美国要恢复半导体制造国，半导体已成为战略物资

美国要恢复半导体制造国

在美国拜登政权提出将美国恢复为半导体制造大国之后，美国英特尔于2021年3月23日公布称，将投资200亿美元（约人民币1，300亿元）在美国亚利桑那州（Arizona）新建两个使用最尖端EUV（极紫外光刻）曝光设备的7纳米半导体工厂。其中一栋用于处理器方向，另一栋用于代工（Foundry），目标是在2024年启动运营。

进入2021年以来，车载半导体供不应求的问题愈发严重，全球汽车厂家相继减产。此外，全球唯一 一家实现5纳米工艺的台湾TSMC的代工订单纷至沓来，因此，用于智能手机、PC、服务器等各种方向的半导体都出现了供给不足的情况。

此外，由于2月13日日本福岛县地震的缘故，瑞萨工厂停工约三小时，且3月19日瑞萨工厂发生火灾，都促使了车载半导体供给紧张。此外，2月12日，美国得克萨斯州突发寒流，导致三星电子的Foundry、车载半导体的全球TOP1—-德国英飞凌、TOP2的荷兰NXP（恩智浦）的半导体工厂分别停电约36小时，再加上溶液管道被冻坏，又延长了恢复生产的时间。另外，各家半导体厂商都在竭力保持运营，如由于台湾供水不足问题日益严重，日均需要约20万吨水的TSMC采购了100只储水量为两万吨的水箱。

一言以蔽之，占Foundry领域约55%份额的TSMC的产能正日益紧迫、地震和寒流导致停电、干旱等自然灾害、火灾等因素导致全球半导体供给不足问题日益严重。

半导体已成为战略物资

2018年，全球范围内半导体出货金额达4，688亿美元（约人民币30，472亿元），出货数量达1兆多个（如下图1）。全球总人口约76亿，因此，粗略计算一下，全球平均一人一年消费约62美元（约人民币422.5元）、132个半导体。此外，今年（2021年）的半导体出货金额、出货数量都很有可能超过2018年的实绩，达到历史最高值。

图1：全球半导体出货金额、出货数量。（图片出自：WSTS的数据、笔者的预测）

已经有观点认为“半导体已经成为战略性物资”。如果没有半导体，所有产业都无法运营，此外，人类的文化生活也无法继续下去。因此，拜登政权提出了要将半导体的生产撤回美国的政策，这也是英特尔进军Foundry的理由所在。

英特尔曾于2012年初进军Foundry行业，后以失败告终。因此，此次进军是英特尔的第二次挑战。但是，笔者认为此次英特尔成功的可能性极低。

本文，通过分析英特尔在Foundry业界强大的理由，推导出英特尔无法在Foundry业界顺利运营的结果。

英特尔10纳米失败、开始Tick-Tock（工艺年-构架年）模式

英特尔发布的处理器是基于Tick-Tock（工艺年-构架年，以两年为单位推进微缩化）模式的。（图下图2）

图2：英特尔的Tick-Tock（工艺年-构架年）模式的失败。（图片出自：jbpress）

Tick-Tock（工艺年-构架年）模式是一种交替进行“微缩化”、“更新设计”以推进处理器进步的商业模式（Business Model）。比方说，在2015年不更改上一代的理论设计和掩膜图案（Mask Pattern），直接从22纳米进入14纳米，且被称为“Tick（工艺年）”。在次年的2016年，微缩化保持为14纳米，仅更新设计，且被称为“Tock（设计年）”。

然而，在英特尔从2016年的14纳米进入2017年的10纳米之际，由于10纳米工艺的启动失败，导致此模式的延续失败。结果即如下图3所示，被TSMC远远甩在了后面（TSMC于2018年量产7纳米、2019年采用尖端EUV、量产7纳米+）。

图3：逻辑半导体与Foundry的技术走向图（Road Map）。（图片出自：jbpress）

换言之，英特尔10纳米的微缩化与TSMC、三星电子的7纳米几乎处于同一水准。因此，如果英特尔在2019年之前量产了10纳米，就不会被TSMC超越了。但是，直到2020年英特尔也没有顺利量产10纳米，在2020年第二季度的财报中，届时的CEO--鲍勃·斯旺先生指出：“到2022年，英特尔会决定究竟是继续进行工艺技术的研发、还是扩大Founry业务”，并且暗示了“在7纳米以后，可能会将业务委托给TSMC代工生产”。

如上所述，英特尔连续在尖端工艺的启动上遭遇了失败，能否在2024年顺利启动7纳米（采用EUV曝光设备、相当于TSMC当下量产的5纳米）工艺，还是无从得知。

但是，实际上，英特尔能否在Foundry方面获得成功与尖端工艺的启动并无太大关系。

那么，问题何在呢？自2016年开始的Tick-Tock（工艺年-构架年）模式才是英特尔Foundry 业务能否成功的关键所在。

TSMC的Foundry业务是什么样的？

下图4是近六年来TSMC的各个世代的半导体出货金额的推移表，如上文所述，TSMC是目前全球唯一 一家量产5纳米工艺的Foundry厂家。

图4：TSMC的各个世代的半导体销售额（~ 2020年第四季度）。（图片出自：笔者根据TSMC的财报制作了此表）

但是，TSMC的竞争力不仅仅在于尖端工艺方面。TSMC成立于1987年，因此其拥有自成立之初的0.25um的传统型半导体、也拥有最尖端的5纳米工艺，可以说TSMC一直在量产所有世代的半导体。

此处即为TSMC和英特尔的差异所在。对于TSMC而言，当量产后的世代不再具有尖端技术优势时，依旧会继续生产，而且这会给TSMC带来巨大的利润。此外，尖端半导体是在传统世代的基础上层层堆叠而成的。

的确，对于高性能PC和服务器而言，必须要采用由尖端工艺制造的半导体。但是，也有很多最新款的电子设备采用的是传统世代的半导体。如图1，在2018年半导体的出货数量达1兆多，即证明了这一点，其中大部分的半导体不是由尖端工艺、而是由传统工艺生产的。TSMC竞争力的源头之一在于其能够生产各个世代的半导体。

与此相对，英特尔仅能生产尖端工艺（当下的尖端世代为：14纳米-10纳米）的半导体。即使英特尔在2024年量产7纳米（相当于英特尔的5纳米）、并开始Foundry业务，也仅能生产14纳米以后的半导体。因此，就工艺的进步而言，可以说英特尔几乎无法满足2，000多家Fabless企业的要求。

半导体种类纷繁

TSMC生产的产品不仅有全球最尖端的逻辑半导体，还生产其他各种各样的产品，如有射频（RF）半导体、模拟半导体、CMOS传感器、用于功率半导体的各种存储器，甚至还有微机电系统（MEMS，Micro Electro Mechanical Systems）。（如下图5）

图5：TSCM生产的各种各样的半导体产品。（图片出自：笔者摘选自TSMC发布的2019年度报告）

即使是用于某种特殊用途的逻辑半导体（Application Specific Integrated Circuit、ASIC），也分为消费电子方向、电脑方向、通信方向、车载等用途。（如下图6）

图6：各种ASIC的四半期出货金额（~ 2020年第四季度）。（图片出自：笔者依据WSTS的数据制作了此图）

其中，消费类电子包含冰箱、洗衣机、空气净化器等白家电以及液晶电视、蓝光光盘翻录工具（Blu-ray Recorder）、音频设备等黑家电。此外，以上这些家电都需要使用各种各样的半导体产品。

Foundry业务的本质在于可进行多品种、小批量生产。为了满足2，000多家Fabless企业的代工要求，TSMC运用各个世代的工艺（从传统世代到最尖端的世代）为客户生产各种各样的半导体产品。

然而，英特尔能够生产的仅有逻辑半导体中的处理器。如上文所述，仅能用14纳米以后的尖端工艺来生产（无法使用传统世代的工艺）。

总之，英特尔的业务模式是“Like Memory”。比方说，仅用2-3年就将DRAM提升至最尖端水平。其品种有PC和服务器、智能手机两个方向。即，少品种、大批量的模式。英特尔的处理器也是同样的模式。

这样的英特尔真的能开展Foundry业务吗？至少是无法模仿TSMC的业务模式。

设计由TSMC制定

TSMC通过运用自身的各个世代的工艺来生产各种各样的半导体产品，在Foundry领域占有一半以上的份额（如下图7）。就主要原因而言，有观点认为是因为TSMC是生产半导体的专家，仅需要汇集资源于工艺技术就可以了。

图7：Foundry的销售额占比。（图片出自：DRAM eXchange）

作为TOP2的三星电子在生产处理器（用于三星Galaxy）之前，需要自行设计。因此，需要在设计部门投入较多的技术人员，也需要进行大规模的设计投资。

但是，TSMC之所以能够在Foundry领域占有如此大的市场规模，其自身的尖端工艺技术自不必说，TSMC的设计技术也是重要原因。

理由如下所示。

比方说，TSMC在发布5纳米技术之际，为了Fabless企业，在被称为EDA（Electronic Design Automation）的设计工具中，筹备了“Cell Library（单元库）”。在“Cell Library（单元库）”中筹备有英国ARM的处理器内核（Processor Core）、美国德州仪器（Texas Instruments， TI）的数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、各种存储半导体的Cell（也叫“IP”）。

TSMC不仅保证了以上这些Cell的可操作性，还完成了它们相对应的生产工艺。因此，Fabless企业仅需像排列乐高积木一样将“Cell Library（单元库）”中的Cell 排列起来，就可以设计出需要的半导体。而且，TSMC会为他们生产半导体。

如果Fabless企业不使用“Cell Library（单元库）”、而从零开始设计半导体的话，其设计的半导体可能无法工作。或者说，大部分情况下是无法工作的。此外，即使勉强可以工作，也无法得知生产的良率如何。

然而，TSMC拥有服务于各个世代的、各种半导体的“Cell Library（单元库）”。运用“Cell Library（单元库）”，Fabless企业能够毫无风险（No Risk）地设计半导体。而且，TSMC会对Fabless企业设计的半导体负责。即，作为生产专家的TSMC通过控制设计，获取Foundry的市场份额。

英特尔永远也无法成为TSMC

15年前（2006年），笔者担任同志社大学教师之时，原九州工业大学的川本洋教授告诉了笔者TSMC的优势所在。

全球的Fabless企业只要连接到TSMC的“Cell Library（单元库）”，任何时候、任何地点、任何人都可以进行设计。（下图8）

图8：任何时间、任何地点、任何人都可以进行同样的设计。（图片出自：笔者基于九州工业大学·川本教授的设计学习资料制作了此图）

可以说TSMC一手遮天地为全球的Fabless的代工（如下图9）。此外，TSMC每接到一笔代工订单，其利润就增长一份！

图9：Oligopoly of SOC Business。（图片出自：笔者基于九州工业大学·川本教授的设计学习资料制作了此图）

TSMC之所以在Foundry方面有压倒性的优势，原因就在于以上这种结构模式，其在工艺技术方面的领先地位是其优势的源头所在。

而如今，英特尔却要进军TSMC独霸的Foundry领域！但是，英特尔却永远也赶不上TSMC。因此，即便英特尔竭尽全力，也无法战胜TSMC。

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