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隨著全球持續(xù)應(yīng)對(duì)芯片短缺，芯片制造商中的一家安靜的巨頭已承諾在三年內(nèi)投資 1000 億美元以提高產(chǎn)量。

臺(tái)積電可能不是家喻戶(hù)曉的名字，但市值超過(guò)5500億美元，是全球市值最高的10家公司之一。現(xiàn)在，它正在利用其可觀的資源將世界上最先進(jìn)的芯片制造帶回美國(guó)本土。

CNBC 獨(dú)家參觀了位于亞利桑那州鳳凰城外的價(jià)值 120 億美元的制造工廠或晶圓廠，臺(tái)積電將于 2024 年開(kāi)始生產(chǎn) 5 納米芯片。該公司表示，它將每月生產(chǎn) 20,000 片晶圓。

“這些部件將用于許多不同的地方：CPU、GPU、IPU 等。它們將用于智能手機(jī)，”Rick Cassidy 告訴 CNBC。Cassidy 是臺(tái)積電的首席戰(zhàn)略官，也是臺(tái)積電亞利桑那州項(xiàng)目的總裁兼首席執(zhí)行官。

從手機(jī)到 F-35 戰(zhàn)斗機(jī)，再到NASA 的毅力漫游者火星任務(wù)，都需要用到臺(tái)積電制造的各種關(guān)鍵部件。本月早些時(shí)候，它宣布計(jì)劃在日本建立一家新工廠，在那里生產(chǎn)采用舊技術(shù)的芯片，用于家用設(shè)備和某些汽車(chē)零部件。臺(tái)積電還是Apple目前市場(chǎng)上每部 iPhone 和大多數(shù) Mac 電腦中最先進(jìn)芯片的獨(dú)家供應(yīng)商。

“但就終端市場(chǎng)而言，它們?nèi)匀惶幱诤笈_(tái)。因此，當(dāng)一款新手機(jī)問(wèn)世時(shí)，Apple 會(huì)獲得所有贊譽(yù)，”Semico Research 制造部董事總經(jīng)理 Joanne Itow 說(shuō)。

“我們很低調(diào)。我們讓我們的產(chǎn)品不言自明。他們的成功帶來(lái)了我們所期望的所有業(yè)務(wù)，”Cassidy 說(shuō)。

美國(guó)是先進(jìn)芯片的發(fā)源地，但幾十年來(lái)，它的市場(chǎng)份額一直在流失到亞洲，據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì) SEMI 稱(chēng)，2020 年全球 79% 的芯片生產(chǎn)發(fā)生在亞洲。它計(jì)算出美國(guó)去年占全球芯片制造業(yè)的 12%，低于 1990 年的 37%。

臺(tái)積電耗資 120 億美元的 5 納米芯片制造廠

據(jù)該公司稱(chēng)，僅臺(tái)積電就占 2020 年全球半導(dǎo)體產(chǎn)量的 24%，高于 2019 年的 21%。研究機(jī)構(gòu)凱投宏觀 (Capital Economics) 的數(shù)據(jù)顯示，在最新款 iPhone、超級(jí)計(jì)算機(jī)和汽車(chē) AI 中使用的最先進(jìn)芯片方面，臺(tái)積電占了 92%，而三星則占了 8%。

“它在前沿芯片制造幾乎成為壟斷，所有這些制造業(yè)務(wù)，大部分都在臺(tái)灣新竹進(jìn)行。Susquehanna的高級(jí)半導(dǎo)體分析師克里斯托弗·羅蘭 (Christopher Rolland) 表示，這對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的問(wèn)題，這不僅是美國(guó)，而是整個(gè)西方世界。

除了尖端的 3 納米和 5 納米芯片外，臺(tái)積電還為電動(dòng)牙刷和咖啡機(jī)等產(chǎn)品生產(chǎn)更大的芯片。汽車(chē)通常使用不太先進(jìn)的 28 到 40 納米芯片。所有類(lèi)型的芯片都受到短缺的影響。包括通用汽車(chē)和豐田在內(nèi)的汽車(chē)制造商已暫停部分工廠的生產(chǎn)。蘋(píng)果可能會(huì)大幅削減 2021 年iPhone 13 的生產(chǎn)目標(biāo)，部分機(jī)型的訂單將推遲一個(gè)多月。

世界上第一家純代工廠

當(dāng)Morris Chang在1980年代首次提出臺(tái)積電的想法時(shí)，投資者持懷疑態(tài)度。張出生于中國(guó)大陸，曾就讀于哈佛、麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)，在德州儀器工作25 年后移居臺(tái)灣。在那里，政府要求他創(chuàng)建一家將成為世界領(lǐng)先者的臺(tái)灣半導(dǎo)體公司。他的想法是：只專(zhuān)注于制造——現(xiàn)在被稱(chēng)為純代工廠。

“當(dāng)你只專(zhuān)注于一件事時(shí)，你就會(huì)把一件事做得非常好，”Cassidy說(shuō)，他在 23 年前加入臺(tái)積電，他形容與張的長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的會(huì)面令人著迷。

Chang 押注于尚不存在的需求。當(dāng)他于 1987 年創(chuàng)立臺(tái)積電時(shí)，英特爾和德州儀器等巨頭以設(shè)計(jì)和制造自己的芯片而自豪。當(dāng)時(shí)業(yè)界有句傳奇的說(shuō)法是“真男人有晶圓廠”。

“當(dāng)張忠謀出去尋求資金時(shí)，他去了許多你認(rèn)識(shí)的知名公司，他們告訴他們，Morris ，你的想法不會(huì)落地。如果你把它從地面上拿下來(lái)，它就無(wú)法擴(kuò)展。’”

但隨著芯片變得越來(lái)越復(fù)雜，制造它們成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。分析人士說(shuō)，今天建造晶圓廠至少需要兩年時(shí)間和 100 億美元。它已經(jīng)成為幾乎不可能，即使是如英特爾，英偉達(dá)，博通，高通，AMD 等大芯片公司，也無(wú)法做到這一切。例如，英特爾仍在設(shè)計(jì)和制造自己的芯片，但近年來(lái)已經(jīng)落后于三星和臺(tái)積電，現(xiàn)在依靠臺(tái)積電來(lái)制造一些芯片。

“如果你是一個(gè)聰明的設(shè)計(jì)師，隨著 TSMC 的出現(xiàn)，你第一次不必?fù)碛袛?shù)十億美元和一個(gè)晶圓廠，”羅蘭說(shuō)。

現(xiàn)在，芯片制造的每個(gè)主要步驟通常由單獨(dú)的公司處理。一些，例如 Arm 和MIPS，專(zhuān)注于 IP 和架構(gòu)，提供設(shè)計(jì)芯片的核心構(gòu)建塊。然后是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司，如Cadence和Synopsys，它們編寫(xiě)用于設(shè)計(jì)芯片的軟件。只有一家公司ASML制造了價(jià)值 1.8 億美元的極紫外光機(jī)器，用于將設(shè)計(jì)蝕刻到最先進(jìn)的芯片中。然后是設(shè)計(jì)芯片的大獲成功的無(wú)晶圓廠公司，例如蘋(píng)果、高通、英偉達(dá)等等。

ASML 的極紫外光機(jī)器

隨著這些無(wú)晶圓廠公司的騰飛，臺(tái)積電發(fā)現(xiàn)自己在飛輪上制造越來(lái)越多的世界芯片。

“這讓 [TSMC] 不僅趕上了，而且在我看來(lái)，超越了英特爾，成為地球上世界上最偉大的制造技術(shù)，”羅蘭說(shuō)，“就市值而言，它是全球前 10 名最有價(jià)值的公司之一。”

臺(tái)積電于1994年首次在臺(tái)灣證券交易所上市，并于1997年成為第一家在紐約證券交易所上市的臺(tái)灣公司。到 2000 年代，它已經(jīng)趕上了當(dāng)時(shí)制造最先進(jìn)芯片的 20 家左右的其他公司。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的公司落在了后面。今天，只有兩家制造商可以制造最先進(jìn)的 5 納米芯片：臺(tái)積電和三星。

2013年，蘋(píng)果開(kāi)始依賴(lài)臺(tái)積電為iPhone生產(chǎn)A系列芯片，擺脫對(duì)手機(jī)直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星的依賴(lài)。今天，市場(chǎng)上的每部 iPhone 都有一個(gè)臺(tái)積電芯片。蘋(píng)果也離開(kāi)了英特爾，現(xiàn)在依靠臺(tái)積電來(lái)制造大多數(shù) Mac 內(nèi)部的芯片。

2018 年，86 歲高齡的張作為臺(tái)積電董事長(zhǎng)退休。他激進(jìn)的純代工理念繼續(xù)獲得回報(bào)。隨著明年在臺(tái)灣開(kāi)設(shè)新晶圓廠，臺(tái)積電正在與三星競(jìng)爭(zhēng)制造全球首款 3 納米芯片——英特爾計(jì)劃在 2025 年實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

將 5 納米帶到美國(guó)

目前，美國(guó)沒(méi)有一家晶圓廠可以制造 5 納米芯片。但臺(tái)積電正在改變這種狀況。

“如果你想要更多的產(chǎn)能，你就必須建造更多的晶圓廠。這就是我們搬到美國(guó)的原因之一，”Cassidy說(shuō)。“我們的客戶(hù)希望我們?cè)诿绹?guó)，美國(guó)政府希望我們?cè)谶@里。”

臺(tái)積電技術(shù)總監(jiān) Tony Chen 帶著 CNBC 參觀了正在建造一座 230 萬(wàn)平方英尺的四層晶圓廠的現(xiàn)場(chǎng)。在臺(tái)積電工作的 23 年里，陳先生領(lǐng)導(dǎo)了其他 17 個(gè)晶圓廠建設(shè)項(xiàng)目。

“這個(gè)項(xiàng)目被設(shè)計(jì)成一個(gè) 5 納米晶圓廠。實(shí)際上，這是我們?cè)谂_(tái)灣的晶圓廠的復(fù)制，”陳說(shuō)。

在那里，世界上最大的起重機(jī)之一正在被提升到 200 英尺的全高。這臺(tái) 2,300 噸的起重機(jī)由 153 輛半卡車(chē)運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)�，F(xiàn)場(chǎng)主管吉姆·懷特 (Jim White) 表示，自 4 月開(kāi)始施工以來(lái)，承包商已搬運(yùn)了近 400 萬(wàn)立方碼的泥土，并使用了超過(guò) 2.6 億加侖的水。

建造晶圓廠和制造芯片需要大量的水，而不是沙漠中的豐富資源。亞利桑那州最大的水源是地下水，但大型農(nóng)場(chǎng)的深井用水速度快于自然補(bǔ)充。陳說(shuō)，臺(tái)積電每天需要大約 470 萬(wàn)加侖的水來(lái)支持生產(chǎn)。

臺(tái)積電對(duì)缺水并不陌生。他們?cè)谂_(tái)灣正面臨 56 年來(lái)最嚴(yán)重的干旱威脅，臺(tái)積電表示這并未影響生產(chǎn)。臺(tái)積電表示，在亞利桑那州，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)水處理中心將回收高達(dá) 90% 的工廠用水。

“最終，在提供反滲透和其他技術(shù)解決方案后，這些水將與鳳凰城合作重新注入含水層，”大鳳凰城經(jīng)濟(jì)委員會(huì)總裁兼首席執(zhí)行官克里斯卡馬喬說(shuō)。他幫助談判了將該項(xiàng)目帶到亞利桑那州的交易。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是，大多數(shù) 5 納米專(zhuān)家都位于亞洲。為了解決這個(gè)問(wèn)題，臺(tái)積電的學(xué)術(shù)關(guān)系經(jīng)理 Roxanna Vega 表示，該公司正在從臺(tái)灣引進(jìn)一些頂級(jí)專(zhuān)家。

“他們被視為他們?cè)谖覀兡沁叺木A廠所做工作的主題專(zhuān)家，”Vega 說(shuō)。“這將是一個(gè)臨時(shí)任務(wù)……兩年，也許三年。”

臺(tái)積電表示，它已經(jīng)向臺(tái)灣派遣了 250 多名美國(guó)新員工，做為期 12 至 18 個(gè)月的培訓(xùn)，以加快工廠推進(jìn)速度。

“在我們位于臺(tái)灣的 5 納米超級(jí)工廠中進(jìn)行培訓(xùn)，目的是讓他們深入了解亞利桑那州的工具、機(jī)械和一切將有多么巨大和最先進(jìn)，”Vega說(shuō)。

多元化是臺(tái)積電將先進(jìn)制造帶到美國(guó)的關(guān)鍵原因。

“臺(tái)灣在模擬半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面不是很好，通過(guò)搬到美國(guó)，你將能夠接觸到更多的模擬設(shè)計(jì)師，”羅蘭說(shuō)。

臺(tái)積電工人走在臺(tái)灣一家芯片制造廠的走廊上

臺(tái)積電的 12 座晶圓廠大部分位于臺(tái)灣和中國(guó)大陸，這使世界容易受到自然災(zāi)害造成的潛在放緩影響，包括當(dāng)?shù)啬壳暗母珊祷蛟摰貐^(qū)的地緣政治緊張局勢(shì)。然而，一些專(zhuān)家將臺(tái)積電稱(chēng)為臺(tái)灣與中國(guó)關(guān)系緊張的“硅盾”。

“媒體對(duì)這種情況描繪了一幅非常黯淡的圖景，”羅蘭說(shuō)，“但我實(shí)際上要樂(lè)觀得多——部分是因?yàn)檫@種半導(dǎo)體屏蔽的想法，因?yàn)榇箨懞团_(tái)灣之間的這種互利關(guān)系本身。中國(guó)目前的領(lǐng)先制造需要它們。”

美國(guó)還嚴(yán)重依賴(lài)來(lái)自臺(tái)灣的芯片——這是政府努力說(shuō)服臺(tái)積電將其技術(shù)帶到臺(tái)灣的一個(gè)關(guān)鍵原因。

“亞利桑那州有許多計(jì)劃，包括合格設(shè)施稅收抵免和優(yōu)質(zhì)工作稅收抵免，這確實(shí)是幫助降低運(yùn)營(yíng)成本的激勵(lì)措施，”Camacho說(shuō)。“除此之外，鳳凰城還提供了 2 億美元的基礎(chǔ)設(shè)施配套，幫助臺(tái)積電獲得供水和所需的額外基礎(chǔ)設(shè)施。”

拜登政府也提出了520億美元補(bǔ)貼計(jì)劃，推動(dòng)更多如臺(tái)積電等企業(yè)來(lái)美國(guó)落戶(hù)。

行業(yè)報(bào)告估計(jì)，美國(guó)政府投資 500 億美元將在未來(lái) 10 年內(nèi)在美國(guó)建設(shè) 19 座晶圓廠，有效地使國(guó)內(nèi)芯片制造能力翻番。

隨著短缺的繼續(xù)，類(lèi)似的投資正在世界各地發(fā)生。行業(yè)協(xié)會(huì) SEMI 預(yù)計(jì)，到 2024 年，將有 72 座新晶圓廠或大型擴(kuò)建工廠上線，其中 10 座位于北美和南美。

SEMI 總裁兼首席執(zhí)行官 Ajit Manocha 表示：“在過(guò)去的兩三年里，我聽(tīng)到的投資公告比我一生中聽(tīng)到的都要多。” “基于此，我們認(rèn)為到明年年底，我們應(yīng)該會(huì)看到芯片短缺有所緩解。”

據(jù)《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，在此之前，隨著需求繼續(xù)飆升，臺(tái)積電將芯片價(jià)格提高了 20% 。成本可能會(huì)隨著電子產(chǎn)品的價(jià)格逐漸下降到消費(fèi)者身上。臺(tái)積電也在繼續(xù)提高產(chǎn)能，包括在美國(guó)，亞利桑那州占地 1,100 英畝的工廠肯定有第二階段的空間。

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