臺積電拓荒

即便許多年過去，張忠謀仍將在博士入學(xué)資格考試時(shí)的失利，當(dāng)作人生最大的幸運(yùn)。

他不是失敗了一次，而是失敗了兩次。

1954年2月，張忠謀第一次在麻省理工學(xué)院機(jī)械系博士入學(xué)資格考試中失利，教授多給了他一次機(jī)會，允許他第二年再嘗試一次。整整一年，他都在用功復(fù)習(xí)，成績揭曉后，張忠謀站在榜前，沒有找到自己的名字。

按照麻省理工學(xué)院的規(guī)定，兩次通不過，即永遠(yuǎn)失去申請資格。

此時(shí)，張忠謀已經(jīng)成家，父母在美國經(jīng)營著一家小店維持生計(jì)，他又是獨(dú)子。十幾年的寒窗苦讀卻被突然叫停，張忠謀深受打擊。

張忠謀不敢相信，自己竟然會在學(xué)業(yè)上受挫，他成績一直優(yōu)異。

抗戰(zhàn)期間，他進(jìn)入重慶南開中學(xué)，每天吃榨菜和粗糙發(fā)黃的米飯，學(xué)習(xí)桐城派古文；勝利后，他到上海讀商學(xué)院，后再次到中國香港，申請到哈佛大學(xué)就讀，之后因?yàn)橐x理工科，又轉(zhuǎn)學(xué)到了隔壁的麻省理工學(xué)院。

在麻省理工學(xué)院，張忠謀投入了5年的青春年華。如今，一切都結(jié)束了，查爾斯河邊的機(jī)械博士夢碎了。

其實(shí)，這次失利不只是他個(gè)人最大的幸運(yùn)，也是中國臺灣科技產(chǎn)業(yè)的幸運(yùn)，甚至是蘋果、超威半導(dǎo)體（AMD）、高通和聯(lián)發(fā)科等世界一流科技公司的幸運(yùn)。

陰差陽錯(cuò)，張忠謀進(jìn)入了陌生的半導(dǎo)體行業(yè)。

新竹領(lǐng)命

1955年，即張忠謀博士資格考試失利的那一年，他四處找工作，拿到了福特（Ford）汽車、希凡尼亞（Sylvania）半導(dǎo)體等4家公司的聘書。

他本已拿定主意去福特公司，那里的崗位不僅跟他的機(jī)械專業(yè)對口，且工作穩(wěn)定，這對剛剛結(jié)婚、需要贍養(yǎng)父母的獨(dú)子張忠謀來說，很有吸引力。

福特公司給出的月薪是479美元，比希凡尼亞半導(dǎo)體低了1美元。

張忠謀撥通了福特公司人事經(jīng)理的電話，希望福特提高一下起薪。

“我們不講價(jià)，如果接受就來，不接受就請便?！泵嬖嚂r(shí)還談笑風(fēng)生的人事主管正色說道。

年輕氣盛的張忠謀感到被羞辱。他開始反向思考，是去干一份四平八穩(wěn)的工作，還是去半導(dǎo)體領(lǐng)域冒險(xiǎn)？

他最后的決定是：去希凡尼亞半導(dǎo)體公司！就這樣，區(qū)區(qū)1美元之差改變了一切，隨后的人生軌跡也完全轉(zhuǎn)向。

在希凡尼亞半導(dǎo)體公司，張忠謀先工作了3年，后又在德州儀器公司 （Texes Instruments）做了25年，位至副總裁。

其后，他結(jié)束了在美國36年的生活，來到中國臺北郊外的一片“處女地”——新竹工業(yè)園。

1985年，張忠謀接任中國臺灣工業(yè)技術(shù)研究院院長。上任第一天，前一任院長方賢齊拿著一張清單來找他，上面列出了該院的優(yōu)先待辦事項(xiàng)。

來新竹之前，時(shí)為中國臺灣經(jīng)濟(jì)事務(wù)負(fù)責(zé)人的李國鼎，數(shù)次邀請他，張忠謀一直沒有下定決心，直到李國鼎提出，張忠謀可用他在德州儀器公司的經(jīng)驗(yàn)，來幫助臺灣地區(qū)將科研成果轉(zhuǎn)化為工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長。

“這是一個(gè)無法拒絕的邀請，就像電影《教父》里的情景?！睆堉抑\動(dòng)心了。

方賢齊的清單里，有一項(xiàng)建立一家晶圓制造廠的規(guī)劃。他叮囑張忠謀，李國鼎對此事非常重視，可能過幾天就要來當(dāng)面商談。

李國鼎被譽(yù)為“中國臺灣科技教父”，制定了臺灣地區(qū)的科技發(fā)展策略，還擔(dān)任著應(yīng)用技術(shù)發(fā)展小組召集人一職。

果然，張忠謀很快就接到了李國鼎的電話，李國鼎邀請他參加會議討論。

“我們計(jì)劃大力推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。你有豐富的半導(dǎo)體業(yè)務(wù)管理經(jīng)驗(yàn)，我們希望你創(chuàng)辦一家新的半導(dǎo)體晶圓制造廠?！崩顕οＭ麖堉抑\回去后想一想，拿出一份可行的計(jì)劃書，期限是一個(gè)星期。

回到工業(yè)技術(shù)研究院的辦公室，張忠謀開始思考。

在半導(dǎo)體行業(yè)，當(dāng)時(shí)，臺灣地區(qū)能夠拿得出手的，幾乎沒有什么——既沒有優(yōu)秀的芯片設(shè)計(jì)公司，也沒有廣闊的市場。

在德州儀器公司工作多年的張忠謀清楚，半導(dǎo)體是全球性產(chǎn)業(yè)，只有做到世界一流，才可能有立足之地。

當(dāng)時(shí)美國實(shí)力雄厚，歐洲緊隨其后，日本異軍突起，而中國臺灣基礎(chǔ)薄弱，沒有任何積累，一家新成立的半導(dǎo)體公司，要想開拓出一片天地，何其困難！

唯一可能的一條路就是，揚(yáng)長避短。

臺灣地區(qū)有什么長處呢？只有一些中低端的制造業(yè)，當(dāng)時(shí)最大的制造企業(yè)是臺塑。

那么，制造業(yè)會是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來嗎？

20世紀(jì)六七十年代，臺灣地區(qū)的工廠替代日本，開始為歐美企業(yè)加工成衣和玩具，從中收取微薄的加工費(fèi)。

在人們心目中，制造業(yè)一直是一個(gè)低端行業(yè)。人們用“微笑曲線”描繪制造業(yè)的地位——高附加值部分集中在“嘴角”，分別是研發(fā)和市場；低附加值部分則在向下彎曲的部分，那里是制造業(yè)。

制造立業(yè)

現(xiàn)在，張忠謀來到中國臺灣新竹，他又要面臨一個(gè)選擇：

是像德州儀器公司那樣開辦一家傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司，還是去做別人不敢做的事？

張忠謀選擇后者，他將目光聚焦到芯片制造領(lǐng)域。這一選擇可以避開設(shè)計(jì)和IP等短板，而且能發(fā)揮自己在制造方面的長項(xiàng)。

1958年，他加入德州儀器公司時(shí)，就是從制造入手做出成績的。

那時(shí)，公司接到IBM公司的一筆晶體管訂單，制造出來的成品良率幾乎為0，張忠謀負(fù)責(zé)的NPN型晶體管制造難度更高。

張忠謀每天一直干到午夜第三班才下班，第二天早上8點(diǎn)又回到公司，最后將NPN型晶體管成品良率一舉提高到20%，甚至超過更容易制造的PNP型晶體管成品良率。

如果他創(chuàng)立的公司，也就是臺積電以芯片制造為主業(yè)，那么客戶是誰呢？

20世紀(jì)80年代，幾乎所有的半導(dǎo)體公司都遵循著所謂的“垂直模式”，即集成器件制造模式（簡稱IDM）。

換句話說，它們自己設(shè)計(jì)、制造，搞定全流程，不需要?jiǎng)e人插手。

那個(gè)時(shí)候，業(yè)界都深信超威半導(dǎo)體公司的老板桑德斯說過的一句名言：“好漢都有晶圓廠（Real Man Has Fabs）！”

1985年，純做設(shè)計(jì)的芯片與技術(shù)公司（Chips and Technologies）去找投資，屢屢碰壁，因?yàn)轱L(fēng)投公司感到困惑：一家半導(dǎo)體公司竟然沒有自己的晶圓廠！

“半導(dǎo)體公司一定要有自己的晶圓廠嗎？”張忠謀問自己。

他此時(shí)已年過半百，年輕時(shí)的意氣用事都已從他身上消退，但他的字典里絕沒有“不可能”這個(gè)詞。

當(dāng)初，他從機(jī)械專業(yè)轉(zhuǎn)而進(jìn)入半導(dǎo)體行業(yè)，從頭自學(xué)威廉·肖克利（晶體管發(fā)明者之一）的經(jīng)典著作《半導(dǎo)體中的電子與空穴》，成功地進(jìn)入了這個(gè)新領(lǐng)域。

張忠謀想起，在德州儀器期間讀過卡弗·米德（美國加州理工學(xué)院教授）于1979年寫的一本書，米德在書中斷言，芯片設(shè)計(jì)應(yīng)該跟制造分離。

就是說，當(dāng)設(shè)計(jì)獨(dú)立出來時(shí)，應(yīng)當(dāng)有與之配套的制造企業(yè)。于是，一個(gè)念頭從張忠謀的腦中閃出：這會不會成為一種可能的半導(dǎo)體生態(tài)呢？

現(xiàn)在，張忠謀要?jiǎng)?chuàng)辦一家純代工的晶圓廠，這樣的工廠在世界上沒有先例，這一次，他不準(zhǔn)備用別人的看法來決定自己的行動(dòng)。

洛克定律

代工會是未來的趨勢嗎？

張忠謀不能完全確定，但有一個(gè)重要因素在背后發(fā)揮作用，那就是“摩爾第二定律”或“洛克定律”。

1968年，諾伊斯和摩爾創(chuàng)辦英特爾公司時(shí)，他們找到了資助過他們創(chuàng)辦仙童半導(dǎo)體的風(fēng)險(xiǎn)投資人洛克，他們只需籌集數(shù)百萬美元，就能擁有自己的芯片生產(chǎn)線。

十幾年后，這筆費(fèi)用上升到一億美元。

為什么會有這么大的差別呢？

“洛克定律”指出：半導(dǎo)體晶圓廠的成本，每四年就翻一番，增長速度比摩爾定律預(yù)計(jì)的翻倍速度慢得多，它也符合指數(shù)定律，隨著時(shí)間增長，它的威力就會逐步地顯現(xiàn)出來。

當(dāng)開辦一家傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司費(fèi)用變得很高時(shí)，芯片設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，就會受到影響。

張忠謀想到，他在德州儀器公司時(shí)，曾見過許多有創(chuàng)業(yè)想法的芯片設(shè)計(jì)者，都苦于籌集不到足夠多的資金開辦晶圓廠。

既然個(gè)別設(shè)計(jì)公司已邁出與制造分離的第一步，為什么不成立一家公司，為設(shè)計(jì)公司提供制造服務(wù)呢？

早在20世紀(jì)60年代，仙童半導(dǎo)體就開創(chuàng)將芯片測試和封裝外包的模式，在人力和土地便宜的中國香港、日本等地，他們設(shè)立封裝測試廠，將加工好的芯片運(yùn)過去。

70年代，張忠謀曾陪同德州儀器總裁來中國臺灣考察，并在那里設(shè)立加工廠。他們看中的，就是臺灣地區(qū)土地便宜、人力成本低廉。

張忠謀想清楚計(jì)劃的前前后后，數(shù)天后，他向李國鼎提議：設(shè)立一家純代工的晶圓制造廠——不是為自己制造芯片，而是為別的半導(dǎo)體公司，即那些只做芯片設(shè)計(jì)的公司。

計(jì)劃很快就得到批準(zhǔn)，但行政部門只能出一半的資金（1.1億美元），剩下的一半，需要張忠謀自己去籌集。

最后，張忠謀找到唯一一家愿意投錢的大公司——荷蘭的飛利浦公司。

飛利浦公司買下臺積電公司28%的股份，剩下的22%，則由李國鼎等人動(dòng)員一眾私人中小企業(yè)湊齊。

飛利浦公司在半導(dǎo)體行業(yè)里算不上頂尖。在一年前，飛利浦剛剛創(chuàng)辦了一家制造光刻機(jī)的小型合資公司阿斯麥爾。

經(jīng)過兩年籌備，56歲的張忠謀，于1987年創(chuàng)建了世界上第一家純晶圓代工廠——臺積電公司。

訂單紛至

臺積電剛成立，其代工模式存在著一個(gè)致命缺陷：缺少穩(wěn)定的市場。

如果臺積電去找設(shè)計(jì)公司接訂單，當(dāng)時(shí)，全球設(shè)計(jì)公司的數(shù)量只有兩位數(shù)，大部分都是初創(chuàng)企業(yè)，其訂單總額都無法與臺積電公司自身的運(yùn)營成本相抵。

于是，張忠謀去找歐美半導(dǎo)體行業(yè)的大公司，請求它們在旺季時(shí)，把一部分訂單交給自己來做。

生產(chǎn)淡季時(shí)，這些公司只會將訂單留給自己的加工廠，臺積電公司只能當(dāng)一枚“備選棋子”。

那么，臺積電選擇制造業(yè)作為芯片產(chǎn)業(yè)的突破口，是否選錯(cuò)了方向？

張忠謀還是將希望寄托在無廠設(shè)計(jì)公司身上，例如賽靈思公司、阿爾特拉公司和芯片技術(shù)公司，它們只負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，不生產(chǎn)芯片。

一開始，初創(chuàng)的無廠設(shè)計(jì)公司，會去尋找那些有多余產(chǎn)能的半導(dǎo)體公司，利用淡季訂單少的空檔，來為自己加工芯片。

晶圓廠也樂意這么做，以避免機(jī)器設(shè)備空閑，白白折舊。賽靈思就找到日本精工來制造自己設(shè)計(jì)的FPGA。

當(dāng)越來越多的無廠設(shè)計(jì)公司涌現(xiàn)出來時(shí)，它們的擔(dān)憂日益加?。喝绻A廠在旺季無法給自己加工芯片，它們該怎么辦？

顯然，市場需要一種更加穩(wěn)定的制造供應(yīng)模式。

這時(shí)，臺積電純代工廠的優(yōu)勢就顯示出來了。代工廠不為自己生產(chǎn)，不存在所謂生產(chǎn)淡季、旺季，比傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶圓廠更愿意放下身段。

代工廠也尊重客戶的IP，認(rèn)同一切設(shè)計(jì)都是客戶的。實(shí)踐證明，正是這種穩(wěn)定性和尊重“黏”住了許多客戶。

代工廠自己不設(shè)計(jì)產(chǎn)品，與客戶之間不存在競爭關(guān)系。而且，代工廠能幫助設(shè)計(jì)公司走向成功，其自身也能隨著設(shè)計(jì)公司的發(fā)展而一起壯大起來。

這正是“水利萬物而不爭”，張忠謀認(rèn)為，這種商業(yè)模式行得通。

臺積電的理念說得過去，技術(shù)起點(diǎn)卻不高。

早在20世紀(jì)70年代，中國臺灣工業(yè)技術(shù)研究院就引進(jìn)美國無線電公司的7微米生產(chǎn)線，那只是一條試驗(yàn)線，沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品量產(chǎn)，比當(dāng)時(shí)主流技術(shù)落后一代。

到1985年，主流技術(shù)又前進(jìn)一代半，而中國臺灣工業(yè)技術(shù)研究院仍守著以前的技術(shù)，臺積電成立時(shí)，已經(jīng)比當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)落后兩代。

如此落后，臺積電如何追趕？

就在公司成立的1987年，EDA巨頭新思科技公司搬到加州，主打邏輯綜合工具，次年，楷登電子公司成立，提供布局布線工具。

兩家EDA公司，能提供從前端到后端完整的設(shè)計(jì)工具。有了EDA工具，無廠設(shè)計(jì)公司和系統(tǒng)公司就能自行完成設(shè)計(jì)，將版圖發(fā)給臺積電，然后等著收貨就好了。

一個(gè)簡潔的產(chǎn)業(yè)鏈條就這樣誕生了。它繞過專業(yè)芯片設(shè)計(jì)公司，也繞過傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造公司?？蛻艉托酒善分g，只剩下最短的一跳。

1988年，英特爾CEO格魯夫一行訪問臺積電，并答應(yīng)把一些訂單交給臺積電來做。臺積電拿到英特爾的訂單后，有越來越多的公司找上門來。

四年后，臺積電的技術(shù)與世界領(lǐng)先水平的技術(shù)差距，縮小到一代。

十年后，臺積電趕上除英特爾公司之外的其他晶圓廠。看似低端的代工想法，讓臺積電逐漸成為全球最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造企業(yè)。

代工崛起

1993年，英偉達(dá)成立時(shí)，開辦一家?guī)ЬA廠的半導(dǎo)體公司，需要籌集上億美元，而英偉達(dá)募集到的資金遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

“我第一次聽說臺積電公司和張忠謀時(shí)非常激動(dòng)?！眲?chuàng)始人黃仁勛回憶道。

“我立刻寫了一封信給張忠謀，這是我當(dāng)時(shí)唯一能聯(lián)系到他的方式。一天，他給我打了電話。制造芯片和實(shí)現(xiàn)夢想的障礙就這樣消失了。臺積電公司發(fā)明的模式很純粹，只有我們成功了，他們才會成功……”

成立于1995年的Marvell，同樣因臺積電的代工模式而受益。

“張忠謀的代工模式釋放了無數(shù)工程師的創(chuàng)造力，讓無數(shù)人夢想成真?！盡arvell公司副總裁陳若文說。

“張忠謀完全改變了半導(dǎo)體行業(yè)的生態(tài)結(jié)構(gòu)，他使得人們只需幾百萬美元，就能成立創(chuàng)業(yè)公司，而不是幾千萬美元?！彼固垢４髮W(xué)工程學(xué)院院長詹姆斯·普拉默評價(jià)說。

開辦晶圓廠的成本繼續(xù)飆升。

2002年，英特爾公司CEO保羅·歐德寧估計(jì)，建設(shè)一個(gè)晶圓廠要花費(fèi)20億美元。到2006年，三星公司的晶圓廠成本為40億美元，2014年，三星建設(shè)存儲器晶圓廠的費(fèi)用，達(dá)到了140億美元。

在成本壓力之下，不斷有半導(dǎo)體大公司退出芯片制造領(lǐng)域，轉(zhuǎn)成無廠模式。

曾經(jīng)說過“好漢都有晶圓廠”的超威半導(dǎo)體總裁桑德斯，也關(guān)停了其加工業(yè)務(wù)，轉(zhuǎn)而將其交給一家代工廠。這家代工廠，演變成了世界第二大代工廠格羅方德（Global Foundry）。

一些半導(dǎo)體公司，如德州儀器，沒有完全退出芯片制造領(lǐng)域，也把相當(dāng)部分業(yè)務(wù)外包出去，只保留了一小部分不需最新工藝來實(shí)現(xiàn)的模擬芯片制造業(yè)務(wù)。這些公司，成了所謂的輕晶圓廠（Fab-lite）。

在芯片130納米時(shí)代，全球有22家半導(dǎo)體公司有最先進(jìn)的晶圓廠；到22納米時(shí)代，全球只剩下7家半導(dǎo)體公司有最先進(jìn)的晶圓廠：英特爾、三星、IBM、臺積電、格羅方德、聯(lián)華電子和中芯國際。

到7納米時(shí)，只剩下臺積電、三星和英特爾；2020年，5納米芯片量產(chǎn)時(shí)，賽道上只剩下臺積電和三星。

21世紀(jì)第一個(gè)十年，臺積電開始與EDA廠家、IP提供商組建聯(lián)盟，并開發(fā)加速設(shè)計(jì)流程的工具；臺積電還與阿迪森（Artisan Components）合作，為客戶提供設(shè)計(jì)中需要的標(biāo)準(zhǔn)單元IP。

2020年，無論蘋果手機(jī)和筆記本中的最新CPU，還是英偉達(dá)GPU、高通5G芯片，都是由臺積電生產(chǎn)的。

芯片復(fù)雜度越來越高，制造成為整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條中最艱難的一環(huán)。

沒有人預(yù)計(jì)到，在全球集成電路份額方面，代工廠所占比例，從1987年的0%增加到2020年的84%，完全碾壓傳統(tǒng)半導(dǎo)體垂直整合制造廠商。

當(dāng)年，英特爾公司拒絕投資臺積電，不看好代工模式，到了2021年，英特爾公司也宣布開始做代工……

張忠謀也早已圓了博士夢。

1961年，德州儀器總經(jīng)理約見張忠謀，提出資助他全職讀博，條件是學(xué)成后繼續(xù)服務(wù)該公司。這一次，張忠謀通過了資格考試，進(jìn)入心儀的斯坦福大學(xué)。

三年后學(xué)成，33歲的張忠謀從加州返回得克薩斯，一路駕車馳騁，迎接他的是廣袤的草原和望不到邊的未來……

本文選編自《芯片簡史—— 芯片是如何誕生并改變世界的》汪波著，湛廬出品并授權(quán)刊載，浙江教育出版社出版，2023 年 4 月印制。