積電的財務面、技術面、客戶面來做分析，最後一篇來說明它的競爭優勢。

Foundry 產業的關鍵競爭要素

1. 先進製程技術

半導體產業，只要摩爾定律（Moore’s Law）持續作用，必然讓更多功能、更多電晶體納入晶片中，而功能複雜的晶片，需要更先進微縮的製程技術，來降低 die size、降低成本，32 / 28nm 以前，每一世代 technology node 的 cost 都會降低，但到 20nm 和 14 / 16nm 的 cost per transistors 沒有降低多少，預期到了 10nm 和 7nm，cost per transistor 會再度明顯下降。除了成本之外，先進製程也可提高晶片的 performance / speed，和行動產品最重要的：降低耗電。

在邏輯製程（Logic process）半導體領域，通常會優先考慮使用最先進製程的產品包括：CPU、AP（Application processor）、GPU、FPGA / PLD，高整合度的複雜 SoC，其次是 Baseband、DSP、中整合度 SoC 等。誰能領先進入更先進的製程技術，就能吸引這些產品客戶來下單，客戶之間也是競爭對手，勢必和具有先進製程技術能力和未來研發潛力的 foundry 廠合作，才能維持客戶自身的競爭力。

先進製程的研發，除了研發投資金額越來越昂貴之外，更是基礎物理和半導體科學的競爭，有扎實深入的基礎研究，才能正確的預測幾年後、下一代的技術發展方向，然後投資下去，把這個技術開發出來商品化，將摩爾定律再往下推進，突破自己的製程競爭力，一旦對技術走向預測錯誤，不但會造成龐大的投資付諸流水，更會讓公司的技術發展落後對手，喪失競爭力。在先進製程研發領域，「博士」只是基礎訓練，製程實驗室戰場上面對的往往是「院士」級的對手。

2. 製造良率和效率

相較於先進製程技術，是由研發部門決定勝敗，生產效率和良率，則由製造部門負責，通常一個新的製程，不論是下一世代的先進製程（advanced technology node），或是水平發展的 specialty porcess，研發部門將新製程開發出來之後，將移交給製造部門負責，製造部門的工程能力非常重要，除了要和客戶 IC 設計研發人員密切配合，了解產品特性，也要對製程技術和機台特性透徹了解，才能快速提升客戶新產品的生產良率。

生產良率有 3 個重點，第一是良率爬升速度要快，第二是良率要高，例如，同樣新產品量產 3 個月時的良率高低，良率高代表創造更多價值，或者提高 foudnry 本身的毛利率，或者分享給客戶更低的價格，第三是良率的穩定性，有些 foundry 良率上來之後，忽上忽下，讓客戶很難生產規畫，良率時好時壞，隨時影響客戶的成本結構、業務能力和庫存政策，

再來，一家大型 foudnry 會有上百家客戶、上千項產品，同時間在晶圓廠內跑，產品組合、客戶組合、製程組合、每個製程又有很多複雜的生產流程，大批量、小批量的產品，通通混在廠內，生產管理要兼顧品質和效率，非常不容易，線上工程師面對不同產品的品質挑戰、交期挑戰、產出挑戰，尤其當各種各樣問題出現的時候，如何快速解決，都將在最後的效率上展現。

3. 客戶服務

foundry 的客戶是包括 Fabless、IDM 和 System house，每家客戶的產品變化很大，每家 foundry 業者的製程特性和 design rule 也都不相同，foundry 產業屬於客製化程度很高、服務性質很高的產業。客戶對 foundry 廠的需求包括：幫助客戶熟悉 foundry 製程的 design rule、幫助客戶設計出很容易製造併提高良率的 IC、幫助客戶依據製程發展藍圖規劃自己的產品藍圖、基本 IP 支援、良好的 EDA / tools 環境、良率快速拉升、良率穩定、交期準確、成本 / 價格有競爭力、生產問題解決、生產資訊的分享、產能投資承諾、技術研發投資承諾等。

台積電競爭力分析

1. 台積電的先進製程技術能力

邏輯製程的先進製程技術，英特爾還是第一名，但台積電和 Samsung LSI 急起直追，3 家公司都預計在 End-2016 量產 10nm，但英特爾可能率先進入下一代新的電晶體架構，如同英特爾在 22nm 率先進入 3D transistors，台積電和 Samsung LSI 到 14 / 16nm 才進入 3D transistors，而英特爾雖然 10nm 量產時間沒有繼續領先，但可能在 10nm 採用新一代的 Gate-all-around 架構，台積電和 Samsung LSI 則繼續用 3D FinFET 架構。

台積電這兩年製程技術，已經超越 IBM，Samsung LSI 本來屬於 IBM 技術聯盟，28nm 時和 IBM 一樣用 Gate First 技術，不像英特爾和台積電用 Gate Last 技術，後來承認錯誤，IBM 聯盟廠包括 Samsung LSI 到 20 / 22nm 才改回來用 Gate Last，加上 20nm 市場幾乎被台積電通吃，累積不少經驗，Samsung LSI 則沒有 20nm 大量產經驗，要從 28nm Gate First，直接跳到 14nm Gate Last，有其困難度，這應該也是台積電之所以輕敵的原因。

不料，Samsung LSI 的 14nm 做得出奇的好，量產時間領先台積電 1~2 季，台積電從早年的英特爾第一、IBM 第二、台積電第三名，一度追成英特爾第一、台積電第二、IBM 變成第三名，到 2015 年又變成英特爾第一、Samsung LSI 第二、台積電再度淪為第三名。從此，Samsung LSI 正式變成台積電在先進製程研發上面的強勁對手。未來勝負很難預料。

從基本研發實力分析，台積電人才濟濟，研發部門博士碩士只是基本履歷，重量級的「院士」、半導體學術界的重量級論文、關鍵專利創作者，都具有相當份量，是台積電先進製程研發的重要優勢。十幾年來台積電在技術發展方向上，幾乎都走在正確的道路，一一過關斬將，終於拉近和英特爾的技術落差，真正進入世界一流先進製程技術公司的決賽圈。

每一次選擇正確的技術方向，都是重大戰役，台積電目前的紀錄無懈可擊，例如，0.13um 銅製程 low K 材料，台積電正確選擇以 FSG 材料為基礎的，Applied Material 的 Black Diamond（IBM / UMC / Infineon 選擇 Dow Chemica 的 SILK），High speed / CPU 製程主力選擇放在 Bulk CMOS（IBM / AMD / Chartered 選擇 SOI），45nm 開始將主力放在 40nm half-node，32 / 28nm 世代和 22 / 20nm 更直接只量產 half-node 28nm 和 20nm，45 / 40nm 選擇 Gate Last（IBM 聯盟 Samsung / Globalfoundries 等全部選擇 Gate First）。

當全球半導體界受阻於 65 / 55nm 以下 193nm 波長微影極限，重金研發 157nm 乾式光微影（optical lithography）遲遲無法突破時，台積電林本堅院士提出繼續用 193nm 但改用浸潤式微影（Immersion Lithography），完全主導業界技術走向，將製程技術順利推向 45nm 以下，透過多重曝光，193nm 波長浸潤式微影 scanner 機台甚至確定可以做到 10nm 還沒問題。至於今年台積電、Samsung LSI 開始量產的 FinFET 3D 電晶體，其發明人胡正明院士也曾於 2001~2004 年任職台積電。

接下來下一製程技術的大戰，就是何時開始用 EUV 微影，台積電目前規劃 10nm 製程不用 EUV，7nm 開始試用，5nm 才全面使用，EUV 從 32 / 22nm 就開始研發，台積電似乎有信心將 193nm 波長浸潤式微影，繼續推進到 7nm，屆時，台積電的 193nm 波長浸潤式微影 7nm，將和英特爾的 EUV 微影 7nm 對決。

2. 台積電的製造能力

先進製程通常只有 1~2 家少數對手，彼此爭取為數很少和但訂單量大的大客戶，主要競爭在新製程量產時程和良率，但成熟製程的 foundry 對手多，主要競爭在製造能力，台積電的製造能力展現在以下幾點：

產品投產後良率拉升快：客戶可 time to market。
平均良率高：雖然台積電 wafer 報價比對手高，但良率高 good die 產出也多，實際價差沒有那麼大。
良率穩定：客戶銷售和庫存管理負擔輕。
所有製程都是自行研發，製程參數資料庫完整，RD 知其然也知其所以然，不像UMC、Globalfoundries 的部份製程技術是和別人合作或授權，出問題很難調整，大案子可以由 RD 人員特別客製化，但推廣到幾十、幾百個大小案子時，就不能事事靠 RD，必須製造部門自己解決，授權來的製程技術，很多細節要慢慢摸索消化吸收。
製程 portifolio 完整，28nm 橫向發展各種應用或 cost down 新版，其他 specialty 製程也很廣泛。
生產流程效率化、自動化，在一家有幾百個產品同時生產的 foundry，尤顯重要。
因為生產管理和良率上軌道，交貨（delivery）能力強。
Fab 12（新竹）、Fab 14（台南）、Fab 15（台中）三大超大晶圓廠（Giga Fabs）有降低生產成本、縮短 cycle time、提高生產彈性等好處，資深人力的調度、支援也是無形的好處。
台灣半導體廠共有的另一項優勢，做二休二，這種制度讓工廠一天只要輪兩班，不用輪三班，狀況、問題只有兩批人交接，不是三批人交接，會比較順利，責任也比較容易釐清，做二休二對生產效率和品質控管的好處，很少人提到，但個人認為這是台灣獨特的地方。
生產線工程師素質高：台積電生產線上有很多一流大學甚至碩士學歷的工程師，基層工程師素質高於國外半導體廠，就國家資源分配的角度，有點殺雞用牛刀，但對台積電則無疑是加分的。

3. 台積電的製程設備共用性

台積電的 20nm 和 16nm 技術經驗沿用性很高，設備也有 95% 可以共用。10nm 是下一個階段，投資額可能比較大，但跨過 10nm 之後，10nm 和 7nm 技術經驗沿用性也很高，設備也有 90% 可以共用。這應該不是產業普遍的現象，牽涉到新製程開始研發的時候，就要考量到設備共用性，還有對設備的了解和知識，才有修改設備沿用到下一世代製程的能力。不是每個人都可以做到的。推估，這是台積電長年和設備廠商共同研發先進製程設備所累積的經驗，和積極 cost down 創造利潤和高 ROE 的企業文化使然。至於英特爾和 Samsung LSI 有沒有這種考量，不得而知，但他們是 IDM 出身，理論上比較重視技術領先第一，至於要不要在技術領先的同時，考量到設備共用的成本節省，恐怕未必。