透視台積電:芯片代工的超級工程如何拔地而起
2年前

今年是台積電成立35周年,由於疫情,官方並沒有舉辦盛大的慶祝活動。創始人張忠謀言簡意賅地概括了公司的成就:如果成立時就买入台積電股票,如今能賺1000倍。

35年1000倍背後,見證了世界上規模最大的半導體制造廠的崛起。

《時代雜志》曾這樣描繪台積電精准而有序的運轉:每一天,在位於新竹縣的白色四方的白色總部內,穿着鮮豔防護服的技術人員——員工藍白色,承包商綠色,孕婦則是粉色——都會在淡黃色的防護燈下推着拋光的金屬手推車。

他們頭頂上,負責搬運的天車系統(OHT)在數百個機台之間將裝有25個獨立硅片(晶圓)的9公斤前开式晶圓傳送盒(FOUP)拖到軌道上,在那裏將它們一個一個地提取出來處理,很像自動點唱機選擇記錄。經過六到八周的蝕刻和測試後,每個晶圓才能被分割成單獨的芯片,然後分發到地球上各個地方[8]。

全球前五大晶圓代工廠中,台積電營收遙遙領先。2021年的營收比身後四位(三星、聯電、格芯、中芯)加起來還多。這一年,台積電提供了291種不同的制程技術,爲535個客戶生產12302種不同產品,佔全球半導體產值的26%。

放眼全球,或許沒有任何一家公司能深刻影響整個產業鏈的波動,以及一個地區的發展。

2021年,台積電員工生的寶寶佔中國台灣新生兒1.7%——每100名新生兒中,約有2位“台積電制造”。

台積電對台灣地區GDP影響超13%

台積電超強的地位,也成功帶動台灣省經濟的發展。並且這種影響還在擴大,據台積電最新披露的數據,其營收22年上半年同比增長43.5%。

一個名副其實的耗電大戶

芯片代工是絕對的耗電大戶。

EUV光刻機重量達180噸,需要0.125萬千瓦的電力,來維持250瓦的功率。台積電僅EUV光刻機便有30台,如此算來,一天耗電就是90萬度。爲了防止溫度過高,還需要設置龐大的水冷系統。

同時,芯片制造對於電力的穩定性要求極高,一顆芯片的生產有幾百道工序,一旦出現電壓不穩定或斷電,可能就是數千萬美元的損失。

總用水量可以裝滿92.4個水立方

芯片制造同時也是用水大戶,2020年,單是台積電一個公司的日均耗水量,就相當於天津市居民每天九分之一的耗水量。

另外,芯片制造需要使用幹淨程度爲自來水1000倍的超純水。晶圓廠需要用上1400至1600加侖自來水,才可能轉化爲1000加侖的超純水[9]。

分开來看,用水量排名前三的工廠分別位於新竹科學園區,南部科學園區以及中部科學園區。

2021年,台灣島遭遇了半個世紀以來最嚴重的幹旱。爲了確保半導體產業能正常用水,台灣地區採取了多種措施,比如停止了對7.4萬多公頃農田的灌溉,又比如每周抽兩天,暫停對三個市縣居民和企業供水。

爲了解決用水,台積電與高雄市政府合作建廠,預計2026年每天可供應3萬噸再生水,供台積電使用。

水處理和回收是台積電節水的重要一環,當前台積電所使用的水源中,85%-90%都是再生水。台積電的工業廢水回收率達86%,每滴水的使用率則超過350%。

也就是說,平均每滴水,都被台積電使用了3.5次[9]。

台積電人均薪酬跑贏了90%的台灣人,而且贏了兩次

在全球缺芯的背景下,半導體廠家業績大漲,員工薪資福利也水漲船高。2021年,台灣地區上市半導體公司平均的員工年薪約爲46.02萬元,相比前一年增長了22.8%。

排名前十的半導體廠商當中,九家都是半導體設計廠商,前三分別是瑞鼎、聯詠以及聯發科。它們員工的年薪都在百萬元以上[7]。晶圓代工廠台積電在其中只排在第19位,台積電員工的人均工資只是榜首公司的一半。

即便比上不足,比下卻綽綽有余。

台積電每兩個員工就有一個研究生

芯片制造要用電、用水,也要用人才。

三星從台積電挖角梁孟松,全程專機接送,效果立竿見影:梁孟松在三星牽頭FinFET工藝的研發,順利攻克14nm量產。而當梁孟松轉投中芯國際後,三個季度就實現了14nm技術突破,核心就在於制造工藝的切換。

台積電創始人張忠謀曾是德州儀器的“三號首長”,他的同事是制造全世界第一塊芯片的電氣工程師傑克基爾比。

爲了留住人才,台積電每年4月都會進行年度例行性調薪,由於通脹和芯片短缺,台積電今年平均調薪幅度將達8%,吊打通脹不說,與往年平均調漲3-5%幅度相比還高出一截[10]。

碩士畢業能入職台積電,那還讀什么博士

雖然台大化學系研究生在擴招,但卻沒人愿讀博士了。

在台大化學系,碩士生一畢業,就有將近9成進入台積電成爲制程工程師,年薪百萬新台幣,誰還三年又三年?

台大的博士學生數量在2012到2020年之間,減少了15%,但碩士生的數量卻一直在增加。同一時期,化學系博士生每年新生注冊數從32人減少至15人,少的這一半都得怪台積電——它給的實在太多了。

股價一跌,高管一年白幹

魏哲家1988年加入台積電,在加入台積電以前,是新加坡特許半導體的副總,技術實力一流。在台積電的23年裏,掌管過8寸晶圓廠,技術部,業務部,如今官至總裁。

2021年,魏哲家的薪酬是台積電薪酬中位數的194倍。

台積電爲了使高管與公司利益更加一致,強制規定高管強制持股,並且持股價值爲其薪資的倍數。一旦公司市值下滑,高管很可能一年白幹。

高管人人是股東的辦法,果然是高。

研發支出超中芯國際7.3倍

在台灣地區全體制造業公司的研發开支中,台積電一家的开支就佔據約20%,即便放在A股,台積電的研發支出也高的可怕。

與半導體設計企業主要人員爲研發人員的情況相比,台積電這樣的半導體制造企業,很多員工是產线上的基層員工,但這並不意味着技術含金量的缺失。

比如台積電目前正在研發的3nm,精細程度堪比在頭發絲的寬度上雕刻出清明上河圖。

3nm工藝晶體管密度達到了破天荒的2.5億/mm,是7nm的3.6倍。這個密度形象化比喻一下,就是將奔騰4處理器縮小到針頭大小。3nm工藝代工的芯片,晶體管的理論密度較5nm工藝將提升70%,運行速度將提升15%,能效將提升30%。

目前,台積電全球專利總數超50000件,是我國科研院所專利持有量排名前7名的總和。

生產晶圓面積能鋪滿140.5個足球場

晶圓是最常用的半導體材料,晶圓越大,同一圓片上可生產的集成電路就越多,從而也降低了成本。

對於14nm以下的制程,目前最佳的尺寸就是12寸。所以12寸晶圓對高端芯片的意義重大,掌握12寸晶圓制造加工技術的企業理所當然地就成爲了高端芯片的最大受益者。

账面現金能买300架空客,資本开支是中芯國際的七倍

台積電的龐大同樣體現在其資產上。

由於制造工藝持續迭代,台積電也需要持續購买新的設備,建設新的產线。芯片代工就是一個“花得多賺得多”的金錢遊戲。

中立的超級工程

台積電的崛起有四重因素作用:美國加州伯克利的人才、德州儀器的管理、IBM的技術授權、以及美國芯片公司的訂單。

而它的高速發展則取決於張忠謀強調的“中立的服務理念,贏得夥伴信任”,台積電既不做芯片設計,也不涉足終端產品,而是將龐大的資本开支義無反顧地投向制造工藝的進步。

然而,當半導體供應鏈开始和國際形勢掛鉤,大洋兩岸犬牙交錯的勢力开始碰撞時,台積電還可以若無其事的左右逢源嗎?

[1] 台積電2021年年報

[2] 台積電2021年永續報告書

[3] 2021年科研院所專利榜單,高沃知識產權

[4] 台大化學教授高喊廢除碩士班,天下雜志

[5] 你所不知道的劉德音、魏哲家,遠見

[6] 2021年年報A股上市公司固定資產合計TOP50排行榜,報告大廳

[7] 台灣地區76家半導體上市公司平均薪資曝光,芯智訊

[8] Inside the Taiwan Firm That Makes the World’s Tech Run,Time

[9] 台灣地區旱情嚴重,傳台積電耗巨資預訂上百輛水車拉水,觀察者網

[10] 台積電爲留才放大招,芯智訊


編輯:周哲浩

視覺設計:遠川設計部

責任編輯:周哲浩

研究支持:張澤一、劉芮

#台積電Q1淨利同比增19.4%#
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