闕志克/分散式晶圓製造背後的商業邏輯

我們想讓你知道…台積電剩下的問題是如何解決在美國設廠所增加的建廠與商轉成本,以及如何長久維持台灣總部舉足輕重的地位。

▲蘋果執行長庫克(Tim Cook)上月出席台積電在美國亞利桑那州新廠的「首批機台設備到廠」典禮活動。(圖/路透)

● 闕志克/清大資工系合聘教授暨台達研究院院長

台積電在美國亞利桑那州的21號晶圓廠於去(2022)年12月6日舉行上機典禮,能見度最高的貴賓自然是美國總統拜登、眾議院議長裴洛西與商務部長雷蒙多,但行家看的門道其實是台積電的客戶有誰出席,結果揭曉:蘋果的執行長庫克、輝達的執行長黃建勳、超微的執行長蘇姿丰。台積電2021年排名前6大客戶中美國公司占了5名(其中蘋果第一,超微第三,輝達第六),而這5位客戶總共占台積電年營收的41%,也是其最先進製程的主要使用者。為了降低地緣政治(如中美競霸或臺海戰爭)的風險,這些客戶要求將一部份高階晶圓製造產能移出台灣,於情於理,台積電很難拒絕。再加上拜登政府《晶片與科學法》(CHIPS and Science Act,乃是 Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors for America Act 的簡稱)的推波助瀾,台積電因而在美打造高階晶圓廠似乎順理成章,與代工產業習見的運作邏輯也大致若合符節。

台積電剩下的問題是如何解決在美國設廠所增加的建廠與商轉成本,以及如何長久維持台灣總部舉足輕重的地位。

台積電赴美「分散式製造」 享有當地補助並有望鞏固龍頭地位

到美國建廠,應是台積電「分散式製造」策略的一環。將晶圓製造基地分散至風險較低甚或客戶市場的所在,固然可加強客戶的供應鏈安全度,但也可能會提高產品製造的成本。然而,在兵凶戰危的風險威脅下,絕大部分客戶普遍將分散式製造所增加的成本視為一種經營避險的保險費,而願意與製造商分攤。職是之故,台積電的美國廠與日本廠,不但享有所在國政府的補助,也可望獲得當地客戶的價格補貼。

▲台積電日本3DIC研發中心。(圖/台積電提供)

在這次上機典禮,台積電董事長宣布將投資高達400億美金在亞利桑那州建造兩座高階晶圓廠,於2026年達成年產能60萬片晶圓,年營收100億美金。假設這兩廠的營業利益率為40%,則台積電400億美金的投資可望於10年內,也就是2036年前完全回收,這還不包括美國聯邦與州政府的各式補助。

如若成本增加的問題得以解決,則分散式製造不失為台積電自己進一步成長茁壯的策略,一方面既可廣泛運用世界各地資金、水力、電力、土地和人力等物質資源以擴大整體產能,另一方面也能為公司自己,在國際各種地緣政治威脅下保持韌性、趨吉避凶。甚且,一旦台積電將這種「中央廚房式整廠輸出」的跨國分散式製造策略操作得駕輕就熟,變成一種獨有的競爭優勢,它與現有競爭對手(三星、英特爾)的差距將可望更加拉大,其晶圓製造龍頭的地位也將愈形鞏固!

分散式製造削弱台灣總部重要性? 矽盾理論依然成立!

雖然有以上這些好處,然而,台積電分散其製造基地對台灣的地緣政治重要性,從表面上來看,似乎是不利的。所謂的矽盾理論,是假設台海戰爭將使台灣半導體業的產量大減,進而造成全世界經濟的衰退,所以美國會出手相救,中國會因此三思而行。台積電的台灣廠現今約佔全世界高階晶片產能的90%以上,假設在分散式製造策略下,這個占比降至50%,矽盾理論還成立嗎?答案應該還是Yes。

國外廠房亟需台灣技術與支援 台海有事廠房也有事

▲台積電南科廠。(圖/記者廖婕妤攝)

台積電南科18廠於2020年第2季量產5奈米,到2022年底,4/5奈米系列晶圓月產能達15萬片;而美國21廠將於2024年第2季量產4/5奈米,月產能預計為2.2萬片。至於3奈米晶圓,台積電南科廠已於2022年9月量產,美國廠則需至2026年才會量產。從以上資訊推論,要將高階晶圓在台灣的占比從90%減至50%,假如台積電願意的話,至少需要10年,更不用說台積電在台灣建造最先進製程廠的腳步並沒有絲毫放緩的跡象。

即使台積電到台灣以外的世界各地建立晶圓廠,這些製造基地在初期幾年預期將亟需台灣總部的技術與營運支援,這種依賴性意謂著台海一旦有事,台積電美日晶圓廠的製造產能也將會受到干擾,因而降低。大致來說,晶圓製造牽涉三種工程師。第一類負責先進製程的理論分析、模擬、設計與驗證,和前沿製造設備的研發、製作與測試。第二類是生產現場的籌畫大腦,負責晶圓生產規劃排程、產線品質追蹤控制、生產進度掌握與調整、材料與產品庫存進出管理、廠區設施設備的升級保養。第三類則為從事產線現場操作的手腳,包括製程參數輸入、進料出貨、中繼工件品質測量、設備的健康狀態監控與及時修復。

▲晶圓製造牽涉三種工程師。(圖/達志影像/美聯社)

每一個晶圓廠的現場皆配置有一組第三類工程師,又稱為直接人力,輪班作二十四小時不間斷生產。由於台積電12吋晶圓廠都已高度自動化和智慧化,直接人力的數量需求不高,據Semiwiki的估計,此類人員成本約占整個晶圓生產成本的千分之一。每一個晶圓廠也需配置一組第二類工程師,然而藉由工業物聯網技術,他們可以遠端遙控操作,不需要親臨現場。如果整體團隊運作默契足夠的話,甚至可以將這一類工程師配置於台灣,以進一步降低世界各地晶圓廠的人力需求。

至於第一類工程師,看來台積電將會持續留在台灣。主要原因是研發新世代製程,都需經歷一段理論推導、製程模擬、實驗試產的學習摸索期,歐美公司以一天8小時單班制進行,台積電的員工則可以以24小時三班制加速其進度。根據蔣尚義口述歷史的說法,過去歐美公司開發一新世代的製程至少需花2年,但台積電則只需1.5年。並且,第一類工程師也將負責在台灣建立每一個新世代製程的示範廠,以作為複製到世界各地基地的範本。

雖然台積電的分散式製造策略看似削弱台灣總部的重要性,但因涉及晶圓製造的生產大腦與靈魂設計工程師團隊都將繼續根留台灣,其座落世界各地的製造基地對總部的依賴在未來10年內應仍無可避免。這樣的安排對台積電而言,也是實施分散式製造最有效率的做法。據此推之,有關分散式製造必會戕傷矽盾或掏空台灣半導體人才的論點,似是言過其實!

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