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08 | 台积电：摩尔定律的忠实执行者
你好，我是邵巍。
前两讲，我给你讲了Intel、三星这两家公司，一个是处理器芯片第一，一个是存储芯片第一，都是好公司，都是业界楷模。如果Intel和三星出现意外停工停产的话，估计整个半导体行业会忙乱一阵，疯狂补位，瓜分它们的市场，重新排定座次；行业之外，都不会有什么太大影响。
但是，今天讲的台积电就不一样了。如果台积电出现点问题，那整个半导体行业，可能死一半吧。行业之外，别的不说，手机价格应该会贵一倍，或者只有三星代工的芯片可以买了。
当然我说得有点夸张，不过这是有前例的。2018年8月7号，因为电脑病毒的攻击，台积电出现全线停产的问题，影响到已经定在9月12号上市的iPhone（2018）所需要的A12处理器的生产。当时iPhone（2018）的市场价，很快就被黄牛们炒到离谱的地步。
那个时候，台积电决定优先生产苹果的A12 处理器，将其它的处理器推后生产（其实就是华为麒麟）。当时台湾媒体，一直夸奖华为非常有绅士风度。因为华为的处理器也是由台积电生产的，而且华为的处理器生产量也不比苹果少，加之华为新机的发布也并不比苹果晚多久。由此，苹果和台积电都欠了华为一个很大的人情。
华为的礼让，是有回报的。2019年在美国发布实体清单之前，台积电积极帮助华为。它和高通、联发科、AMD、英伟达等公司沟通，请他们释放出来一部分7nm芯片产能来给华为公司应急生产制造。
其实台积电不仅仅是半导体行业的咽喉要处，它还改写了半导体产业的格局。它是摩尔定律的忠实守护者，在Intel无法维持Tick-Tock的行业节奏之后，是台积电和苹果搭队，默默地为整个行业提供持续创新动力。其实在第四节我有提到，半导体一半设计，一半制造。在制造这方面，台积电以一己之力，支持了半个行业。这一讲，就让我介绍一下这家无冕之王。
重塑产业格局：激励创新
在第四节有提过，在台积电出现之前，半导体公司都是IDM模式。从设计到制造全部自己完成。AMD的创始人兼第一任CEO曾经说过“真男人都有工厂”。在很长的一段时间内，芯片设计和工艺制程两者是紧耦合的，被看作是半导体公司的核心竞争力。行业老大Intel，至今仍然坚持这条路线。
但是，让我给你一个数字，你就能清楚的知道，如果半导体公司采取IDM模式，需要什么样的实力。
一家并不是最新工艺的晶圆厂的建设成本为30亿美金，每年的折旧成本+运营成本约为10亿美金，这意味着半导体公司的营业额，必须在50亿美金以上。以2020年无厂半导体设计公司的收入来看，只有5家公司：高通、博通、英伟达、AMD和联发科够这个标准（排在第6的Xilinx收入是30亿美金），但是这5家头部设计公司，全都是用的建设成本至少100亿美金起的先进工艺进行设计。
台积电开创了芯片制造的代工业务，让半导体行业可以在IDM模式之外，出现“无厂设计公司+代工工厂”的模式。甚至，原有的IDM模式的公司，也可以有选择的保留部分工厂，而将其它的芯片生产制造，特别是昂贵的先进工艺制造，外包给代工工厂，变成“轻工厂”模式。
无厂设计公司，大大的降低了半导体公司的创业资金门槛，促进了行业繁荣。换一个角度描述，如果没有台积电开创的这种 “无厂设计公司+代工工厂”的模式，大约70%的半导体公司都不存在了。可以说，没有台积电就没有目前的半导体行业格局。
但是，开创一个新的产业模式从来都不是一件容易的事。在台积电之前，从来没有一个专业的只从事晶圆制造的工厂。晶圆厂的成功，是要产能满负荷运转的。即使到了1995年，有专业研究机构统计，全世界的设计公司的芯片，全给台积电，也不够喂饱台积电。
无厂设计公司+代工厂，这个模式想运转起来，需要三个条件：
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代工工厂的工艺水平不能太差，不能拖设计的后腿，而这个“差”，是跟同期的IDM的工艺水平相比较的。
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设计公司的设计水平也不能太差，而且要有一定的出货量，才能填满代工厂产能。
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与同一个市场中竞争的IDM模式相比，要有良好的投资回报比，才能持续发展。
换句话说，台积电要成功必须得同时满足这三个条件，分别代表了三个层面：要有工艺水平、有客户需求、要比IDM模式赚钱。 事实上，它也很好地完成了。我来一条线一条线跟你说。
提升工艺水平，成为行业第一
在台积电建立的头十年，在工艺技术上与当时的德州仪器、摩托罗拉等欧美大型IDM相比，还是有差距的。它真正的崛起有两个转折点，经过这两个转折点，才逐步奠定了它的地位。
第一个转折点是2000年，台积电在铜铝工艺切换的时候，开始自主研发基于铜制程0.13 微米技术，而不再仰仗欧美公司的技术转让。正如英伟达的CEO黄仁勋说：“0.13 制程改造了台积电。”领先的制程工艺，让台积电成为代工厂的技术第一。
第二个转折点是2007年，台积电的林本坚提出浸没式光刻设想后，ASML开始与台积电合作开发浸没式光刻机，并在2007年成功推出第一台浸没式光刻机。技术能力延展到制造设备侧，才是核心能力。而凭借这个能力，台积电决心“抢先半步”，走40、28、20nm的路线，自此和Intel的45、32、22nm路线分裂。接着创始人张忠谋的回归，大手笔投资28nm制程，将技术先进巩固为商业成功。
真正要到2018年，台积电按时按计划发布了7nm制程并进入量产，才真正反超了一直困扰在10nm良率问题上的Intel，开始领跑整个业界。
先进的客户需求成重要助推器
第二条线，算是客户线。设计公司和代工厂其实是相辅相成的，没有先进的客户需求，也就没有代工厂先进的工艺。虽然2007年还没有无厂设计公司能排进半导体公司的前十。但是2012年，高通就排入第四，而博通排在第十一，AMD当时排在十三。
回顾早期历史，1995年台积电和Altera就合作在美国建晶圆厂，为芯片设计公司提供代工服务了。对Altera这家公司，你可能不熟悉，这是FPGA双雄之一，2016年被Intel收购。FPGA对于半导体制造工艺非常重要，因为FPGA的构造是大面积的重复单元，因此往往可以用来测试工艺制程。而FPGA这个品类，是强依赖最新工艺来提升竞争力的，这也是后来Intel要收购Altera的原因之一。
接下来，我们看看台积电的客户们。
高通，不太主动披露它的芯片制造商，但是1998年，高通的基带芯片MSM3000，就是用的台积电 0.35微米工艺生产的。之前几代，可分别用的是LSI、IBM和Intel。而且2002年，高通的CDMA产品线的最佳供应商奖项是颁给了台积电。这是在台积电拿下苹果订单的10多年前。
英伟达，是从1995年就投奔台积电了。漫长的合作历史上，常有精品，例如英伟达2020年5月发布的Ampere A100，542亿的晶体管，826平方微米的N7工艺单Die，这个芯片做成PCIe卡之后，售价为12500美金。
在英伟达之前，只有博通能设计这么大的芯片了。博通也是台积电的很早期客户。
2014年台积电推出了基于 FinFET 工艺的 20nm芯片。这一年台积电拿下了最重要的一张订单：苹果的A8。从此，苹果成为每年为台积电贡献超20%收入的超级大客户。
苹果手机芯片一年一代的更新节奏，反向制定了台积电的工艺升级的节奏。而台积电的工艺制程升级的节奏，也给全行业定了基调。其实从2016年，Intel的Tick- Tock停摆之后，半导体行业的速度是台积电确立的，稳稳的摩尔定律速度。
与IDM模式竞争，保持产能与需求之间的平衡
其实，在台积电最初创立时期，Intel是帮了台积电一把。但是，代工这种模式，本质是在和IDM模式的厂商在竞争制造机会。
到了2000年，dotcom泡沫破裂，很多半导体公司的投入减少。同时，12寸厂成为新建晶圆厂主流，但一座晶圆厂造价高达25至30亿美元，不仅中小IDM负担不起，大型IDM要投资也常显吃力。此时台积电的技术实力也已经超越Intel之外的其它IDM。
2010年，IDM已较少自己生产40nm制程的芯片了，而台积电成功地预测到“做到28nm时几乎所有IDM都要靠代工”， 因此大规模投资28nm的产线，一举奠定胜局。
整体而言，IDM放弃自建晶圆厂已是大趋势，比如AMD便在2008年底将芯片制造剥离出去。近20年来只有所谓“轻晶圆厂”（fab-light）或“无晶圆厂”（Fabless）模式的兴起，而没有芯片设计公司反过来成为IDM。
总结看，IDM模式，无论从产能预测、保密，还是工艺技术与设计结合的角度看，全部自己完成制造，有优势。但是，靠一个公司的产品填满产能，这对公司的研发能力有超强要求。台积电制胜的秘诀就是用最快的速度、最好的制程生产最多的芯片。
当台积电可以提供给全行业最好的制程的时候，全行业的产能都自发的集中过来。而且在制程领先这个条件下，客户，特别是大客户关心的优先级，就是产能优先，价格第二了。特别在同一个市场拼杀的竞争者，每个都恨不得把产能全包，一个Wafer都不给其它人剩下。因此台积电的利润率，一直行业领先。
“让晶圆厂持续高产能运转”，在产能和需求之间保持平衡，这是一项艺术。
稳健投资：摩尔定律的忠实执行者
“摩尔定律”使晶圆代工企业不断追求更先进的制程，而能在一两个原子大小的空间中雕刻回路的设备自然越来越昂贵，动辄数千万美元。为达到规模经济以抵消前期巨额投入，晶圆代工企业又追求更大的工厂和产能。
台积电在不断追求更先进的制程路上，靠得不仅仅是技术的创新，还有不被行业繁荣与萧条的波动左右，持续大手笔投资的长远眼光。最难能可贵的是，我们这里说的投资不是像三星一样的逆周期投资，台积电用的是自身赚到的资金， 以远高于行业其它公司的金额，长期投资。在台积电精致地平衡业务赚到的营业现金流量（正现金流）和投资活动付出现金流量（负现金流）下，按照金融相关人士说，台积电“画出了一张教科书般的收支图表”。
图片来源：日经中文网
比起三星的大开大合式、用其它业务补贴式的投资策略。台积电这种稳健的投资，在研发和制造均需要巨额资金投入的半导体行业里，确保了自己的长期健康发展。
台积电曾在提出的财务指标中强调，2018年的投入资本回报率（ROIC）必须达到15%到20%。投入资本回报率是显示投向业务活动的资金能在多大程度上产生回报的指标，台积电过去5年的平均值为21.4%，高于Intel和三星，Intel为15.7%，三星约为8%。
既赢，又稳，这背后离不开领导者的经验、魄力与前瞻性。多年来，台积电一直保持着**“高投入-低成本-高销量-高投入”**的正向循环。
苹果：需要单独讲讲的超级客户
整个计算机硬件行业，有3次风口：第一次是PC机，第二次是手机与移动互联网，第三次是这一轮的AI、5G与IoT。第一次的PC，成就了行业第一的Intel。第二次的手机浪潮，成就的就是台积电，而这里的关键票，是苹果投下的。
苹果并不是一个半导体设计公司，苹果的前三代处理器，都是由三星设计并且生产的。直到A4，苹果才进入自主研发的阶段。但是这个时候芯片生产还是三星在做。三星的代工价格，基本上是成本价，并且和存储芯片做了捆绑销售包，和只有代工服务的台积电相比，优势明显。因此苹果的A4、A5、A6、A7也都是三星生产的。
但是三星的问题是，它的手机业务和苹果有竞争关系。三星 Galaxy 系列手机搭载的自己生产的猎户座（Exynos）系列手机处理器，看起来跟苹果的相似度太高。这时候问题就出现了，我们讲代工业务有一个特点，代工厂可以拿到设计公司的最终成果，因此客户对代工厂的信任度必须要高。2011 年苹果正式起诉三星 Galaxy 系列产品抄袭 iPhone 和 iPad，三星又反起诉苹果侵犯其 10 项技术专利，苹果与三星的专利诉讼战几乎遍及全世界，这严重破坏了信任度。
台积电这边在争取苹果订单的时候，一方面遇到价格问题，台积电是一个纯代工工厂，肯定不能像三星那样，只是拿苹果的订单解决剩余产能，可以接受成本价。另一方面，台积电的产能基本满载，如果想拿下苹果订单，就需要给苹果单独建厂。另外，这里还涉及知识产权等问题，也是困难重重。最终台积电 20nm 制程领先三星，且产能扩张完毕，用实力说话，才首度拿下 iPhone 6 的 A8 处理器全部订单。
而三星并不是一个会轻易认输的公司。它直接跳过20nm，首先宣布量产14nm，重新赢回了苹果A9的部分订单。这对刚刚扩大产能的台积电来说，真是个大危机。但正如我说过的，危险和机会，总是并存的。我在讲三星的时候说了，iPhone 6s 装载三星版A9和台积电版A9，被发现在功耗上有显著的差异：台积电的芯片明显较三星的省电。对三星来说，这是一个悲剧，相反，台积电因此一战成名。从此，苹果的订单，再也没有离开过台积电。
从官方披露的信息上看，苹果将在2021年推出5nm+的A15处理器，2022年推出3nm的A16处理器，2023年推出3nm+的A17处理器，目前，台积电和苹果正在携手研发2nm芯片，预计2024年推出2nm的A18处理器。
为什么我说苹果是“超级客户”？2019年、2020年，苹果都是世界上最大的半导体产品买家，台积电所有业务中有25％直接或间接来自苹果，除了代工苹果的自研芯片以外，苹果购买高通、博通、AMD、德州仪器、意法半导体、恩智浦和瑞萨等公司的产品也是台积电代工。想想，三星是一直手机出货量第一，是半导体产品的第二大买家（前2019年之前是最大买家），如果没有拿到苹果这一超级客户，后果不敢想。
总结
这一讲，我分享了了开创了现代半导体行业的最主要生意模式：“无厂设计公司+代工厂”，并重塑了产业格局的台积电，我同样给你总结了几个要点。
- 没有台积电开创的代工模式，现在70%的半导体公司都将不存在。
- 台积电在需求和产能，这个半导体制造业最难权衡的一对矛盾上，非常艺术地保持了平衡。
- 台积电基本上用自己赚到钱，投入扩大再生产，不但技术一直领先，而且投资利润率也远超同行，简直是行业的压舱石。
- 台积电是2015年之后，接替Intel，成为半导体业保持摩尔定律的动力来源。
课后思考题
台积电专心做代工厂，在一个长产业链上只做了一个环节，三星做了一整条产业链上每一个环节，而Intel虽然做了半导体行业的每一个环节，但是并没有深入到设备侧，这三个策略对比起来，很有意思。你喜欢哪个？你认为中国企业应该选哪个？