透视台积电:芯片代工的超级工程如何拔地而起

商业



今年是台积电成立35周年,由于疫情,官方并没有举办盛大的庆祝活动。创始人张忠谋言简意赅地概括了公司的成就:如果成立时就买入台积电股票,如今能赚1000倍。


35年1000倍背后,见证了世界上规模最大的半导体制造厂的崛起。


《时代杂志》曾这样描绘台积电精准而有序的运转:每一天,在位于新竹县的白色四方的总部内,穿着鲜艳防护服的技术人员——员工蓝白色,承包商绿色,孕妇则是粉色——都会在淡黄色的防护灯下推着抛光的金属手推车。


他们头顶上,负责搬运的天车系统(OHT)在数百个机台之间将装有25个独立硅片(晶圆)的9公斤前开式晶圆传送盒(FOUP)拖到轨道上,在那里将它们一个一个地提取出来处理,很像自动点唱机选择记录。经过六到八周的蚀刻和测试后,每个晶圆才能被分割成单独的芯片,然后分发到地球上各个地方[8]。


全球前五大晶圆代工厂中,台积电营收遥遥领先。2021年的营收比身后四位(三星、联电、格芯、中芯)加起来还多。这一年,台积电提供了291种不同的制程技术,为535个客户生产12302种不同产品,占全球半导体产值的26%。


放眼全球,或许没有任何一家公司能深刻的影响整个产业链的波动,以及一个地区的发展。


2021年,台积电员工生的宝宝占中国台湾新生儿1.7%——每100名新生儿中,约有2位“台积电制造”。



台积电对台湾地区GDP影响超13%



台积电超强的地位,也成功带动台湾省经济的发展。并且这种影响还在扩大,据台积电最新披露的数据,其营收22年上半年同比增长43.5%。




一个名副其实的耗电大户



芯片代工是绝对的耗电大户。


EUV光刻机重量达180吨,需要0.125万千瓦的电力,来维持250瓦的功率。台积电仅EUV光刻机便有30台,如此算来,一天耗电就是90万度。为了防止温度过高,还需要设置庞大的水冷系统。


同时,芯片制造对于电力的稳定性要求极高,一颗芯片的生产有几百道工序,一旦出现电压不稳定或断电,可能就是数千万美元的损失。




总用水量可以装满92.4个水立方



芯片制造同时也是用水大户,2020年,单是台积电一个公司的日均耗水量,就相当于天津市居民每天九分之一的耗水量。


另外,芯片制造需要使用干净程度为自来水1000倍的超纯水。晶圆厂需要用上1400至1600加仑自来水,才可能转化为1000加仑的超纯水[9]。



分开来看,用水量排名前三的工厂分别位于新竹科学园区,南部科学园区以及中部科学园区。



2021年,台湾岛遭遇了半个世纪以来最严重的干旱。为了确保半导体产业能正常用水,台湾地区采取了多种措施,比如停止了对7.4万多公顷农田的灌溉,又比如每周抽两天,暂停对三个市县居民和企业供水。


为了解决用水,台积电与高雄市政府合作建厂,预计2026年每天可供应3万吨再生水,供台积电使用。


水处理和回收是台积电节水的重要一环,当前台积电所使用的水源中,85%-90%都是再生水。台积电的工业废水回收率达86%,每滴水的使用率则超过350%。


也就是说,平均每滴水,都被台积电使用了3.5次[9]。



台积电人均薪酬跑赢了90%的台湾人,而且赢两次



在全球缺芯的背景下,半导体厂家业绩大涨,员工薪资福利也水涨船高。2021年,台湾地区上市半导体公司平均的员工年薪约为46.02万元,相比前一年增长了22.8%。


排名前十的半导体厂商当中,九家都是半导体设计厂商,前三分别是瑞鼎、联咏以及联发科。它们员工的年薪都在百万元以上[7]。晶圆代工厂台积电在其中只排在第19位,台积电员工的人均工资只是榜首公司的一半。


即便比上不足,比下却绰绰有余。




台积电每两个员工就有一个研究生



芯片制造要用电、用水,也要用人才。


三星从台积电挖角梁孟松,全程专机接送,效果立竿见影:梁孟松在三星牵头FinFET工艺的研发,顺利攻克14nm量产。而当梁孟松转投中芯国际后,三个季度就实现了14nm技术突破,核心就在于制造工艺的切换。


台积电创始人张忠谋曾是德州仪器的“三号首长”,他的同事是制造全世界第一块芯片的电气工程师杰克·基尔比。


为了留住人才,台积电每年4月都会进行年度例行性调薪,由于通胀和芯片短缺,台积电今年平均调薪幅度将达8%,吊打通胀不说,与往年平均调涨3-5%幅度相比还高出一截[10]。




硕士毕业能入职台积电,那还读什么博士



虽然台大化学系研究生在扩招,但却没人愿读博士了。


在台大化学系,硕士生一毕业,就有将近9成进入台积电成为制程工程师,年薪百万新台币,谁还三年又三年?


台大的博士学生数量在2012到2020年之间,减少了15%,但硕士生的数量却一直在增加。同一时期,化学系博士生每年新生注册数从32人减少至15人,少的这一半都得怪台积电——它给的实在太多了。




股价一跌,高管一年白干



魏哲家1988年加入台积电,在加入台积电以前,是新加坡特许半导体的副总,技术实力一流。在台积电的23年里,掌管过8寸晶圆厂,技术部,业务部,如今官至总裁。


2021年,魏哲家的薪酬是台积电薪酬中位数的194倍。



台积电为了使高管与公司利益更加一致,强制规定高管强制持股,并且持股价值为其薪资的倍数。一旦公司市值下滑,高管很可能一年白干。



高管人人是股东的办法,果然是高。



研发支出超中芯国际7.3倍



在台湾地区全体制造业公司的研发开支中,台积电一家的开支就占据约20%,即便放在A股,台积电的研发支出也高的可怕。


与半导体设计企业主要人员为研发人员的情况相比,台积电这样的半导体制造企业,很多员工是产线上的基层员工,但这并不意味着技术含金量的缺失。


比如台积电目前正在研发的3nm,精细程度堪比在头发丝的宽度上雕刻出清明上河图。


3nm工艺晶体管密度达到了破天荒的2.5亿/mm²,是7nm的3.6倍。这个密度形象化比喻一下,就是将奔腾4处理器缩小到针头大小。3nm工艺代工的芯片,晶体管的理论密度较5nm工艺将提升70%,运行速度将提升15%,能效将提升30%。



目前,台积电全球专利总数超50000件,是我国科研院所专利持有量排名前7名的总和。




生产晶圆面积能铺满140.5个足球场



晶圆是最常用的半导体材料,晶圆越大,同一圆片上可生产的集成电路就越多,从而也降低了成本。


对于14nm以下的制程,目前最佳的尺寸就是12寸。所以12寸晶圆对高端芯片的意义重大,掌握12寸晶圆制造加工技术的企业理所当然地就成为了高端芯片的最大受益者。




账面现金能买300架空客,资本开支是中芯国际的七倍



台积电的庞大同样体现在其资产上。


由于制造工艺持续迭代,台积电也需要持续购买新的设备,建设新的产线。芯片代工就是一个花的多赚的多的金钱游戏。





中立的超级工程



台积电的崛起有四重因素作用:美国加州伯克利的人才、德州仪器的管理、IBM的技术授权、以及美国芯片公司的订单。


而它的高速发展则取决于张忠谋强调的“中立的服务理念,赢得伙伴信任”,台积电既不做芯片设计,也不涉足终端产品,而是将庞大的资本开支义无反顾的投向制造工艺的进步。


然而,当半导体供应链开始和国际形势挂钩,大洋两岸犬牙交错的势力开始碰撞时,台积电还可以若无其事的左右逢源吗?


[1] 台积电2021年年报

[2] 台积电2021年永续报告书

[3] 2021年科研院所专利榜单,高沃知识产权

[4] 台大化学教授高喊废除硕士班,天下杂志

[5] 你所不知道的刘德音、魏哲家,远见

[6] 2021年年报A股上市公司固定资产合计TOP50排行榜,报告大厅

[7] 台湾地区76家半导体上市公司平均薪资曝光,芯智讯

[8] Inside the Taiwan Firm That Makes the World’s Tech Run,Time

[9] 台湾地区旱情严重,传台积电耗巨资预订上百辆水车拉水,观察者网

[10] 台积电为留才放大招,芯智讯


编辑:周哲浩

视觉设计:远川设计部

责任编辑:周哲浩

研究支持:张泽一、刘芮


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本文来源:远川研究所(微信公众号)