上一篇 《晶片戰爭》閱讀心得(上):看懂晶片大國的競合、晶片鎖喉戰線、以及台灣的兩難著重在國際博弈的「籌碼」,這篇則是從歷史關鍵事件的「時序脈絡」來了解科技巨頭的興衰,並且加上晶片基礎知識的筆記。
首先,我看《晶片戰爭》的個人心得是,即便是天縱英才的CEO,也不要覺得自己很有多了不起,以免提前領便當出場。
眼看他起朱樓,眼看他宴賓客,眼看他樓塌了,這何止是人生,產業更是十年一轉。
例如發明半導體並獲得諾貝爾獎的威廉·肖克利(William Shockley),明明站上風口上了,卻因為做人太機車,導致八名員工一起跳槽,把自己的公司做到關門大吉,被後起之秀Intel搶盡風頭。
還有當時全球指標的半導體光刻機GCA創辦人格林伯格(Milt Greenberg),以為自己是商業大亨,只專注股價,導致這個世界大廠短短不到十年就衰敗,被日本Nikon與Canon取而代之。
接下來就從基礎晶片知識、到晶片的發展史,來分析以下問題:
1.很多美國人也不理解,為什麼美國人發明了晶片,但是現在卻做不出晶片、只能靠台灣? 2.美國政府值得相信嗎?以歷史為借鏡,建議可以看看日本半導體的衰敗、以及韓國的崛起,相信你也會有一個自己的答案。
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晶片的分類
晶片大致分為下列幾類,最激烈的兩個殺戮戰場就是個人電腦內儲存資料的「大腦」—動態隨機存取記憶體(DRAM),及負責運算的「心臟」—中央處理器(CPU)。中國就是高級製程落後台積電,所以目前轉向記憶體、類比晶片的較低階晶片製造
1.邏輯晶片:電腦、智慧型手機、伺服器的處理器。這也通常是目前製程最高階的晶片,也是台積電的核心價值所在。
2.記憶體:DRAM(動態隨機存取記憶體)、NAND(快閃記憶體)。DRAM主要為美國美光、韓國三星與SK海力士。
3.類比晶片:這類晶片不需靠摩爾定律不斷縮小體積來維持先進地位,因此成本較低,如視訊音訊轉換為其他數位資料、無線射頻晶片(手機網路通訊)、管理設備用電的半導體。目前最大的類比晶片製造商是美國、歐洲、日本廠商,以德儀為最大製造商。
4.GPU:不同於CPU連續逐一運算,GPU可以高速平行運算,原本客群為影片與電玩圖像,但後來發現AI人工智慧是平行運算的最大用例,現在是以輝達(Nividia)為主。
主要的晶片科技公司陣營
美國加上日韓,再加上 ASML 跟台積電,原則上就掌握目前世界上製造先進晶片的能力。作者在書中就形容他們對先進晶片的影響力比例,比石油輸出國組織(OPEC)還大;書中提到,「相較之下, OPEC 的產油量占全球產量的40%,看起來就沒什麼大不了。」
【可製造晶片的業者】就是晶圓代工製造廠
台積電:佔全球晶片一半以上產能的最大、擁有最先進製程的晶片代工製造廠商,公司政策是「我們只製造晶片,絕對不設計晶片」,以承諾「台積電永不設計晶片」的宣言,保障其晶片客戶的權益並贏得最多的訂單。
格芯:原本是AMD晶圓製造廠後來被拆分出去,為AMD與其他客戶代工生產晶片。被美國視為抗衡台積電的代工廠,是美國目前最大的代工廠,10%代工市佔率。
聯電:與格芯競爭世界第二大代工廠的位置,10%代工市佔率。
英特爾:洛伊斯與摩爾離開自己創辦的快捷半導體(因為不爽拿不到股票),另外創立英特爾。英特爾稱霸x86架構個人電腦與伺服器市場,但錯過iphone手機晶片的龐大市場。同時擁有晶片設計與晶片製造業務。
IBM:Power架構的伺服器晶片曾間一度是主流,但2010失去地位。
三星:台積電的目前市場上的主要競爭對手,但是因為同時設計三星產品晶片又製造晶片,會與其他晶片設計公司有利益衝突。
美光:在美國農村起家的DRAM廠商,在美國DRAM產業最落敗的時候,以類似血汗工廠的執行力、成本控管、效率,找到自己的市場而崛起。美光的製造廠多半在亞洲。
快捷半導體:從蕭克力半導體實驗室出來的八位工程師所成立,是第一家把半導體事業做大的公司。包括諾伊斯(因為心臟病逝世導致沒有得到諾貝爾獎)、基爾比(因發明半導體得到諾貝爾獎)、摩爾等矽谷開創者
威盛:因為CPU競爭太激烈了,把原本第三名的國家半導體公司(National Semiconductor)打到落花流水,所以賣出CPU部門給台灣威盛。威盛現在是小蝦米挑戰大鯨魚,揮軍CPU市場。
【無晶圓廠公司】就是晶圓設計廠,像是台灣的聯發科
AMD:是英特爾在個人電腦處理器與伺服器的競爭者。原本擁有晶片設計與晶片製造公司,但後來把晶圓製造廠拆分出去變成格芯,為AMD與其他客戶生產晶片。
輝達:全球最大GPU晶片設計商,輝達是無晶圓廠公司,其晶片主要由台積電製造。
2023/5/26 補充AI最新戰局:
▴目前唯一的AI GPU競爭者:AMD
▴上下產業鏈受惠者:台積電 (潛在對手為三星)
▴需求成長來源:除了原本的顯卡市場,還有AI伺服器需要的GPU
▴潛在競爭者:既有客戶Google, AMZN等雲端數據中心也開始想要自己設計AI晶片,取代NVIDIA GPU
高通:設計手機中行動網路通訊的數據機晶片,無晶圓廠公司,其晶片主要由台積電或三星製造。
蘋果:在英國劍橋合資了晶片設計公司安謀ARM (ARM晶片適用於行動裝置),目的是作為手機行動裝置晶片,但晶片製造外包給台積電或三星,手機組裝則外包給富士康、緯創。目前世界上九成以上的智慧型手機晶片都內建安謀(ARM)核心 IP。
大型雲端運算公司(Google, 微軟, 亞馬遜等):原本是以Intel CPU為主流,但現在開始除了開始採購輝達GPU做AI運算外,現在也都開始紛紛想要自己設計晶片處理器
【微影成像廠商】
ASML:是世界上唯一的EUV微影成像公司,耗費30年、數十萬個元件、與數十億美元打造出全世界最複雜神奇的EUV機台,其組裝元件包含光學鏡頭、雷射、反射雷射的錫滴、雷射艙氣體密度控制、超高純度鑽石等等,這些都不是單一企業能生產的,是許多國家、跨國的科學家、工程師合作,像是加州Cymer西盟(光源)、德國Zeiss蔡司(光學)、和創浦(雷射器)。以及極為精確的供應鏈之下才能生產的出來的。
關鍵事件簿:英特爾巨人的衰落
- 他的創辦人主要是洛伊斯(Robert Norton Noyce,人稱矽谷市長,也是半導體發明者之一)、摩爾(Gordon Moore,摩爾定律發明者) (3)葛洛夫Andrew S. Grove,以偏執狂聞名)。
- 向市場推出DRAM,首度採取量產晶片策略
- 接著打火趁熱,把重心由國防轉往民生訂單,獨霸 DRAM 市場
- 後來日本崛起、美國整體半導體產業都被打得落花流水。因為當時日本競爭力過於強大,Intel決定退出日本主宰的DRAM市場,即使當時這仍是英特爾的晶片銷量主力。改而與IBM/微軟結盟,投向新興的個人電腦微處理器。
- 英特爾正式進入個人電腦時代,重心轉往 x86 CPU 的研發,後來跟著微軟成為全球個人電腦的霸主。x86指令集也主宰了伺服器市場,像是AWS、微軟Azure、Google雲端平台等,並成為全球市值最高的公司,當時只有AMD能與之競爭。
- 即使是到現在,Intel也幾乎壟斷x86伺服器與個人電腦處理器市場,坐擁全球最有價值的兩座城堡。
- 在台積電問世之前,Intel是全球最大的晶片製造商。
- 英特爾陷入「創新者的兩難」,寧可保護現有的獲利也不願創新,結果當時的專業經理人、非技術出身的執行長歐特里尼直接拒絕賈伯斯提議,錯失了幫iphone製造晶片的機會,沒有跟蘋果一起同步研發更小、更快、更節約的 ARM 架構。
- 事實證明,ARM 架構更適合後來的人工智慧運算。
- 晶圓製造的生態已經改變了,但Intel兩個晶片設計與製造還是兩個都做,兩邊業務都顧不好
- 2010 曾投入代工業得不到因內部資源支持,客戶感覺未被優先看待,短短幾年就匆匆結束
- 2015以來,英特爾已經延遲先進製程,落後對手台積電與三星。
- 現任 CEO 基辛格已發下豪語要從三星與台積電手中奪回領導地位,早已向 ASML 預定最新的機台設備,預計在2025年取得新的技術優勢。據說也要開啟晶片代工的業務
關鍵事件簿:ASML因禍得福,成為全球唯一的EUV微影成像公司
ASML是半導體的單一壟斷,完全沒有對手。
根據摩爾定律,下一代半導體越做越小,越需要高級的微影製程的技術,但微影製程設備的成本十分巨大,只有三家公司:日本的Canon與Nikon,還有來自荷蘭的ASML(母公司為飛利浦集團,原來生意做這麼大)
英特爾認為ASML是替代Canon與Nikon的選項,是因為ASML是來自荷蘭的歐洲公司,中立且沒有地緣政治色彩,因此英特爾早期投資ASML的EUV微影成像技術。
由於Nikon等日本公司,不認為EUV技術可行,因此只有ASML開始研究EUV,想不到一研究就是三十年!開始使用各國元件組裝EUV機台,頭一洗下去下去不得了,耗費30年、數十萬個元件、與數十億美元打造出全世界最複雜神奇的EUV機台。
你說ASML是不是上輩子燒好香哪?想不到撐了三十年還給他撐到了,CEO都不知道換了幾個。
很湊巧ASML投資過早期台積電,也因此把部分製程技術轉移給台積電,因此ASML與台積電關係匪淺,連張忠謀也大手筆投資EUV機台。
ASML與TSMC果然是穿同一條褲子長大的好兄弟,經歷過一起被奚落、也一起享福的日子。
關鍵事件簿:日本DRAM崛起又跌落神壇
20世紀80年代,是日本半導體製造的黃金時代。在最鼎盛的1988年,日本半導體產品佔據世界總產量的近一半,是名副其實的生產大國。日本企業在美國豪擲千金收購,寫下當年「一個東京足以買下美國」的歷史,像是三菱買下紐約洛克菲勒中心(Rockefeller Center)、而Sony收購了哥倫比亞影業。
- 1980年代,日本靠SONY消費性電子產品崛起
- 美國佔領日本期間,美國開始把電晶體知識轉移給日本的物理學家,最初原因是希望把日本變成美國的殖民地,讓日本幫美國製造電子消費產品。
- 日本靠著「竊取智慧財產權」、「保護市場」(日本可以對美傾銷商品,但美國很難在日本搶得市占率)、「政府補貼」(可持續取得大量資金建立護城河)。DRAM是美國人發明,但現在美國廠商卻紛紛倒閉。
- 日本的Nikon, Canon在半導體微影成像製程,取而代之美國GCA(曾是全球最大),進而成為霸主。
- 原本不想出手的美國國會出手了,因為被說服「日本DRAM是國防問題」。日本被要求開放半導體市場,保證5年內國外公司獲得20%市場佔有率。美國對日本開啟貿易戰,產品的打壓從紡織品、鋼鐵等擴至汽車、彩電等領域,對日本揮舞起「301調查」的大旗。
- 更慘的是,日本還錯過了個人化電腦崛起的年代(當時英特爾CEO葛洛夫大膽捨棄DRAM,改投身微處理器晶片,從此開啟英特爾雄霸x86的黃金盛世)
- 1990年代,日本金融泡沫化,日本大廠無法再用便宜資金蓋廠投資,產業開始沒落,從此開啟了「失落的三十年」。
日本半導體業的衰敗原因,從資金面來看,有低息放貸造成的過度投資;從市場來看,有產業過度集中造成獲利下滑、更錯過個人電腦商機;最後壓垮駱駝的最後一根稻草,是美國打壓,後面就兵敗如山倒了。
關鍵事件簿:美國認為「敵人的敵人就是朋友」,導致韓國三星DRAM崛起
- 當年三星看到日本做得好,也想跟風日本做DRAM
- 當時美國DRAM紛紛倒閉,所以美國公司毫無懸念把DRAM技術移轉給韓國
- 美國不爽日本傾銷DRAM,改而扶植韓國DRAM產業
- 1998南韓三星超越日本,成為全球最大的DRAM廠商
發現了恐怖的歷史巧合:這是不是很像日劇亞洲退燒後,現在換韓劇取而代之崛起…
關鍵事件簿:美國發明了晶片,卻又無法製造晶片的原因
連很多美國人也不理解為什麼美國發明了晶片,卻又無法製造晶片、只能依賴來自不知名小島的台積電?
美國半導體業者在80年代起,因成本考量,逐漸將晶圓製造外移,台灣與南韓成為最大受益者,美國僅掌握IC設計、設備、技術專利;而台韓晶圓製造商在政府補貼下快速崛起。前一篇文章提到,高階晶圓製造水很深,美國現在想急起直追也追不回。
再者,發明DRAM的美國也在80年代將DRAM技術移轉給日韓,導致先被日本徹底打垮本土市場,後來又改扶植南韓去打日本,現在只剩下美光獨撐DRAM大局。
關鍵事件簿:中國想要打造自己的晶片,但目前尚未看到曙光
有沒有發現小熊維尼很會喊口號?甚麼「一帶一路」、「中國製造2025」啦,簡直是被政治耽誤的行銷天才。
當小熊維尼要求全面改造全球半導體生態鏈(非美國供應鏈),而非融入全球生態圈,許多人認為中國未戰先輸了,原因是外行領導內行,不理解產業鏈。
只有補貼策略,沒有技術引入,到最後變成遍布全國國的低效小廠。
像當初中芯(SMIC)由張京汝創立,模仿台積電代工模式,也挖角台灣人才(台積電大將蔣尚義、梁孟松),但仍然找不到好的獲利模式,且製程仍落後台積電,目前仍只能生產非先進邏輯晶片。
而紫光由趙偉國成立,但是這家公司本質是投資公司,只想要直接出手買台積電與聯電。
比較像樣的,是由任正飛創立的華為,雖然仍有剽竊,但這家公司很重視研發,為全球三大基地台設備供應商之一(Nokia, Ericsson, 華為),還有其他的海底電纜、雲端運算等基礎建設,且擁有自己的智慧型手機品牌,全球的手機銷量與蘋果不相上下。台灣台積電也幫忙華為手機代工生產晶片處理器。
美國害怕華為的擴張,宣布「禁止使用美國技術與軟體在海外設計與製造半導體」,所以台積電不能使用美國製造的機台去幫華為代工晶片,華為也無法使用美國軟體(如益華、新思、明導)來設計晶片。但美國還是允許中國購買較低階的半導體。
所以中國想突圍勝出,就只能開一條新的路,像是轉向RISC-V開源架構、投資未來電動車可能會用到的新的半導體材料,”But it’s a long road.”
半導體產業,正進入合縱連橫的春秋戰國時代,形成大軍團作戰的態勢,咱們俄烏戰爭的局面會不會發生在台灣?我不知道,但江山代有更迭,這一點歷史倒是很誠實。