晶圆代工争霸战 第一篇：半导体知识（前传）
（这一部分为基础知识，可以跳过）
现代科技不断革新，网路平台与云端运算背后，仰赖著上千台电脑伺服器相互连结；智慧型手机除了能登录网页与多样化的应用程式，未来更能支援扩增实境 （AR）、3D影像、支付等功能；除此之外还有感测元件、智慧家庭、穿戴式装置、自动车…
从电子商务、金融到医疗、法务，所有产业正面临著大规模的剧变。科技的浪潮提供更便利的社会，为人类生活带来了无限的可能；支撑这一切发展的基石，就是“半导体”。
在全球经济体中，半导体相关产业每年带来的经济效益约是 7 兆美元；而在2012年，台湾半导体总产值突破 2 兆台币，跃居世界第 2 位、成为最大的产业群，就业人次高达18万。
时常在报章杂志上听到半导体、晶圆、IC、纳米制程等名词，却又不甚了解意思？作为现代人，不可不知半导体。
本系列的 IC 产业地图，将以半导体相关知识作为系列首篇，介绍“晶圆代工”相关名词与各国间产业现况。并讨论各大厂间的竞合关系。
什么是半导体？
半导体是导电性介于导体（金属）与绝缘体（陶瓷、石头）之间的物质，包括硅、锗。
利用半导体製作电子元件的目的在于：不像导体绝对导电、绝缘体完全不导电；藉由注入杂质，可以精准地调整半导体的导电性。由于硅拥有较大的能隙、可以有较大杂质掺杂范围，所以可以被利用来製作重要的半导体电子元件电晶体 （Transistor）。
由于发明了电晶体，这个年代成为人类科技文明进步最快的年代，电子技术与电脑工业才开始了长足的发展，堪称二十世纪最伟大的发明之一。
发明电晶体的萧克利 （Shockley）、巴丁 （Bardeen） 与布拉顿 （Brattain） 三位物理学家在1956年共同荣获诺贝尔奖。
1956年，萧克利在旧金山南方成立萧克利半导体实验室 （Shockley Semiconductor Lab），带动美国硅谷 （Silicon Valley） 的蓬勃发展，硅谷一名称系由半导体原料硅而来。
讲到硅谷的发展成因与历史，绝对不能不提萧克利半导体实验室的影响。一个天才的创业会引来众多天才的投奔，因此当时一堆优秀人才趋之若鹜地跑到萧克利的实验室来；但后来因萧克利暴躁又疑神疑鬼的性格，又纷纷辞职离去，被萧克利怒称为“八叛徒”（The Traitorous Eight）。
八位叛徒中，包括了诺伊斯 （Noyce）、摩尔 （Moore，就是摩尔定律的那个摩尔！） 等人，他们随后成立了快捷半导体 （Fairchild Semiconductor），成为了第一家将硅电晶体商业化的公司。
这家公司最重要不是它的产品、而是影响力——快捷可说是硅谷人才的摇篮，创始人和员工出来开的公司和投资的公司在湾区超过 130家上市企业，里面包括了 Intel、AMD 等公司，市值达 21 万亿美元。对硅谷乃至当今时代的科技发展都有著不可或缺的影响和作用。
好啦此为后话不提，让我们回来看看硅谷发展一切的源头——电晶体到底是什么。
电晶体的主要功能有两个：“放大信号”与“开关”。
电晶体就像是数位讯号的“收音机”──收音机的原理是将微弱的讯号放大、用喇叭发声出来，电晶体能将讯号的电流放大；而数位讯号是由0与1组成，1代表著电流“开”、0代表著电流“关”，电晶体以每秒超过 1千亿次的开关来运作，让电流以特定方式通过。
这边让我们来简单谈谈电晶体的运作原理。
电晶体由硅组成，而硅是 4 颗电子。在硅半导体中加入元素磷，具有 5 颗电子、比硅多一颗电子（-）变成 N 型电晶体 （Negative）。
另外加入元素硼，具有 3 颗电子、 比硅少一颗电子（-）变成 P 型电晶体 （Positive） 。电晶体两端可以通电，称为“源极”和“汲极”。
由于P型和N型分别多了电子和少了电子，所以电晶体在 N 型和 P 型接起来的状态下电子不会流通，此时电流开关为“关”。
为了达到开关的效果，我们使用第三个电极“闸极”（Gate） 取代机械按钮开关；闸极间以氧化层和半导体隔绝。若我们在闸极上方施以正电电压，让 N 型多出来的电子能够重新流通、并从源极流到汲极，此时电流开关为“开”。
上述即为半导体元件电晶体如何藉由加入杂质（磷、硼）来控制导电性、进而控制电流开关的原理。
但是这数亿个电晶体在哪裡呢？你可能正在心想：“我手机有大到能放进数亿个电晶体？”
答案是：电晶体是纳米等级，比人体细胞还要小。三星以及台积电在先进半导体製程的 14 纳米与 16 纳米之争，14 纳米指的就是电晶体电流通道的宽度。宽度越窄、耗电量越低；然而原子的大小约为 0.1 纳米，14 纳米的通道仅能供一百多颗原子通过。故製作过程中只要有一颗原子缺陷、或者出现一丝杂质，就会影响产品的良率。
对于半导体大厂而言，製程是技术，但良率才是其中的关键Know-how。一般能将良率维持在八成左右已经是非常困难的事情了，台积电与联电的製程良率可以达到九成五以上，可见台湾晶圆代工的技术水平。
事实上，这数亿个电晶体，全部都塞在一个长宽约半公分、指甲大小的晶片上。这片晶片包含电晶体等电子元件，就叫做“集成电路”（Integrated Circuit， IC），俗称IC。
所谓的大规模集成电路 （LSI， Large Scale Integration） 代表的不是这个电路板很大，而是上面约一万个电晶体；超大规模集成电路 （VLSI， Very Large Scale Integration） 则约有十万个电晶体。
集成电路是怎么制作出来的呢？
在集成电路出现之前，工业界必须各自生产电晶体、二极体、电阻、电容等电子元件，再把所有元件连接起来做成电路，不但複杂又耗时费工。故若能直接依照设计图做出一整个电路板，将能更加精确、速度更快且成本更低。
德州仪器公司的基尔比 （Jack St. Clair Kilby） 是第一个想到要把元件放到晶片上集体化的发明人，在1958年他试验成功，开辟了一个崭新的电脑技术时代，甚至很多学者认为由集成电路所带来的数位革命是人类历史中最重要的事件。基尔比也因此于2000年获得诺贝尔物理奖。
集成电路的制作过程分为以下步骤。
一。 建筑设计： IC设计 （CIRCUIT DESIGN）
如同在盖房子之前，建筑设计师必须画出设计图，规划房间分布、使用材料；在制作半导体晶片时，工程师会画出电路图 （Circuit Diagram），规划一个晶片上应该要具备的功能 （包括算术逻辑、记忆功能、 浮点运算、 数据传输）、各个功能分布在晶片上的区域，与制作所需的电子元件。
接下来，工程师会使用硬体描述语言 （HDL） 将电路图描写出来。
待确认无误后再将 HDL 程式码放入电子设计自动化工具 （EDA tool），让电脑将程式码转换成电路图。
晶圆代工争霸战 第二篇：台积电 VS 联电
2016 年 10 月， 晶圆代工厂台积电董事长张忠谋谈及 Intel 跨足晶圆代工领域，谈及此举是把脚伸到池里试水温，并表示：“相信英特尔会发现，水是很冰冷的。”全球晶圆代工在 2015 年的产值高达488.91 亿美元，更是台湾科技业与金融业维生的命脉。
Intel和台积电之对决将孰赢孰败？ 更别提一旁虎视眈眈地三星，这场战争在多年以前早已悄悄开打。今天就让我们来谈谈各家巨头的爱恨纠葛。
霸主—台积电
台积电 （TSMC）
特色：砸大钱、高额资本支出，自己建厂自己研发，拼先进制程。
拥有最高的良率与庞大产能优势，成熟制程达16纳米。
全球第一家、也是全球最大的晶圆代工企业，晶圆代工市占率高达 54%。2015 年资本额约新台币2，593.0 亿元，市值约 1，536 亿美金 （2016/9）、约五兆新台币。
另一方面，台积电在2016年度的资本支出高达 95 亿至 105 亿美元（约新台币 3，050 亿至 3，380 亿元），已超越 Intel。
制程方面采取稳进路线，从28 纳米、20 纳米，到 2015 年 Q2 成熟制程（能大量生产、且在效能与良率上都稳定）达 16 纳米。
先进制程 10 纳米预计在 2017 年第 1 季量产。其更于 2016 年 9 月底透露，除 5 纳米制程目前正积极规划之外，更先进的 3 纳米制程目前也已组织了 300 到 400 人的研发团队。
在制程上，若莫尔定律成立，则未来的制程突破将会有限，台积电预计将采取持续投入先进制程研发，但也著力于成熟制程特规化上的双重策略，以维持其晶圆代工的龙头地位。
挑战者NO.1—台积电与联电的历史情仇
联华电子
捡台积电剩下的客户，如：小IC设计公司的单，特点在于量不大、但可客制化。
专注于成熟制程28纳米。
仅次于台积电、全球第二大晶圆代工厂。然 2015 年已被格罗方德以 9.6% 的市占超过、以 9.3% 的市占率成为老三。事实上代工产业只有龙头一枝独秀，景气不佳时仅台积电始终维持获利，其余 2、3、4名皆是一团混战。
联电创立于 1980 年，也是台湾第一家上市的半导体公司，早年一直是晶圆代工领域的领导者。
什么原因导致联电与台积电曾并称晶圆双雄，到如今无论股价、营收与获利都拼不过台积电在晶圆代工的地位呢？这就要说说台积电董事长张忠谋与联电荣誉董事长曹兴诚二王相争的故事了。
张忠谋于 1949 年赴美留学，分别拿到美国麻省理工学院机械工程系学士、硕士，因为申请博士失败，毕业后只好先进入德州仪器 （TI） 工作，当时的张忠谋 27 岁。
彼时德仪正替 IBM 生产四个电晶体，IBM提供设计、德仪代工，可以说是晶圆代工的雏形。张忠谋带领几个工程师，成功把德仪的良率从 2%-3% 成功提升至 20% 以上、甚至超过 IBM 的自有产线。
张忠谋在德仪待了 25 年，直到 1983 年确定不再有升迁机会，1985 年应经济部长孙运璿之邀、回台担任工研院院长，当时的张忠谋已经54岁了。
相较于张忠谋的洋学历与外商经历，曹兴诚由台大电机系学士、交大管科所硕士毕业后进入工研院。工研院于 1980 年出资成立联电后，于 1981 年起转任联电副总经理、隔年转任总经理。
让我们再看一次──联电是创立于 1980 年，曹兴诚 1981 年任副总经理、张忠谋于 1985 年以工研院院长身分兼任联电董事长。
1986 年、张忠谋创办了台积电，并身兼工研院、联电与台积电董事长三重身分。相较于以整合元件设计 （IDM） 为主、开发自家处理器与记忆体产品的联电，台积电专攻晶圆代工。
这在当时完全是一个创举、更没人看好，一般认为 IC 设计公司不可能将晶片交由外人生产、有机密外泄之虞，况且晶圆代工所创造的附加价值比起贩售晶片还低得多。
然而建立晶圆厂的资本支出非常昂贵，若将晶片的设计和制造分开，使得 IC 设计公司能将精力和成本集中在电路设计和销售上，而专门从事晶圆代工的公司则可以同时为多家 IC 设计公司提供服务，尽可能提高其生产线的利用率、并将资本与营运投注在昂贵的晶圆厂。
台积电的成功，也促使无厂半导体 （Fabless） 的兴起。
不过这完全惹恼了曹兴诚，他宣称在张忠谋回台的前一年便已向张提出晶圆代工的想法，却未获回应，结果张忠谋在担任联电董事长的情况下，隔年竟手拿政府资源、拉上用自己私人关系谈来的荷商飞利浦 （Philips） 合资另创一家晶圆代工公司去了。
当时曹兴诚示威性地选在工研院与飞利浦签约的前夕召开记者会、宣布联电将扩建新厂以和台积电抗衡。
从那之后，曹兴诚和张忠谋互斗的局面便无停止过，然而张忠谋亦始终担任联电董事长，直到1991年曹兴诚才成功联合其他董事以竞业迴避为由，逼张忠谋辞去、并从总经理爬到董事长一职。
台积电随后在晶圆代工上的成功，也成了联电的借鉴。1995 年联电放弃经营自有品牌，转型为纯专业晶圆代工厂。
曹兴诚的想法比张忠谋更为刁钻──他想，若能与无厂 IC 设计公司合资开设晶圆代工厂，一来不愁没有资金盖造价昂贵的晶圆厂，二来了掌握客户稳定的需求、能直接承接这几家IC设计公司的单。
故曹兴诚发展出所谓的“联电模式”，与美国、加拿大等地的 11 家 IC 设计公司合资成立联诚、 联瑞、联嘉晶圆代工公司。
然而此举伴随而来的技术外流风险，大型IC设计厂开始不愿意将晶片设计图给予联电代工，使得联电的客户群以大量的中小型IC设计厂为主。
1996 年，因为受到客户质疑在晶圆代工厂内设立 IC 设计部门，会有怀疑盗用客户设计的疑虑，联电又将旗下的IC设计部门分出去成立公司，包括现在的联发科技、联咏科技、联阳半导体、智原科技等公司。
再来是设备未统一化的问题──和不同公司合资的工厂设备必有些许差异，当一家工厂订单爆量时，却也难以转单到其他工厂、浪费多余产能。
相较之下，台积电用自己的资金自行建造工厂，不但让国际大厂愿意将先进制程交由台积电代工而不用担心其商业机密被盗取、更能充分发挥产线产能。
不过真正让曹兴诚砸掉整个宏图霸业、从此联电再也追赶不上台积电的分水岭，还在于 1997 年的一场大火，与 2000 年联电与IBM的合作失败。
我们在前述中提到，联电的每个晶圆厂都是独立的公司，“联瑞”就是当时联电的另一个新的八吋厂。在建厂完后的两年多后， 1997 年的八月开始试产，第二个月产就衝到了三万多片。
该年 10 月，联电总经理方以充满企图心的口吻表示：“联电在两年内一定干掉台积电！”
不料两日后，一把人为疏失的大火烧掉了联瑞厂房。
火灾不仅毁掉了百亿厂房，也让联瑞原本可以为联电赚到的二十亿元营收泡汤，更错失半导体景气高峰期、订单与客户大幅流失，是历史上台湾企业火灾损失最严重的一次，也重创了产险业者、赔了 100 多亿，才让科技厂房与产险业者兴起风险控制与预防的意识，此为后话不提。
在求新求快的半导体产业，只要晚别人一步将技术研发出来、就是晚一步量产将价格压低，可以说时间就是竞争力。在联瑞被烧掉的那时刻，几乎了确定联电再也无法追上台积电。
2000年与IBM的合作，对联电来说又是一次重击，却是台积电翻身的关键。
随著半导体元件越来越小、导线层数急遽增加，使金属连线线宽缩小，导体连线系统中的电阻及电容所造成的电阻/电容时间延迟 （RC Time Delay），严重的影响了整体电路的操作速度。
要解决这个问题有二种方法──一是采用低电阻的铜当导线材料；从前的半导体制程采用铝，铜的电阻比铝还低三倍。二是选用Low-K Dielectric （低介电质绝缘） 作为介电层之材料。在制程上，电容与电阻决定了技术。
当时的IBM发表了铜制程与 Low-K 材料的 0.13 微米新技术，找上台积电和联电兜售。
该时台湾半导体还没有用铜制程的经验，台积电回去考量后，决定回绝 IBM、自行研发铜制程技术；联电则选择向 IBM 买下技术合作开发。
然而IBM的技术强项只限于实验室，在制造上良率过低、达不到量产。
到了 2003 年，台积电 0.13 微米自主制程技术惊艳亮相，客户订单营业额将近 55 亿元，联电则约为 15 亿元。再一次，两者先进制程差异拉大，台积电一路跃升为晶圆代工的霸主，一家独秀。
NVIDIA 执行长兼总裁黄仁勋说：“0.13 微米改造了台积电。”
现在的联电在最高端制程并未领先，策略上专注于 12 吋晶圆的 40 以下纳米、尤其 28 纳米，和 8 吋成熟制程。除了电脑和手机外，如通讯和车用电子晶片，几乎都采用成熟制程以控制良率、及提供完善的IC 给予客户。
联电积极利用策略性投资布局多样晶片应用，例如网路通讯、影像显示、PC 等领域，针对较小型 IC 设计业者提供多元化的解决方案，可是说是做到台积电不想做的利基市场。
台积电的 28 纳米制程早在 2011 年第 4 季即导入量产。反观联电 28 纳米制程迟至 2014 年第 2 季才量产，足足落后台积电长达2年半时间。
在28纳米的基础上联电仍得和台积电竞争客户，故在 28 纳米需求疲软时台积电仍能受惠于先进制程、而联电将面临不景气的困境。
近来竞争趋烈，中芯也已在 2015 年下半量产 28 纳米，故联电计划跳过20纳米，原因在于20纳米制程在半导体上有其物理局限，可说是下一个节点的过渡制程，效果在于降低功耗，效能上突破不大，因此下一个决胜节点会是16/14纳米制程。
联电预计在 2017 年上半年开始商用生产14纳米 FinFET 晶片，以赶上台积电与三星，然而在随著制程越趋先进，所需投入的资本及研发难度越大，联电无法累积足够的自有资本，形成研发的正向循环，未来将以共同技术开发、授权及策略联盟的方式来弥补技术上的缺口。
