过去几十年，摩尔定律让处理器性能快速提升，随着摩尔定律放缓，性能和需求之间的矛盾日益明显。一方面是智能手机、HPC、AI 对处理器性能不断增加的需求，另一方面则是半导体制程提升难度大增与高昂成本。不过，先进半导体制程依旧是提升处理器性能最直接的办法，因此先进制程更受业界关注。
英特尔 10 奈米制程一再延期时，台积电就已量产 7 奈米。当英特尔 10 奈米制程 2019 年量产不久，台积电就在 2020 上半年量产 5 奈米制程，曾经落后的台积电为何能取得今天的成就？
本周，台积电在上海举办一年一度 2019 中国技术论坛，技术论坛演讲时，台积电全球总裁魏哲家表示，目前市面 7 奈米产品全都出自台积电。他同时透露，台积电 5 奈米技术已有客户在此技术基础上设计产品，2020 年第一到第二季将量产。
从落后到反超的两个技术节点
首先需要确定，台积电能取得今天的成绩并非一朝一夕，且今天的优势并不代表未来的成功。这家目前全球最大的晶圆代工企业成立于 1987 年，台积电成立之时，半导体巨头都是 IDM 模式，也就是一家公司要完成从设计到制造再到封测的全部工作。那时，无晶圆芯片公司设计完芯片之后，想请有晶圆厂的巨头帮忙代工芯片并不容易。
台积电创始人张忠谋从美国回到台湾，抓住机会成立台积电，专门从事晶圆代工，也就是人们常说的芯片代工。台积电这种商业创新如今看来深刻影响了半导体产业的发展，但在台积电成立之初，半导体行业处于低迷期，芯片制造技术远远落后于英特尔等芯片巨头，因此只能靠少量订单艰难生存。
但伟大的企业家总能带领公司解决挑战，在张忠谋的领导下，凭借英特尔认证的背书，加上半导体市场转暖，台积电营收迎来快速增长。1995 年营收超过 10 亿美元，1997 年达成 13 亿美元营收，5.35 亿美元的巨额盈利让台积电当时就成了最赚钱的台湾企业。
不过，台积电逐步取得技术领先是在成立 20 年后。1999 年，台积电领先业界推出可量产的 0.18 微米铜制程制造服务。2001 年，台积电推出业界第一套参考设计流程，协助开发 0.25 微米及 0.18 微米的客户降低设计难度，以达成快速量产目标。
2005 年，台积电又领先业界成功试产 65 奈米芯片。此时，随着晶体管体积进一步缩小，难度增加让成本大涨，众多芯片巨头都停止投入先进晶圆厂，这给专门提供晶圆代工服务的台积电带来机会。
进一步扩大台积电实力的技术节点是 28 奈米。进入 28 奈米制程时，有个关键的技术选择──先闸极（Gate-first）与后闸极（Gate-last），格芯和三星都选择先闸极技术，台积电透过认真研究两种技术，坚定选择后闸极技术，结果台积电 2011 年一举成功量产，三星与格芯的生产良品率却始终无法提升。
为巩固优势，台积电针对智能手机芯片设计的主流制程一连推出 4 个版本，每年新推出的制程不但较前一代速度提高、芯片尺寸微缩 4%，还省电 30%。借此，台积电在 28 奈米节点就建立了很高的壁垒。
台积电成功的 3 个关键
魏哲家表示，台积电成功最主要靠 3 个支撑点：技术、生产和信任。
▲ 台积电全球总裁魏哲家。
技术路线
根据台积电的说法，台积电 7 奈米获得 60 个 NTO（New Tape Out，新产品流片），2019 年将突破 100 个。7 奈米之后，台积电推出了 7 奈米+ 制程，台积电首个使 EUV 光刻技术的节点，7 奈米+ 的密度是 7 奈米的 1.2 倍，良率方面和量产的 7 奈米相比不分伯仲。根据规划，台积电 7 奈米+ 将在 2019 下半年投入量产。
7 奈米+ 之后，台积电先推出的并非 6 奈米而是 5 奈米。魏哲家表示，5 奈米的生态系统设计已经完成，并已有客户开始在技术基础上设计产品。5 奈米已风险试产，预计将在 2020 年第一季到第二季量产。5 奈米之后，台积电也规划了 5 奈米+。
魏哲家解释称，6 奈米（N6）之所以选择在 7 奈米+ 和 5 奈米后推出，是希望借助 7 奈米+ 和 5 奈米的经验，让 6 奈米 比 7 奈米+ 有更优的密度，且与 7 奈米的 IP 相容，使用 7 奈米+ 制程的 IP 可以继续使用 6 奈米制程，减少制程复杂度的同时降低成本。
据了解，台积电的规划中 7 奈米将是过渡节点，而 6 奈米将是主要节点，预计会在相当长的时间内扮演重要角色。
产能投资
魏哲家介绍，2018 年台积电的产能是 1,200 万片的 12 吋晶圆，1,100 万片 8 吋晶圆，8 吋晶圆相较 2013 年增长 540 万片，平均每年增加 14.3%。产能持续增长源于不断投入，去年底开工的台积电南京厂（晶圆十六厂，Fab 16）主要是 16 奈米晶圆代工。另外，台积电在台南的 18 厂于去年 1 月动工，主攻 5 奈米制程。
据悉，台积电的资本支出每年近 100 亿美元，过去 5 年总计投入近 500 亿美元，今年这数值预计超过 100 亿美元。
不过魏哲家强调，真正重要的不是生产，而是品质。他说：“如果产品品质不够好，就不要让它出去。”因此台积电的目标是“0 excursion，0 defect”（零偏移，零缺陷），希望客户得知这个产品是台积电生产后，就会放心，不会再问第二个问题。
关于台积电成功的另外一个关键因素──信任，魏哲家并没有阐述更多。但信任也非常重要，特别是向新的进程迈进的时候，无论对台积电还是客户而言都将是巨额投入，并有巨大风险，台积电需要客户的信任，只有这样，台积电才能保证巨额的投入可以获得回报，当然，也只有信任，双方才能达成更多长期合作。毕竟台积电提供的是晶圆代工服务，如果无法获得足够晶圆代工订单，经营都将面临困境。
台积电如何保持领先？
从目前的情况看，台积电实现了先进半导体制程的领先，这背后是一个良性的循环。在晶圆代工中，先进的制程投入量产之初成本非常高，只有大量的生产才能快速降低成本，成本和技术的优势可以帮助代工厂获得更高的利润，最终，获得的营收又可以用于推进更先进制程的研究和量产。
以台积电为例，他们每年的资本支出就达到 100 亿甚至高于这一数值，如果无法从先进制程中获得足够的利润，很难支撑更先进制程的研发，毕竟随着半导体制程复杂度的增加，无论是研发还是生产成本都将大幅增长。并且先进制程带来高风险的同时，对营收的贡献也存在滞后性。透过台积电的营收我们可以看到，去年已经有多款 7 奈米处理器量产，但 7 奈米当时贡献的营收很少，到了 2019 Q1，台积电 7 奈米的营收已经高达 22%，也是营收贡献最多的节点。
显然，台积电进入了一个良性循环的过程，并且在晶圆代工市场，领先者将凭借技术和时间优势将获得最多的利润，即便市占排名第二，营收和市场龙头也有巨大的差距，在这种情况下想要实现超越非常困难。
不过，即便具备优势，台积电依旧保持着对市场和竞争者的敬畏之心。现在，台积电在努力将逻辑的优势向更多领域拓展。在进入 28 奈米之后，想透过晶体管的微缩保持芯片性能的提升已经面临巨大挑战，业界开始探索借助封装提升性能。台积电率先布局，并推出了 Bumping 服务，根据台积电的说法，现在超过 90% 的 7 奈米客户都选择台积电 Bumping 服务。
2011 年第三季的法说会上，张忠谋毫无预兆掷出重量级炸弹──台积电要进军封装领域。他们推出的第一个先进封装产品是 CoWoS（Chip on Wafer on Substrate），具体而言是将逻辑芯片和 DRAM 放在硅中介层（interposer）上，然后封装至基板。
如今，台积电的封装技术主要分为前端 3D（Frontend 3D）的 SoIC 和 WoW 两种集成技术，以及后端 3D（Backend 3D）的 Bump（凸块）/ WLCSP、CoWoS、InFO 三种技术，这些技术都有助于推动系统级创新，面向不同的市场。
据介绍，CoWoS 主要针对 AI、服务器和网络，InFO PoP 将主要应用于手机，InFO MS 主要应用于 AI 推理，InFO oS 主要应用于网络。未来，3D 封装将在高性能计算中发挥非常重要的作用，台积电拥有先进封装技术将非常重要。不过，台积电并不准备与封测厂争夺市场，台积电表示他们将聚焦于晶圆层面的封装。
5G 为推动未来半导体行业发展的主要技术，台积电也在进行探索 RF 以及模拟器件的可能性。在 Wi-Fi 和毫米波市场，台积电将制程往 16 奈米 FinFET 推进，另外，台积电还将推出 7 奈米 RF，相关 Spice 和 SDK 也会在 2020 下半年准备就绪。模拟器台积电也有广泛布局。
台积电在手机图像感测器、高灵敏度 MEMS、高阶 OLED、PMIC 方面也有相应技术。储存领域，台积电 40 奈米 RRAM 在 2018 上半年就风险试产，28 奈米、22 奈米的 RRAM 也会在 2019 下半年风险试产。台积电也拥有比 eFlash 快 3 倍写速度的 22 奈米 MRAM，这个制程也在 2018 下半年开始风险试产。
最后需要关注的是，半导体制程提升的两大关键是晶体管结构和材料，关于结构的进展，台积电没有透露新的消息，但材料方面提到了创新 Low-k 材料。
小结
台积电引领半导体行业晶圆代工模式，历经 30 多年，台积电成功从落后的追随者变成领先者，也是先进处理器背后的幕后支撑者。不过，在晶圆代工领域取得领先，并处于良性周期的台积电，依旧保持对市场和所有竞争对手的敬畏，不仅在提升半导体制程关键的晶体管结构和材料持续投入，努力保持逻辑优势，也正在将逻辑优势拓展至 5G、模拟等领域。还有，台积电生态超过 10,000 名的工程师也是很难超越的优势。
至于储存，台积电已有布局，但如何在这个领域取得优势，台积电的思考是关注新的储存技术而非已有的技术，这也许是台积电成功的重要因素之一。当然，新技术也是台积电最有可能进行收购的动力。
还有一点，对未来制程技术的提升，技术或许不是最难，最大的挑战或许来自成本考量。
（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：科技新报）
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