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草創期茁壯期成長擴張期西進中國量產加速期美中貿易戰全球擴張期
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台積電擴廠史
全球化晶圓代工的昨日、今日與未來

2021年9月,台積電可能在台灣高雄設7奈米廠的消息,廣受矚目。

畢竟,近兩年來,全球晶片需求高升,台積電成了全球兵家必爭之地;但台灣又因台海戰爭的陰影升高,而被《經濟學人》稱為「世界上最危險的地方」。美、日、德、中都在爭取晶片這個重要的戰略物資,希望留在自己國家境內設廠,確保它不受到疫情、戰爭的影響。

換句話說,在這「逆全球化」的年代,從「全球化時代」走來的台積電,未來設廠何處、在哪裡製造這「二十一世紀的石油」,動見觀瞻。

1987年,柏林圍牆倒塌的前三年,台積電在新竹起家;其採取的晶圓代工製造路線,奠基在舊冷戰瓦解、全球化浪潮來臨的年代,以客戶、股東與市場利潤為導向,以台灣為生產基地,向全球客戶供貨;但隨著中美對抗的世界大局逐漸成形,養育台積電的土壤,也起了根本性的變化。

在這關鍵時刻,當我們回顧台積電全球化、擴廠的旅程,將更能明白它今日面臨的挑戰,這些挑戰不只屬於一家企業,也牽動世界晶片/芯片產業的未來,甚至往往是地緣政治角力的先兆。

在回顧台積電的全球化旅程之前首先回頭認識:何謂「晶片」?

1積體電路

將成千上億的電晶體與其他電子元件,全塞在一長寬約半公分的晶片上,這晶片即是積體電路。


2電晶體

半導體的一個元件,就像水龍頭可以控制水流一樣,電晶體是電流的控制器。

半導體晶片如何製作?

IC 設計

工程師會先畫出IC電路設計圖,規劃晶片功能。

晶圓製造

上游的矽晶圓廠將矽純化、拉出「矽晶柱」,並像切火腿一般將晶柱切成薄片,形成「晶圓」(Wafer)。接著,經過台積電這類製造廠的一連串複雜程序,電路設計圖透過光罩被轉印在晶圓上。

封裝測試

接著,晶圓被送到封裝廠切割成晶片,並做最後測試。

「8吋晶圓」、「5奈米製程」這些數字代表什麼?

台灣媒體上常見的「8吋晶圓」、「12吋晶圓」,指的是晶圓的直徑。晶圓越大、可生產的晶片量就越多,可降低每單位晶片成本,也可隨設備技術演進滿足更先進製程

當前,台積電最先進製程的晶片都是在12吋晶圓廠生產,8吋晶圓廠以生產成熟製程晶片為主。過去一兩年,全球市場對成熟製程需求超過預期,用來生產觸控控制晶片、電源管理晶片的8吋晶圓廠產能供不應求。

1奈米是1公分的一千萬分之一,「5奈米製程」指在晶片中,最小可以做到接近5奈米的尺寸。

各家廠商之所以追求更細小奈米製程,是為了在更小的晶片中塞入更多的電晶體,讓晶片不會因技術提升而變得更大,滿足現代對電子用品輕薄、省電、高效能的需求

台積電的「專業代工」模式

台積電在世界半導體產業史上,採取的是相當創新的「專業晶圓代工」模式。台積電創辦人張忠謀後來曾回憶,世界上多數的半導體公司都採取「垂直整合」(IDM) 模式,也就是將半導體產業當中的IC設計、晶圓製造、IC行銷,三者集結在一個公司內完成。而台積電的創新之處,便是僅專注做「晶圓製造」一項,靠著永遠不與客戶競爭的承諾,讓它贏取了大量的半導體公司客戶。


張忠謀為何採取這樣的策略?

他說,1980年代的台灣,沒有設計、行銷的能力,不可能做垂直整合公司,晶圓製造技術雖然落後,「但是在良率方面倒是滿好的,可以跟別的世界級公司的製造部門競爭」,也因此張忠謀提出的戰略,可說是為了當年的台灣「量身訂做」。

在全球化的年代,台積電開始了它不斷擴張的旅程。

台積電於 1994 年股票上市之後,開始積極擴張,進入關鍵的轉捩階段,除了在台灣、海外積極擴張之外,亦開始規劃超大型廠房「GIGAFAB」(超大晶圓廠),奠定此後台積電在台灣興建廠房的新模式。


除了創新的廠房模式之外,台積電在台灣境內,則先後併購了「德碁」和「世大」兩間公司位於竹科的廠房(分別編為台積電的 7 廠和 8 廠),並在台灣的第二個科學園區──南部科學園區設立晶圓廠;

至於海外,台積電則在美國華盛頓州轉投資 Wafertech(11廠),並與飛利浦合資於新加坡成立 SSMC。

註:GIGAFAB 通常由幾座廠房組合而成,規模比一般晶圓廠大很多,由先進的「集中式晶圓廠製造管理系統超級製造平台」協調運作;左圖即台積電的第一座GIGAFAB——新竹的12廠

不過台積電在海外設廠的計畫,也並非全無爭議;其中卡關最久的,當屬位於上海松江的八寸晶圓廠(10廠)。

台積電開始積極擴張時,正好是李登輝執政時期,也是台商大舉赴陸、台灣社會激烈討論西進利弊的時間點


1996年

李登輝提出「戒急用忍」概念,決定暫緩投資金額高於 5000 萬美元、屬於高科技產業,或和基礎建設有關的對陸投資案。

導致台積電在美國的11廠、在新加坡的SSMC都落成量產了,在上海松江的10廠都仍然沒有著落。


台灣實現首次政黨輪替、陳水扁上台之後,情況才有了變化。

2002年

台灣經濟部發布《在大陸地區投資晶圓鑄造廠審查及監督作業要點》,為台商赴陸設置半導體廠提供了審查依據。

台積電在上海松江的設廠計畫,亦在隔年 2 月終於獲台灣經濟部同意。

2010年,世界剛剛經歷金融海嘯,台積電卻大膽地將資本支出,從前一年的26.71億美元,翻倍為59.36億美元。


在這個客戶需求量非常大的製程,台積電拉開和其他競爭者(三星、GlobalFoundries、聯電)的距離。張忠謀在2012年稱台積電的28奈米是「徹底的成功」,拿下接近100%的晶圓代工市佔率。

順著28奈米的成功,台積電搭上智慧型手機的浪潮。

2014年,台積電以20奈米製程技術首度拿下蘋果iPhone 6的處理器代工訂單。在下一支蘋果iPhone 6s,台積電和競爭者三星雖同時拿下A9處理器訂單,台積電卻用其16奈米製程技術完勝三星的14奈米。

自此之後,從iPhone 7 到今天的iPhone 12,蘋果的A系列處理器全找台積電代工,蘋果成為近幾年台積電的最大成長動能之一。


NOKIA 3310 (2000)德州儀器 (132奈米)
NOKIA N70 (2005)德州儀器 (90奈米)
iPhone 3GS (2009)三星 (65奈米)從首代到iPhone 5,蘋果用的是三星代工的處理器
iPhone 6s (2015)使用三星 (14奈米)和台積電 (16奈米)
iPhone 7 (2016)台積電 (16奈米)從7開始至今,蘋果處理器皆找台積電代工

2018年第二季,台積電的7奈米晶片量產,在7奈米的這一役,台積電領先了對手三星。

2018年10月,台積電趁勝追擊加大資本支出,加強對7奈米和5奈米的投資,台積電再一次讓世界看到屬於它的「黃金年代」。


擴大資本支出之所以關鍵,因為各國現在正在比拚的,正是一場資本競賽。

要想在先進製程的世界裡競爭,從研發成本到設備支出,動輒數百億美元的投資,全世界只剩下資本雄厚的台灣的台積電、南韓的三星和美國的英特爾玩得起。

舉例來說,當這三家公司要往7奈米以下更先進的製程技術發展,就必須運用到荷蘭設備商艾斯摩爾(ASML)的EUV(極紫外光)機台,而這每台高達1億美元以上的機器,也是台積電資本支出超高的因素之一。

為了因應市場需求、保持技術領先,2021年4月,台積電宣告將在未來三年投入1000億美元的資本支出。

未來雖不可知,但當我們回顧台積電全球化的旅程,或許也更能明白它今日面臨的挑戰,這些挑戰不只屬於一家企業,亦牽動世界晶片/芯片產業的未來。

台積電起初的崛起,可以說和「全球化」脫不了關係──正是資本、零組件的跨國流動,以及全球產業鏈的分工,讓台積電得以將台灣當作晶圓的生產基地,銷售各國。然而儘管扮演重要角色,台積電過往卻經常被視為「代工廠」,不只蟄伏在世界舞台的幕後,就連希望「發展品牌」、「追求產業升級」的台灣人,有時也未必看得見台積電「專業代工」的價值。

有趣的是,讓台積電開始被世界看見的原因,卻是另一股看似完全相反的動力:自從2018年美中貿易戰愈演愈烈,以及美國制裁華為、重組供應鏈之後,世界貿易便壁壘再起,頗有「新冷戰」的態勢;而 COVID-19 疫情造成的晶片短缺,則進一步加深了台積電、以及整個半導體產業的重要性──台積電近兩年大幅竄升的股價和市值,都反映了這些動態。

晶片呢,就像我手裡的這個一樣,這些晶片、這些晶圓呢,就是電池,就是寬頻網路,那都是基礎設施。晶片,就是基礎設施。
美國總統拜登(Biden),2021

隨著拜登對美國追趕基礎設施、發展半導體的呼籲,各個大國,也開始將半導體視為「戰略產業」;除了在美國鳳凰城的新廠已經開工之外,台積電也傳出可能會在日本、德國落地設廠:在這波「逆全球化」的浪潮中,台積電的設廠地點,似乎也不得不變得更多元。

然而台積電前董事長張忠謀,和現任董事長劉德音,也多次強調,半導體的「在地化」生產不只不切實際、會提昇成本,也可能拖累技術進步的速度。

半導體製造在地化會產生,但我覺得是一個相當局部性的發展,因為全世界的半導體供應鏈是緊密結合,是讓我們的消費者得到最大的利益,比如說電話等等,這個在地化我覺得不太可能。
台積電董事長劉德音股東會談話,2021
試圖讓時光倒流,是相當不切實際的,如果嘗試讓時光倒流,不僅成本將會提升,技術的進步也可能會放緩。
張忠謀 APEC 談話,2021

值得注意的是,雖然台積電過去早有在海外發展的案例,往其主要客戶所在的中、美兩國設廠,但其最先進的製程和研發基地,則總是會留在台灣。

目前看來,這個策略並沒有太大變化:雖然海外設廠聲音不斷,但台積電最先進的2奈米製程,依然將會落戶台灣新竹,回到台積電發跡的故鄉。

三十多年前,台積電因為「全球化」而崛起,現在又因為「逆全球化」趨勢、與全球對晶片的需求,而成為兵家必爭的對象。台積電將如何在地緣政治的洶湧暗潮中前行?或許正如許多專家的建議,台積電可能更寧願選擇低調行事,但作為一家被稱為台灣「護國神山」的企業,台積電恐怕將不再只是投資人與行業專家關注的標的,而是國際間眾人矚目與爭搶的焦點。