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台積電的晶圓廠 2.0：試圖包攬先進晶片生產的一切
1990 年代，矽谷誕生數十家只設計、不製造的晶片公司（Fabless）。AMD 創始人傑瑞·桑德斯（Jerry Sanders）在一場行業會議上說：“現在聽我說，真正的男人要有晶圓廠”。他認為，只做設計的晶片公司，只能在晶圓廠有空餘產能時才能下單，還得把設計圖紙無保留地交給競爭對手，容易讓公司陷入困境。
十多年後，晶片行業沿著桑德斯預想的糟糕情況發展。按照他的標準，當前最強的一批晶片公司——蘋果、輝達、博通、高通等，都不是 “真男人”。AMD 也變成一家純設計晶片的公司，經歷多年陣痛後，在女性 CEO 蘇姿丰帶領下走出困境。
晶圓廠依舊重要，只是沒幾家能建得起最先進的。台積電保持絕對優勢，生產全球 60% 的邏輯晶片、90% 的 5 納米以內先進晶片。先進晶片製造領域，台積電僅剩的兩個對手各有各的困境：
- 三星的 3 納米晶片製造工藝，良率問題至今未解決，客戶只有晶片設計簡單、訂單稀少的虛擬貨幣礦機晶片商。三星下一代旗艦手機 Galaxy S25，可能也會全部使用台積電代工的高通晶片。三星工人們的勞工意識在覺醒，工會組織大罷工。三星晶片業務負責人全永鉉在內部信裡警告，“如果不改革公司文化，三星將陷入惡性循環。”
- 英特爾先進製造工藝被台積電越甩越遠，甚至將部分先進晶片交給台積電代工。2021 年上任的 CEO 帕特·基辛格（Pat Gelsinger）制定了重振晶片製造計畫，被昂貴的研發和資本開支拖垮，市值只有台積電的 1/8。今年二季度巨虧 16 億美元後，英特爾宣佈收縮，裁員 1.5 萬人。基辛格計畫出售資產、暫停擴張，甚至最終可能像 AMD 一樣剝離晶片製造業務。
與此同時，台積電董事長魏哲家在二季度財報電話會上提出 “Foundry 2.0” 的概念，稱台積電的業務範圍覆蓋先進晶片的製造、封裝、測試等流程。晶片設計公司只要給台積電遞交設計檔案（GDS），幾個月後就能收到成品。它繼續擴張，想要借助先進製程的優勢，拿走晶片製造領域的更多利潤。
一場投入二十年的商業模式迭代
晶片行業誕生後的數十年裡，英特爾、德州儀器等公司，在內部建立了整套晶片設計和生產流程。當時晶片的性能和可靠性還滿足不了主流客戶的需求，晶片公司必須控制每個關鍵元件的設計和製造，才能有競爭優勢。
隨著製程技術的迭代進步，只有極少數公司負擔得起越來越昂貴的生產線開支。領先的晶片巨頭也需要減負，勞動密集、利潤率不高的封裝和測試業務率先被分包出去，誕生了專業的封測（OSAT）公司。如今全球近三成封測產能都集中在勞動力成本較低的東南亞地區。
張忠謀於 1987 年創辦的台積電進一步迎合了這個趨勢。他認為，隨著計算成本的降低，晶片需求會在各個領域迸發，催生出很多不具備生產能力的晶片設計公司。台積電先從英特爾等巨頭覺得利潤低的成熟晶片代工做起，逐漸積累製造經驗和規模優勢，推動了晶片產業的專業化分工：
設計公司通過 EDA 等軟體設計好電路圖，交給製作掩膜的公司，形成晶片範本，晶片製造商拿到掩膜，在矽片上加工，經歷清洗、光刻、蝕刻、摻雜、沉積、拋光等數百道工藝，經測試無誤，切割成一個個的裸片（Die），然後交給專門的封測公司，封裝進保護外殼，連接外部電路，經過最終測試後，將晶片成品交付給設計公司，再裝進電子裝置中。
相比台積電只負責晶片製造的 “Foundry 1.0” 時代，魏哲家口中的 “Foundry 2.0” 現階段多了掩膜版和先進封裝，二者都是技術難度高且利潤豐厚的環節。魏哲家說，2023 年全球晶片代工行業規模為 1150 億美元，但是在 Foundry 2.0 的新定義下，行業規模將倍增至 2500 億美元。台積電在全球晶圓代工市場的市佔率也因此從 61% 降到了 28%。
一定程度上，Foundry 2.0 隻是一個看似讓台積電增長潛力更大、壟斷風險更低的數位遊戲。台積電在晶片代工領域站穩後，就開始把業務逐漸延伸到掩膜和先進封裝環節。
1998 年，台積電開始為客戶提供掩膜版。掩膜製作會涉及晶片加工的技術機密，越是先進工藝，晶圓廠越傾向於自主生產。而且，掩膜版製作是晶片設計公司流片（小批次生產，驗證晶片設計方案）時的主要成本。台積電提供掩膜版 “拼單” 服務，能讓多個晶片設計客戶復用部件，分擔掩膜成本。
掩膜版的功能類似於傳統相機的 “底片”，是光刻工藝中連接設計與製造加工的關鍵材料。晶片製造商需要借助光刻機和光刻膠，通過掩膜將晶片設計電路圖形以曝光方式 “複印” 到基板或晶圓上。
據國際半導體產業協會 SEMI，全球晶片掩膜市場規模接近百億美元，其中 2/3 來自晶圓廠自有產線。台積電只生產相對先進的掩膜版、而且只供自己的客戶使用，就已經是全球最大的掩膜製造商。
台積電的先進封裝業務始於 2009 年，退休高管蔣尚義重回公司，提出要做區別於傳統封裝的先進封裝。他認為，晶片製程沿著摩爾定律飛速進步，但晶片之間封裝的金屬間距卻在 110 微米上停滯了 20 年，成為阻礙技術進步和成本降低的瓶頸，比如過寬的金屬間距導致 GPU 和 DRAM 離得太遠，會影響傳輸速度。
得到 400 名工程師和價值 1 億美元的裝置支援後，蔣尚義帶領團隊開發出第一代先進封裝技術 CoWoS。CoWoS 由 CoW 和 oS 兩部分組成，CoW 代表 Chip on Wafer，指的就是前述晶片封裝在硅晶圓上的過程，oS 代表 on Substrate，再將封好的晶圓連接在基板上。oS 更接近傳統封裝，技術含量和利潤率不高，台積電至今仍將這部分流程外包給封測廠。
剛開始，成本高昂的 CoWoS 並沒有獲得市場認可。台積電犧牲部分性能、大幅低成本，開發出第二個先進封裝技術 InFO，借此獲得不弱於三星的晶片封裝方案，吸引蘋果下單。
性能更佳、但成本昂貴的 CoWoS 最終也在坐了十多年冷板凳之後，等來人工智慧晶片的需求爆發。即使今、明兩年連續翻倍擴產，台積電的 CoWoS 產能仍舊供不應求，預計到 2026 年才能供需平衡。
在先進的 AI 晶片中，先進封裝的價值更高。據晶片行業分析師 Robert Castellano，一張輝達 H100 生產成本約 3000 美元，其中台積電先進製程代工費用為 155 美元，而先進封裝 CoWoS 費用為 723 美元。
魏哲家說，目前台積電先進封裝的毛利率已接近公司整體毛利率（53%）。這個水平差不多是目前頭部封測廠商的三倍。
投資先進工藝 “性價比” 變低，台積電加速進入晶圓代工 2.0
台積電的成功，首先在於它敢燒錢。台積電每年賺的錢，都會在買裝置、建廠等資本開支上花個乾淨。在關鍵節點，不惜舉債投資。
2010 年前後，蘋果為自研晶片尋找代工方，英特爾因為報價太低拒絕。但張忠謀認為，蘋果的大批次訂單，將給台積電帶來規模優勢，於是找銀行借了 70 億美元為蘋果建設產線，這筆錢差不多是當時台積電兩年的利潤。回報則是台積電擁有了全世界最有能力和意願為先進晶片製造工藝買單的大客戶，推動它建立商業循環——投入資金研發先進工藝，獲得更多收入，能繼續投入研發，並借此建立技術優勢。
過去三年，台積電每年的資本開支都超過 300 億美元，超過全球前五大晶片設計公司（輝達、高通、博通、AMD 和聯發科）的淨利潤之和。沒有一家晶片設計公司願意投入這麼多錢建產線，但它們在激烈的競爭中持續開發先進晶片，最終都成了台積電的客戶，讓台積電的商業循環更穩固。
英特爾、三星原本希望借助公司內部的業務訂單建立這樣的商業循環。但隨著摩爾定律走向衰竭，晶片性能提升越來越難，投資研發先進晶片製造工藝更昂貴。建設一座 28 納米晶圓廠，需要投資 60 億美元，5 納米需要 160 億美元，而到了 3 納米則需要近 200 億美元。
但更昂貴的製造工藝給產品帶來的收益越來越不明顯，以至於去年只有蘋果選擇在 iPhone 上使用 3 納米製程的晶片，第一次把高通等競爭對手甩開。客戶採購晶片的花費，就是晶圓廠的研發投入。三星、英特爾逐漸在這場競爭中敗下陣來。
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反而是不斷衰退的摩爾定律，成為打斷台積電循環的潛在因素。晶片製程在納米級走到極限，每兩年把晶片上的電晶體尺寸縮小一半，壓榨出更多性能，變得更加困難。一旦技術進步放緩，台積電靠高額投入建立的技術優勢就會削弱。
台積電需要新的方法來延長技術進步與投資循環的跑道，新的突破口就是先進封裝工藝。從製造工序看，先進封裝更加接近傳統的晶片製造而不是封測，台積電對此投入多年、經驗豐富，在量產速度和良率上明顯領先於其他晶片製造或封測廠商。
台積電正在先進封裝領域複製此前的燒錢循環。今年 7 月的財報電話會上，台積電 CFO 黃仁昭稱，今年的資本開支下限從 280 億美元上調至 300 億美元，其中 70% 至 80% 投向先進製造工藝，10% 投給先進的封裝測試以及光掩膜技術，預計台積電 CoWoS 先進封裝產能，今明兩年都會翻倍增長。
目前，台積電正在研發下一代封裝技術 SoIC，蘋果已經預訂了明年的第一批產能。
台積電越關鍵，世界預防它出錯的代價也越大
單點故障（SPOF，Single Point of Failure）指的是那些只要一個部件失效，就會讓整個系統崩潰的關鍵零部件。
在晶片行業，接到最多訂單的製造商會擁有最多利潤，能夠投入最多的錢，得到最先進工藝和最多的產能，然後以最好的技術和最低的成本吸引更多訂單，獲取更多利潤。
晶片這樣快速變化且需要超高投資的超長賽道，已經孵化了多個 SPOF 公司——台積電、ASML、輝達，它們彼此依賴，建立了一條幾乎沒有彈性的供應鏈。
但在全球化不是必然選擇的今天，晶片成為國家間的競爭武器，大國政府也在試圖糾正行業中的 “單點故障”。地域屬性最強的台積電首當其衝。
2017 年，美國政府委託一群晶片公司高管和專家學者研究晶片行業的未來，他們在一份遞交給總統的報告裡敦促政府加倍對國內晶片行業的扶持。過去幾十年，除了晶片設計和裝置環節仍舊領先，美國本土的晶片製造份額所剩無幾，而且沒有一家光刻機製造商，愈發依賴於幾個脆弱的瓶頸。
五年後，美國政府正式推出《晶片與科學法案》，為美國本土建設晶圓廠準備了 390 億美元補貼，其中 66 億美元給了台積電，要求它把相對先進的晶片產線建到美國。美國晶片製造商得到的補貼更多，英特爾拿了 85 億美元，美光 61.4 億美元，從 AMD 分離出來的格芯也有 15 億美元補貼。
可是今天僅靠政府投入，已經很難和整個市場和全球消費者哺育出的晶片巨頭競爭。美國政府早期買走了矽谷晶片公司生產的所有晶片，而今天它的買量只佔整個美國晶片市場的 2%，能給的錢也遠比不上客戶給台積電的。作為買家的蘋果 CEO 蒂姆·庫克（Tim Cook），對晶片行業的影響力可能比五角大樓的官員更大。
台積電美國工廠初期的建設成本是台灣的至少四倍，兩地截然不同的工作文化讓它很難在當地招到合適人才、維持高效運轉。在政府補貼撬動下，雄心勃勃到生產晶片並不經濟的歐美大舉投資的英特爾，陷入成立 56 年以來最嚴重的財務危機。
如果有選擇，台積電的客戶們也不願意完全依賴單一供應商。蘋果一直以來習慣於培養第二、第三供應商，借此壓低成本、管控風險。唯獨在晶片製造上，蘋果自 2016 年起就只有台積電一家供應商。
但建立台積電這樣的公司需要巨大投入，而想要糾正或替代它的代價更甚。 (晚點LatePost)