作者：湯之上隆
台积电正在美国亚利桑那州和日本熊本建设晶圆代工厂。但在在两家半导体工厂的纪念开业仪式上，台积电创始人张忠谋发表了完全不同的演讲。
首先，2022 年 12 月 6 日，在亚利桑那州工厂的开业仪式上，拜登总统和苹果最大客户蒂姆·库克等高管都出席了，张忠谋说，“全球化已经快死了，自由贸易几乎已经死了。很多人希望它能复活，但我认为不会。”
而在 2024 年 2 月 24 日举行的熊本工厂开业典礼上，张忠谋在包括经济产业大臣斋藤武 、索尼集团董事长吉田健一郎和丰田公司董事长丰田章男 在内的众多政要时表示：“我相信这将进一步增强日本和世界半导体供应的弹性”和“我相信这是日本半导体制造业复兴的开始。”
张忠谋对缓慢的美国感到愤怒
2020年9月14日，台积电在收到美国政府的多次邀请后，决定进军亚利桑那州。大约一年后，即2021年11月，台积电开始建造一座价值120亿美元的工厂。最初预计技术节点为4nm，月产量为2万片（图1）。
图1台积电亚利桑那州和熊本工厂周围活动
然而，美国随后的动作却极其缓慢。美国芯片法案是一项加强美国半导体制造并投资520亿美元补贴的法律，于2022年8月9日颁布，距离台积电宣布向亚利桑那州扩张已经过去了大约两年时间。
另一方面，台积电熊本工厂呢？正是在2021年10月14日，台积电宣布将扩张至熊本，建设一座技术节点为28/22纳米、月产能4.5万片晶圆的前端制程工厂。大约两个月后，即 12 月 20 日，国会通过了一项修订后的法律，以支持扩建新的半导体制造设施。
次年，2022年2月15日，索尼和电装决定资本参股，技术节点从28/22nm提升至16/12nm，产能扩大至每月5.5万片。随后，同年6月17日，约占工厂建设投资一半的4670亿日元补贴正式获得批准。
张忠谋到底为何在美国和日本两地的开幕式上发表完全相反内容的演讲？
当我们考察亚利桑那州和熊本工厂的历史时，这一点的基础就变得清晰起来。
在台积电亚利桑那工厂，同年12月6日举行了开业仪式，宣布建设第二座3纳米技术节点工厂。正如开头提到的，张忠谋在演讲中表示，“全球化”几乎已经死亡。“自由贸易几乎已经死亡”。
此时，张忠谋可能已经对美国行动迟缓感到愤怒了。2020年9月，台积电本应受到应有的尊重去美国。然而，《CHIPS法案》花了大约两年的时间才颁布，而且即使在那之后，也没有迹象表明补贴会获得批准。
另一方面，熊本工厂则相反，在决定扩建后约两个月内就“迅速”颁布了修订后的法律，并在接下来的六个月内批准了一半的投资，即4670亿日元。。这不是想表达一些对美国的厌恶吗？
“缓慢的美国，快速的日本”仍在继续。
据日本贸易振兴机构（JETRO）《商业公报》报道 ，台积电亚利桑那州第一家工厂面临工人保障、与当地工会建立关系等问题，投产时间将推迟一年至 2025 年（2023 年 10 月 25 日）。
随后，2024年1月19日，彭博社报道了这样的消息：“台积电亚利桑那州第二工厂将于2027年后开始运营——对美国政府的战略打击。”文章称，“第二座工厂预计将于 2027 年或 2028 年开始运营，这比之前指导的 2026 年要晚。”
与此同时，熊本工厂于2024年2月24日举行了开业仪式，正式宣布将建设7nm技术节点的第二工厂。没想到，两天前的22日，决定为第二工厂提供投资额一半的约7300亿日元的补贴。
对于张忠谋来说，与行动迟缓的美国相比，日本行动迅速，并且慷慨地花费了一半的投资额，被称为“日本的复兴”。
归根结底，张忠谋言论的差异源于美国和日本之间的运营速度和资金支付质量。我深知在半导体行业，速度至关重要。
日本“先进封装工厂”？
而且，或许是放弃了“慢节奏的美国”，据报道台积电现在正在考虑在日本建造一座“先进封装工厂”（EE Times Japan，2024 年 3 月 26 日）。
日本政府和经济产业省表示，通过台积电在熊本建设前端工厂，“经济安全将得到保障”，“供应链将得到加强”。
这是因为半导体经过设计、前端加工、后端加工三个阶段制成成品，但即使台积电熊本工厂开业，日本也没有一家专门从事后端的半导体制造商处理（图2）
图2半导体制造工艺
因此，在台积电熊本工厂完成前道工艺后，晶圆被送往台湾地区后道工艺制造商日月光进行封装。换句话说，并非所有工序都在日本进行。其结果是，经济安全无法得到保障，供应链也无法得到加强。
在这种情况下，台积电可能会建设一座“先进封装工厂”。如果这成为现实，所有的前处理和后处理都将在日本进行，这将确保经济安全并加强供应链。然而，这种情况并非如此。
问题是“封装厂”前面加了“高级”这个词。我想在下面详细解释这一点。
后端制程由台积电处理
台积电是一家专门从事前端工艺的代工厂，但它也处理两种类型的后端工艺。其中之一是苹果iPhone的处理器，其结构是在系统LSI等逻辑半导体上堆叠DRAM，被称为“InFO（集成扇出）”（图3）。
图 3 InFO（集成扇出）
另一个是 NVIDIA 的用于 GPU（图像处理器）的 CoWoS（基板上晶圆芯片）封装，用于 AI 半导体（图 4）。
图 4 CoWoS（基板上晶圆芯片）
该 CoWoS 的创建如下。首先，在预处理中，CPU、GPU、DRAM 和其他存储器是在单独的晶圆上制造的。这些各种半导体被放置在将 12 英寸晶圆切割成方形而制成的“硅中介层”上。“硅中介层”是预先做好布线、孔等的。这种类型的过程称为“中间过程”（图 5）。
图 5 制造 CoWoS 所需的中间流程
之所以称为“中工艺”，是因为它位于前工艺和后工艺之间，硅中介层上的布线和孔都是利用前工艺的设备形成的。
而且台积电正在考虑在日本建设的似乎是需要“中间工序”的CoWoS封装工厂。其基础如下所示。
NVIDIA GPU需求快速增长
自2022年11月美国Open AI发布“ChatGPT”以来，生成式AI在全球爆发式传播。这个生成的AI运行在配备AI半导体的AI服务器上，而超过80%的AI半导体以NVIDIA GPU为主。
这些GPU中，采用台积电7nm工艺制造的“A100”和采用4nm工艺（5nm的改进版）制造的“H100”需求量很大。因此，A100 的交易价格高达 10,000 美元，H100 的交易价格高达 40,000 美元（图 6）。
图6各种半导体的工艺节点、芯片尺寸、晶体管数量以及价格
相比之下，最新的 iPhone 处理器 A17 Bionic AP 的成本仅为 130 美元，尽管采用台积电尖端的 3nm 工艺制造，但比 A100 和 H100 便宜两个数量级。此外，采用半节距 15.6nm 制造的 DDR5 高级 DRAM 便宜两个数量级，仅为 3 至 4 美元。（例如，DDR4 的速度是 DDR3 的两倍，当前最先进的 DDR5 是 DDR3 的两倍）与 DDR4 一样快。）
完全缺乏中间制程能力
NVIDIA的GPU之所以售价如此之高，是因为根本没有足够的供应来满足亚马逊、微软和谷歌等美国云制造商的强烈需求。
如图6所示，对于NVIDIA GPU，台积电通过执行所有前、中、后制程来制造CoWoS封装，但中间制程的产能特别不足。
因此，为了应对 2023 年 NVIDIA GPU 需求的快速增长，台积电正在匆忙扩大其中制程制造产能，此前该产能为每月 15,000 片左右。首先，2023年去年6月8日，台积电在台湾竹南科学园区开设了一家名为“Advanced Backend Fab 6”的工厂。然而，该工厂并非专门生产CoWoS，因此即使到2024年底，CoWoS的产能也将约为每月30,000至34,000片晶圆。然而，这还不够。
现在，该公司宣布将投资4000亿美元在台中兴建一座新的先进封装工厂。然而，该工厂的建设要到2024年下半年才能开始，要到2027年才能开始运营（日经新闻，2023年7月25日）。毕竟暂时还不够。
在这种情况下，假设台积电已经开始考虑在日本建设一座“先进封装工厂”，那里的进展很快，而且很容易付款。
我认为台积电应该放心在日本建立先进的封装工厂。然而，日本政府坚决反对补贴这家先进封装厂。这是因为，这家先进封装工厂生产的几乎所有 NVIDIA GPU 都将销往美国云制造商。
台积电熊本工厂预计将为日本生产半导体，包括索尼和电装，尽管不是全部。然而，台积电的先进封装工厂不太可能为日本生产任何半导体。无论如何，我们不应该（很快）补贴这样的工厂。
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发表于 2024-4-10 19:15:32
