台积电三星独大 高端芯片制造更“贵”了

1月23日，《经济学人》刊发两篇芯片相关文章，探讨芯片行业的发展趋势。本文为其中一篇，原文标题为“新构架——芯片制造在被重构，影响深远”。观察者网特此编译全文，谨供读者参考。

【文/经济学人】

1月13日，日本汽车制造商本田表示，其不得不暂时关闭位于英国南部小镇斯温顿（Swindon）的工厂。不是因为英国脱欧，也不是因为有员工感染了新冠病毒，而是因为缺乏芯片。其他汽车公司也在挣扎。大众汽车是汽车生产量最大的公司，其已表示受芯片短缺影响，本季度的产量将减少10万辆。和现在所有东西一样——从银行到联合收割机——汽车也离不开计算机。

芯片制造业正在蓬勃发展。全球上市的半导体公司市值现在超过4万亿美元，是五年前的四倍(见图1)。在新冠大流行期间，随着工作转移到网上，消费者转向直播和电子游戏，芯片制造商股价飙升。

图1膨胀的全球半导体产业市值。截图自《经济学人》，数据来源：彭博社；麦肯锡咨询公司；经济学人（下同）

这推动了一波交易浪潮。今年9月，为游戏和人工智能设计芯片的英伟达（Nvidia）表示，将斥资400亿美元收购总部位于英国的ARM，ARM的设计几乎可见于所有智能手机。今年10月，设计制作图形和通用芯片的AMD宣布了另一笔巨额交易——以350亿美元收购可再编程芯片制造商赛灵思（Xilinx）。

硅“极奢”

资本支出也在增加。韩国三星集团计划未来十年内投资1000多亿美元在芯片业务（尽管其中一部分将不是用在微处理器、而是闪存驱动器等产品中的存储芯片上）。1月14日，替AMD和英伟达等公司将设计蓝图转化为实体晶片的台积电（TSMC）在强劲的预期需求驱使下，将2021年的计划资本支出从172亿美元增加到280亿美元，震惊市场。这堪称世上所有私人公司的最高预算之一。

所有这一切都发生在芯片制造业“洗牌”的大趋势之中。一方面，这个行业充满了竞争和创新。老牌芯片设计商，包括AMD、英伟达（Nvidia）和全球营收最高的芯片制造商英特尔（Intel），正在受到新晋者的挑战。亚马逊和谷歌这些网络巨头都曾是他们的大客户，现在亚马逊、谷歌也在打造自己的芯片设计。一批初创企业也加入了亚马逊、谷歌的行列，热切地投身于解决人工智能、网络或其他专用硬件的需求。

如果不是因为在产业链另一端——那些将设计转化为蚀刻在硅片上的电子电路的芯片工厂正在发生的事情，这一切对每个人来说都应该是好消息。追赶技术发展导致的成本不断膨胀，意味着芯片设计虽然百家争鸣，具有实际生产能力的芯片制造企业数量却在不断萎缩（见图2）。世界上只有三家公司能够制造高端处理器：英特尔、台积电和韩国三星。美国半导体工业协会估计，目前全球80%的芯片制造产能在亚洲。

图2锐减的芯片制造企业数量

这一先锋梯队可能很快就会减少到两名成员。在过去30年里，英特尔一直试图在推进其在行业的领先地位，如今却步履蹒跚。1月18日的新闻报道显示，英特尔可能会开始将部分芯片生产外包给已经超越它的台积电。

世界经济的基础产业似乎正在进一步两极分化，进入更大的设计泡沫和更加集中的生产。这种新架构对芯片制造商及其客户都有着深远影响——在当今时代，几乎所有人都是芯片的客户。

投资一开始是分散的。多年来，科技公司都是购买现成的芯片。在苹果公司44年的历史中，苹果为自家的台式机和笔记本电脑采购过MOS Technology、摩托罗拉、IBM和英特尔的微处理器。然而，2007年第一代iPhone发布后不久，苹果公司就决定“单干”。后来iPhone都采用了自己设计的芯片，这些芯片先是由三星代工生产，后来又由台积电代工生产。事实证明，这种方法非常成功，于是苹果公司在2020年宣布，将其台式Mac电脑上英特尔产品替换为苹果定制产品。

两年前，电商巨头亚马逊的云计算部门亚马逊云计算服务（Amazon Web Services）开始用自己的“Graviton”设计取代亚马逊数据中心中的一些英特尔芯片。亚马逊声称其芯片的成本效益比英特尔的高出40%。大约同一时间，谷歌开始向其云客户端提供定制的“张量处理单元”（TPU，Tensor Processing Unit）芯片，该芯片旨在提高人工智能计算能力。中国搜索巨头百度声称，其“昆仑”人工智能芯片性能超过了英伟达（Nvidia）产品。微软据传也在研发自己的芯片设计。

在这个领域，聪明的初创公司能稳定获得10亿美元级别的估值。一家设计人工智能芯片的美国公司Cerebras已经赚到12亿美元。与微软合作的英国人工智能芯片公司Graphcore去年12月估值为28亿美元。1月13日，以设计智能手机芯片而闻名的高通公司，以14亿美元收购了NUVIA——一家由苹果内部芯片设计团队的资深员工组成的初创公司。

十年前，“定制硅产品”仍是一个不确定的命题。得益于摩尔定律（Moore 's law，英特尔创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，称集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍），“通用芯片”（对应“专用芯片”）的性能得到了迅速改善。今天，纳米级原件受基础物理的限制，摩尔定律被打破。研究公司Linley Group的负责人林利·格温纳普（Linley Gwennap）指出，现在晶体管数翻番的时间需要近三年，而且改进后的收益较过去也更少。

这使得通过调整设计来维持业绩增长更具吸引力，尤其是对纵向整合的大型公司而言。没有谁比苹果更清楚其芯片如何与iPhone的其他硬件和软件交互。云计算巨头拥有大量关于他们的硬件如何使用的数据，并可以调整他们的设计以相适应。

过去，自己设计芯片意味着自己制造芯片，但现在不一样了。如今，大多数设计者都将制造流程外包给台积电或美国GlobalFoundries等专业公司，消除了拥有工厂的必要性，大大降低了成本。大量的自动化工具使得芯片设计过程变得顺利。“这可不像在Etsy上设计一件定制t恤那么简单。”芯片行业分析机构Future Horizons的负责人马尔科姆·佩恩（Macolm Penn）称。不过，这也不是难出这个世界之外的事情。

虽然现在设计芯片比以往任何时候都更容易，但制造芯片却从未如此艰难。要跟上摩尔定律，即使其速度放慢了，也需要在芯片工厂建设方面投入大量资金——并且投资额还在不断上涨——这些工厂配备了超先进的设备：等离子蚀刻机、蒸汽沉积机以及180吨重、双层巴士大小的光刻机。芯片制造的资本支出在总收入中所占比重下降过之后，又开始回升（见图3）。可以绝对地说，高科技“晶圆厂”（芯片工厂）的成本一直在持续增长，而且看不到尽头。

图3芯片行业资本支出在下降过后，再度开始回升。截图自《经济学人》数据来源：Future Horizons

今天最先进的技术是5纳米芯片（尽管“5纳米”不再像前几代人那样指晶体管的实际尺寸）。三星和台积电都在2020年开始大量生产5纳米芯片，其“接班人”3纳米芯片将于2022年问世，而2纳米“接班人”将在几年后问世。

局外的英特尔

进入千禧之年，一家尖端工厂可能要花费10亿美元。管理咨询公司麦肯锡（McKinsey） 2011年的一份报告指出，一家先进晶圆厂的通常成本为30-40亿美元。最近，台积电2020年在台湾南部建成的3纳米制程工厂耗资195亿美元。台积电已经在考虑2纳米芯片，其耗费的投资肯定会更高。英特尔的步履蹒跚使其被孤立在10nm业务之中，其老板鲍勃·斯旺（Bob Swan）也因此丢了工作，其继任者帕特·格尔辛格（Pat Gelsinger）将需要决定公司是否要继续生产芯片。与台积电不同，英特尔也设计自己的芯片。潜在的新入围者面临着超高的门槛。每有一项技术进步，晶圆厂的经济效益就会将入围门槛推得更高。

并非所有的芯片制造都需要尖端的制造技术。汽车大多使用“老式愚钝”一些的半导体芯片。在场地宽敞的数据中心，微型化似乎也不是必须的。但有一点至关重要：有些运算只有最强大的芯片才能处理。

随着硅越来越普及于超级互联的“物联网”的中各种产品，从恒温器到拖拉机，对最强芯片的需求可能还会增长。在它们之中，台积电和三星的客户已经是大科技公司——苹果、亚马逊、谷歌、英伟达、高通（如果新闻报道属实，英特尔很快也会加入）的“座上宾”。随着汽车等产品变得更加电脑化和电动化，汽车使用的芯片也将变得更加先进。美国电动汽车制造商特斯拉已经在依靠台积电的7nm晶圆厂来生产自己的自动驾驶芯片。

由于三星和台积电都对对方保持警惕，亚洲纳米领域的“双头垄断”竞争仍然激烈。自2005年以来，这家台湾企业的营业利润率基本保持稳定，当时尚有15家公司在这一领域处于领先地位。但制造成本无情上涨的逻辑终点在于，在某个时候一家企业——很可能是台积电——可能会成为最后一家屹立不倒的先进晶圆厂。据一位业内资深人士说，多年来，科技公司的老板们大多无视了这个问题，并希望该问题自动消失。但这并没有发生。

而该行业日益增加的政治筹码加剧了这种担忧。作为对中国发动的经济战的一部分，美国一直试图阻止中国企业发展自行建造先进芯片工厂的能力。为了在2025年前实现关键技术的自给自足，中国已经把半导体放在其数十亿美元计划的核心位置——尤其是美国的制裁阻碍中国从外国进口芯片之后。

集中程度提高这一现状背后的结构性力量，将持续存在。美国担心失去最先进的芯片工厂，于是向台积电发放补贴，以换取其在亚利桑那州建设晶圆厂。三星可能会扩大自己在得克萨斯州的业务。另一套补贴和激励措施正在等待国会的拨款。欧盟在比利时和荷兰拥有大量的高科技设备，并且还想要更多。12月17日，欧盟成员国同意在新冠大流行之后投入数百亿美元的刺激资金，试图在2020年之前创建先进的芯片工厂。芯片行业的发展历史表明，随着时间的推移，这些投资金额只会变得越来越令人瞠目结舌。