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Economist Jan 23rd 2021

1月13日時，日本汽車製造商本田表示，必須暫時關閉位於南英格蘭史溫頓(Swindon)的工廠。這跟英國脫歐或是勞工感染武漢肺炎無關，是因為缺少晶片。其他車廠也面臨類似情況。全球產量最大的福斯大眾汽車說，因為缺少晶片，本季度將減少十萬輛的產能。就跟現今世界其他事物相同 — 從銀行到收割機 — 車子沒有車用電腦，也跑不動。

晶片產業正蓬勃發展。全球半導體公司的市值現已超過四兆美元，是五年前的四倍。在武漢肺炎疫情期間，由於工作型態轉向遠端，消費者奔向串流影片、線上遊戲等，晶片製造商的股價飆升。

這也推動了併購熱潮。專門為遊戲及AI設計晶片的輝達(Nvidia)，在9月時說要以四百億美元買下專門設計智慧型手機晶片的ARM。10月時，設計圖像及泛用晶片的AMD，宣布了另一項鉅額交易，說要以三百五十億美元買下Xilinx。

矽揮霍
Silicon splurge

資本支出也在持續上升。南韓巨頭三星，打算在未來十年內耗資一千億美金在晶片事業(雖說有些會用在快閃記憶體的晶片上，而非微處理器的晶片)上。台灣的台積電(幫AMD或輝達等晶片設計公司代工)則在1月14日時，做了震驚市場的宣布，預期市場需求強勁，2021年的計劃資本支出，將從一百七十億二美金提高到兩百八十億美金。這將是全球私人企業最大筆的預算之一。



一切都是因為晶片製造界大洗牌的幾項趨勢匯流而發生的。在天平的一端，晶片製造業是競爭與創新的中心。既有的晶片設計廠，包括AMD，輝達和英特爾(按收入計算的話，是全球最大的晶片製造商)，正面臨著新創造的挑戰。如Amazon、Google的網路巨頭，以及重要的大客戶，都正在自行設計晶片。這些客人與一些新創公司聯手，渴望從人工智慧、物聯網及其他專業應用方興未艾的硬體需求中受益。

對所有人來說，這些無疑是個天大的好消息；如果你不看天平另一端發生甚麼事 — 另一端是將晶片設計電路刻在矽晶圓上的晶片製造廠。由於先進技術的成本飆漲，能真正生產這些先進晶片的快速減少。現在全球只有三間企業有能力從事先進製程：英特爾、台積電(位於充滿地震、且中國宣稱擁有主權的島國)，以及南韓的三星(北方則有擁有核武的鄰居)。美國的半導體產業協會估計，全球約有八成的晶片產能在亞洲。

領航者可能很快就只剩下兩間。英特爾帶領了半導體界的技術長達三十多年，但現在已步履蹣跚。1月18日時，新聞報導英特爾可能會將某些晶片製造外包給台積電；後者技術已超前英特爾。

這個世界經濟基礎的產業，看起來還可能進一步極化。晶片設計界更沸騰，但晶片製造卻前所未有地集中。這種新架構對晶片製造商跟其客戶都產生了深遠的影響 — 在現今這個時代，代表著幾乎所有人都將受到影響。

從晶片設計界多樣化開始說起。多年來，科技公司都購買現成晶片。在蘋果電腦44年的歷史中，他們向MOS科技、摩托羅拉、IBM、英特爾購買晶片，用在自家的手機跟筆電上。但2007年在首支iPhone問世不久後，他們決定走自己的路。後幾個世代的智慧型手機，蘋果就選擇採用自己的晶片，一開始由三星製造，後來台積電也加入。這個手段看起來非常成功，讓蘋果在2020年宣布，新的Mac晶片，他們將不採用英特爾的晶片，而改用自己的設計。

早在兩年前，線上商業龍頭亞馬遜的伺服器，便捨棄了英特爾而改用自家的「Graviton」晶片。亞馬遜稱，自家晶片比英特爾便宜40%。差不多同個時間，Google也提供客製化、用來增加人工智慧運算速度的張量處理單元(Tensor Processing Unit)晶片，給自家的雲端儲存客戶。中國搜尋引擎百度宣稱，其自行設計的晶片「崑崙」，效能比輝達的更好。西方國家雲端計算三大交椅之一的微軟，也有傳聞說準備自行設計晶片。

晶片設計領域中，外界預估聰明的新創公司有數十億美金的身價。美國一間設計人工智慧晶片的企業Cerebras，預估有十二億美金的價值。與微軟合作的英國企業Graphcore，去年12月時被認為有二十八億美金的價值。1月13日時，以智慧型手機晶片聞名的高通，投資Nuvia十四億美金；那是一間由原蘋果晶片設計團隊組成的新創公司。

十年前，客製化晶片還是個不太合理的提案。摩爾定律認為，積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔兩年便會增加一倍；泛用晶片也因為摩爾定律，在效能上有大幅的成長。但由於現在的原件由奈米大小組成(十億分之一公尺)，這樣奇特的物理性質讓摩爾定律正在失效中。半導體研究機構Linley Group的經營者Linley Gwennap指出，現在要接近快三年的時間才能達到以前的效果，且好處也比以前少。

這讓調整設計使得晶片性能上升一事，更具吸引力，尤其是對大型、擁有垂直整合能力的廠商來說。沒有人比蘋果更了解晶片如何與iPhone內的軟硬體互相配合了。雲端計算鉅子們，擁有大量客戶使用其硬體的數據，可以調整設計讓其更匹配。

在過去，設計晶片意味著你可能也必須要自己生產，但現在已經不是這樣了。在現今時代，多數晶片設計廠外包晶片製造給台積電或格羅方德這樣的公司。不需要營運工廠，成本可以快速下降。大量的自動化工具，讓此過程變得順利。半導體產業顧問Future Horizon的老闆Macolm Penn說，「這並不是像在Etsy上訂製一件客製T恤那樣簡單」，但也沒有難上青天。



雖然設計晶片比以往更簡單，但要製造晶片，卻是史上最難。要趕上摩爾定律(雖然速度已經慢下來)，就需要在花超多錢在超先進設備 — 電漿蝕刻設備、氣相沉積設備，以及重達十九噸，體積跟雙層巴士一樣大的光刻機 — 上，且投資會不斷增加。投資在收入佔比降低後，晶片業的資本支出再度上升(圖三)。高科技晶圓廠的成本數字不斷上升，且看不到盡頭。

今日最先進的技術是5nm晶片(跟以前世代的晶片不同，5nm已不是電晶體的實際體積了)。三星跟台積電都在2020年開始量產；雙方在2022年都將生產3nm晶片，2nm則將在幾年後問世。

英特爾掰掰
Intel outside

在二十一世紀剛開始時，一座尖端科技的晶圓廠可能需花費十億美金。2011年一份麥肯錫的報告指出，一座先進的晶圓廠的平均成本約為三十到四十億美金。最近，台積坐落在台灣南部的3nm廠於2020年完工，共耗資一百九十五億美金。台積還正準備建造另一座2nm晶圓廠。花費幾乎可以確定只會更高。英特爾的失誤，讓其卡關在10nm，也讓前任執行長Bob Swan因此去職。新任執行長Pat Gelsinge必須決定，是否要繼續設計晶片並且從事製造。潛在的新市場進入者，面臨著巨大的壁壘。晶圓廠的經濟性隨著技術進步更高騰。

這很重要。不是所有的晶片都需要高階製程。汽車業用的多是較舊、運算速度較慢的半導體。在寬敞的數據儲存中心，微小化可能就沒那麼重要。但有件事至關重大：有些運算必須要是最強大的晶片才能做到。

隨著物聯網中的各處應用(從恆溫機到拖拉機都需要)，此類高階運算晶片的需求也會增加。行業中的兩大巨頭，台積電跟三星已為科技大廠 — 蘋果、亞馬遜、Google、輝達、高通，以及若傳言屬實，英特爾很快也會加入 — 各司其職。隨著汽車電腦化、電動化程度提高，車用晶片的要求規格也會越來越高。特斯拉已採用台積電的7nm製程來生產自家的自駕晶片。

亞洲的奈米級製程雙雄仍然非常有競爭力，雙方都很在意對方的技術進展。台積電的盈餘從2005年便保持穩定，而當時先進技術的晶圓廠還有十五間。由於製造成本不斷上升，這條路的尾巴，從邏輯上來看，可能會只剩下一間公司擁有先進晶圓廠，那間公司很可能是台積電。一位業界資深人士說，多年來科技界大老忽略這個問題，希望會自然解決。但問題並沒有消失。

由於半導體業在政治上日益重要，憂慮也更加深。作為美國對中國經濟戰的一環，美國試圖剝奪中國企業自行製造高階晶片的能力。中國將半導體作為數十億美元計畫的核心，要在2025年前讓關鍵技術得以自行供給 — 尤其在因美國制裁而某些外國產品無法進入中國的此時。

晶圓生產日益集中背後的各家力道將繼續存在。美國擔心無法拿到最先進工廠的晶片，要求台積電在亞利桑那設廠。三星也可能在德州擴廠。另一套補貼和激勵政策，則正等待國會通過。歐盟(比利時、荷蘭都有許多高科技業)則希望拿到更多；12月時，十七個歐盟國同意疫情刺激補貼中的數十億美金，在未來十年中拿來建造高科技的晶片廠。但晶片業的歷史告訴我們，花費只會隨著時間越來越令人目不暇給。

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