從半導體歷史, 看出強權競爭與佈局
我以書中一段做為起頭, 這段是說早期(可能現在還存在)大型組織或政府需要龐大人力執行些運算的工作. 而這些有生命, 會呼吸的運算工使用計算機或試算表算出像薪資單, 銷售業績或統計所需之上下限, 變異數等工作. 這群有組織的運算工就像今日晶片的縮影. 只是這些強大晶片會進行更複雜算法且龐大計算量的工作來支援多且不同服務需求.
但是隨著摩爾定律算力增加的晶片又和國家安全有什麼樣的關係?
這本書的觀點?
這本書作者克里斯. 米勒 (Chris Miller)是個教國際史的教授, 擁有耶魯大學歷史學博士及哈佛大學歷史學學士. 很難想像這位歷史學家寫了一本有關晶片發展史. 書中並揭露美國為了保護自己利益, 如何運作策略來控制俄, 日, 韓, 中和台灣等國在晶片設計或製造上扮演的角色是什麼.
如果你想知道晶片過去, 現在及未來扮演何種角色. 這本書肯定讓你收穫滿滿, 作者不但讓你知道晶片的發展也順帶讓你瞭解它除了在商用, 軍用外還可以決定國力的強弱. 我將書中所看到的重點分述如下.
半導體?晶片？
”Debug”一詞的由來, 是早期電腦使用真空管做資料運算(開啟真空管: 1, 關閉真空管: 0)的年代, 一隻飛蛾因真空管的光飛入而導致系統死機. 所以真空管體積, 速度還有穩定性在當時都是問題. 後來科學家蕭克利發現, 在半導體(大多是矽)的材料中加入某些材料(例如磷)跟電場, 就會有電流產生, 他想如果再加上開關就可以控制電流(0 or 1)就可以做運算. 於是電晶體就誕生了(有開關的半導體). 而把多個電晶體嵌入一塊矽片, 稱為積體電路(integrated circuit), 也就是後來俗稱的晶片(chip). 於是這個運算黑盒子(小又快)帶來劃時代的改變, 此後工程師們想盡辦法讓電晶體數量在單一矽片越來越多, . 運算量越來越大, 可運用範疇越來越廣. 一開始用在導引阿波羅太空船上月球, 到不斷提升計算能力的通用處理器(CPU), 而現在利用先進製程將不同目的處理器(中央處理器: CPU, 圖形處理器: GPU, 類神經處理器: NPU)封裝在一起成為單一晶片做為系統控制, 人工智慧駕馭資料和演算法的運算來源.
在如此小的晶片上(奈米, 埃米)上設計電路是一個挑戰. 剛開始的時候每家晶片設計商當然是使用自己的指令和設計規則各自前進, 這會造成晶片設計工程師會花許多時間在熟悉不同的開發環境. 這個問題後來被米德(Carver Mead)和康維(Lynn Conway)的標準化設計規則和元件庫克服.
另一道難題就是製造晶片時一樣需要高科技的設備將所需線路轉印在有限範圍的矽片上, 今天這個設備就是由荷蘭的艾司摩爾(ASML)獨家供應. 書中有提到當初美國有想過自行開發但美國公司沒有能力設計也沒有意願投資在製造設備上(英特爾等晶片廠)而作罷. 因考慮到國家及商業機密而排除了Nikon和Cannon二家日本公司, 選擇艾司摩爾為主要供應商.
精準打擊?
在冷戰時期, 蘇聯的武器數量是遠大於美國的. 當時以美國安德魯 馬歇爾（Andrew Marshall) 為主的國防部分析師建議, 設計出能夠精準打擊目標的武器是唯一能挽回劣勢的方法. 於是晶片的運算能力就被視為精準度武器的大腦. 在波灣戰爭中, 當使用德儀(TI)晶片的鋪路雷射導引炸彈擊中巴格達電話局的時候, 晶片的威力隨著CNN 24小時播放的畫面讓全世界對戰爭的型態大幅改觀. 值大於量的武器也成為美國軍事部署的方向.
日本SONY(名稱來自sonus, 拉丁語的”聲音”)的盛田昭夫也注意到半導體強大, 但他所想到的是將晶片運用在消費性電子商品上. 他也很幸運取得AT&T的同意授權, 讓他能順利取得授權的原因是因為美國晶片製造商感覺日本技術似乎落後他們很多年, 另外是日本自己知道擅長是設計消費者產品, 不是設計半導體. 於是SONY和SHARP等公司善用日本的低薪資, 利用電晶體設計出許多大賣產品, 例如電子計算機和改變音樂收聽習慣的walkman(隨身聽). 另外讓美國降低戒心的原因是日本公司因為智慧財產權支付了可觀的授權費, 把晶片總銷售額的4.5％給了快捷半導體(Fairchild Semiconductor: 創辦人之一就是摩爾定律的摩爾), 3.5％給了德儀(TI: 張忠謀任職20+年), 2％給了西部電氣(Western Electric: 美國早期頂尖科技公司). 因此日本公司的精準定位讓世界奠定日本消費性電子產品就是品質保證的印象.
一切都跟矽有關?
我們來說下記憶體, 這個也曾經引起美, 台, 日, 韓, 中競爭的小顆粒. 從書中得知, 英特爾(INTEL)創立兩年後, 推出的第一款產品就是DRAM(動態隨機存取記憶體). 相對小, 快又可用於許多不同類型的產品. 英特爾原本想要靠著規模經濟主宰記憶體市場, 但受到日本公司強烈挑戰.
日本公司是如何取得記憶體技術, 書中並沒有著墨太多. 只有片段提到日立的員工透過現金買通顧問公司, 進入到一飛機製造商普惠公司(Pratt & Whitney)拍攝該公司剛安裝的最新電腦內部照片.
但日本政府主導的打群架方式(如下)相較於當時美國獨立作戰, 這是培養出競爭力的事實.
- VLSI計畫: 超大規模積體電路(俗稱半導體或晶片)計劃, 邀請日立、NEC、富士通、三菱和東芝五家公司加入, 整合半導體人才與資源並以超越美國為目標.
- 銀行幫忙: 無限期貸款, 日本記憶體製造商可大量購買昂貴的設備
- 政府保護: 書中提到, 日本公司可以向美國銷售產品. 但矽谷很難在日本搶得市占率. 1974年以前, 日本一直對美國公司可在日本銷售的晶片數量實施配額限制. 即使後來配額限制取消了，日本公司從矽谷購買的晶片仍然很少.
- 美國人自大, 日本人低調: 美國公司認為, 日本人只會拿著相機拍照. 日本人卻推崇美國人會創新, 自己比較擅長實踐.
日本公司真的變成關鍵角色, 我覺得書裡提到的這件事最重要. 惠普(HP)的理查安德森（Richard Anderson)是負責決定哪些晶片符合惠普標準的人, 他說日本公司中, 沒有一家的晶片在最初1000小時的使用中，故障率超過0.02％. 相對的, 美國公司的最低故障率是0.09％, 這表示美製晶片的故障比例是日製晶片的4.5倍. 品質最差的美製晶片故障率是0.26％，是日製晶片故障率的310倍以上。既然美製DRAM晶片的效能一樣，成本一樣，但故障率卻高出許多，那大家何必買美製晶片呢？不過還是因為錢, 日本最後的DRAM廠: 爾必達也被美光併吞.
在日本逐漸搶下記憶體市占率後, AMD, NS (國家半導體), 英特爾陸續退出, 韓國三星李秉喆(從販賣魚乾與蔬菜起家, 後來投入營建、銀行、保險等事業)也躍躍欲試, 剛好韓國政府也把半導體列為關鍵產業提供資金, 同時, 英特爾等公司也樂於與三星合作來降低日本對矽谷的威脅, 又可以削價與日本競爭. 成功讓南韓變成全球重要記憶體晶片的製造中心.
而台灣也曾經想要打入這個市場過, 但限於經濟規模, 售價無競爭力, 一直賠錢沒有成功.
美光(美國的記憶體廠商)的興起是努力降低成本跟日本競價, 又要美國爸爸對日本徵收關稅. 在製程上不斷優化降低成本. 跟日本競爭激烈後, 存活下來並陸續收購其他記憶體廠(TI及台灣華亞科). 今日與韓國三星, SK海力士為世界主要記憶體廠商.
中國是這場戰爭中的插曲, 晉華(福建晉華集成電路)曾經和聯電合作挖角美光團隊加上美光機密資料, 與聯電合作想復刻美光經驗, 經過和美光一連串的訴訟後. 美國政府以禁止美國製造設備進入中國為理由, 將中國製造記憶體的最後一扇門給關上了.
橫空出世的神山?
李國鼎先生, 有遠見的台灣前經濟部長. 他當年計畫在經濟上加強與美國合作. 就是以半導體為主. 因為台灣設立的半導體廠愈多, 除了就業機會增加, 台灣也與美國綁的更緊, 台灣也會愈安全.
1968年, 在政府與他的努力下, 德儀在台灣設廠. 將近20年後(1985年), 李國鼎先生和張忠謀先生第二次碰面(第一次在1968年, 當時他是陪德儀的高層馬克謝弗德拜會李國鼎), 力邀張忠謀回台.談的就是當初”晶圓代工”, 張忠謀先生還在德儀時曾經向高層提出但未被採納, 讓設計與製造分工. 爾後, 張忠謀先生回台後, 台灣政府幫忙找錢, 他找上荷商飛利浦出錢(5800萬美金)出力(生產技術轉移和專利授權). 台積電也在1987年成立, 承諾客戶台積電只會製造不會跨足設計以得到客戶信任. 並與美國晶片設計業密切合作. 所以台積電初期有一半業務來自美國. 當設計與代工分開後, 晶片設計業因為沒有廠運營成本的顧慮, 於是新的晶片設計公司變多. 如同書中所提, 設計的普及與代工的壟斷是一起發生的. 晶片製造的規模經濟需要不斷及不同的產品整合. 生產的晶片量多, 資本投資的成本分攤給更多的客戶, 其製程不斷地改進, 良率因此提升. 沒有人想到, 張忠謀, 台積電, 台灣會有如此的影響力.
書中提到台積電的經營策略不勝枚舉, 這個是我覺得蠻精彩的商模 ”大同盟”.
台積電藉由大同盟戰略可以在技術上領先競爭對手, 因為”它是中立的參與者”, 意思是一個由不同種類公司與台積電所組成的合作關係, 他們有的設計晶片, 有的銷售智慧財產權, 也有生產材料或製造機台. 這些公司中, 許多公司相互競爭, 但沒有一家生產晶圓, 所以沒有一家與台積電競爭. 因此, 台積電可以協調這些公司, 制定多數公司都同意使用的標準. 他們只能照台積電的要求做, 因為與台積電的製程相容, 對幾乎每家公司都非常重要.
半導體決勝點?
中美都想手握半導體供應鏈的控制權, 尤其疫情過後更為明顯, 從車用晶片, EUV設備到最近的先進製程元件短缺. 我從書中看到各國在這場科技戰所採取的戰略如下.
- 中國
從2015年, 紫光的趙偉國親自訪台開始, 就計畫購買台積電的股份(25%), 並想合併聯發科與紫光的晶片設計事業. 雖然台灣的外商投資規定, 這兩筆交易是不合法, 但趙偉國返回中國後, 建議中國政府, 如果台灣不鬆綁法令, 就應該禁止進口台灣的晶片. 雖然因政府推遲而無疾而終但當時台積電與聯發科都還很依賴中國市場所以承受了不小的壓力.
隨後, 華為任正非從主導網路傳輸設備最新技術及市場開始, 後來自研發海思晶片並在台積電製造。華為雖未完全的自給自足, 但它已證明自己有世界級的實力.
最後讓美國感覺芒刺在背的還是AI, 就如書中提到, 喬治城大學的班．布坎南（Ben Buchanan)教授指出, 除了運算力外, 中國在資料和演算法的競爭力與美國不相上下.
- 美國
美國眾議院議長裴洛西2022年訪台, 拜訪台灣蔡英文總統及張忠謀先生. 表達歡迎台積電在美設廠, 隨即美國拜登總統簽署了國會通過的”晶片與科學法案”:
- 投資520億美元激勵晶圓製造業在美國設廠.
- 任何接受該法資助的公司, 都不得在中國設廠, 只有低技術的晶片廠是例外(需美政府審核). 三星, 台積電, 美光, 英特爾等公司都在中國經營晶圓廠或組裝廠. 所以美國政府等於要求他們在中國與美國之間做出選擇.
- 出口管制, 禁止出貨超過某個技術門檻的GPU到中國, 輝達因此調整晶片設置, 也阻止壁仞(壁仞科技(Biren), 中國GPU晶片設計公司)可以把晶片繼續交由台積電代工.
- 禁止出口美製16奈米以下製程的晶片製造設備到中國（日本, 荷蘭陸續宣布加入制裁行列)
雖然張忠謀先生曾跟裴洛西說, 美國重建國內晶圓代工業註定會失敗, 也在亞利桑那州的的晶圓廠開幕(第一座: 2025上半年開始生產, 4奈米製程)典禮上, 表達美國建立晶圓廠是一個”夢”並表達此投資案是在“美國政府的敦促下”進行的. 但美國政府不認同且設下重重護欄在”晶片與科學法案”中.
英特爾的策略是, 晶圓代工部份讓三星與台積電競爭為晶片設計部門生產晶片並為英特爾爭取更好的價格及市占率(晶片設計也要趕上輝達及AMD). 另一方面, 必須縮小與三星及台積電之間的技術落差, 讓英特爾在美國與歐洲新廠擁有先進製程的競爭力.
- 韓國
韓國政府與三星”團隊合作”, 韓國政府挹注投資, 三星加快新先進製程步伐並在德州奧斯丁擴廠來安撫美國政府並代工美國政府及基礎建設所需的敏感晶片.
- 日本
最近很多熊谷的新聞, 都是和台積電與SONY合作設立新晶圓製造廠有關. 日本提供台積電巨額補貼, 其實對SONY幫助有限, 因為關鍵技術還是在台積電手上. 日本政府主要是擔心台積電積極培養並引入台灣供應鏈, 日本會慢慢失去供應鏈中強勢地位(機台與先進材料).
- 歐洲
積極的說服台積電, 英特爾等大型的外國晶片公司進駐, 為歐洲的汽車製造商提供穩定的供貨. 台積電的計畫是成立歐洲半導體製造公司(台積電德勒斯登廠), 台積電持股七成, 博世、英飛凌及恩智浦半導體, 分別占股一成.
後話:全球化 vs 台灣化
在科技發展上, 美國一直以來採取的方式是”跑得比別人快”, 沒想到半導體製造卻讓美國失去龍頭位置. 新冠肺炎效應更讓這個問題浮出檯面. 矽谷的研發總部與全球化的部署在疫情期間獲利依然亮眼而且工作可動態轉移, 但半導體的短缺在後疫情時代的影響(消費性產品, 汽車, 家電產品等), 讓美國注意到半導體的全球化, 可讓世界停擺. 尤其是台灣的晶片廠與大陸的組裝廠. 美國也重新擬定新的法令來維持強權地位. 書中指出, 雖然中國對台發生戰爭機率低, 但中國一封鎖台灣海峽, 對美國經濟及政治上也是災難.
雖然台積電可以跟隨政府政策到各國建廠. 但台積電的員工能力是否可複製, ASML設備與應材的材料是否可即時支援, 英特爾與三星的先進製程能力是否能跟上台積電. 這些差異都會撼動世界經濟. 因為晶片在生活上無所不在, 無法忍受片刻的停擺.