第六部 創新外移？

35 「真男人要有晶圓廠」

AMD的創辦人桑德斯常戴著勞力士名錶，開著勞斯萊斯名車，他喜歡把擁有半導體製造廠比喻成在游泳池裡養鯊魚當寵物。鯊魚的餵養成本很高，需要時間與精力照顧，可能還會咬死你。儘管如此，桑德斯對一件事深信不疑：永遠不要放棄半導體製造廠。他曾在伊利諾大學讀電機系，但他從來不搞製造。他在快捷半導體是做業務與行銷，在那裡步步高昇，成為該公司最耀眼、最成功的業務員。桑德斯的專長是銷售，但從沒想過放棄AMD的製造廠，即使像台積電那樣的代工廠崛起，讓大型晶片公司可能考慮把製程外包給亞洲的代工廠，他依然不為所動。1980年代與日本爭奪DRAM的市占率、1990年代與英特爾爭奪個人電腦市場後，桑德斯一直守住晶片廠，他認晶片廠對AMD的成功非常重要。但就連他也承認，擁有並經營晶圓廠又要同時追求獲利，已經愈來愈難。問題很簡單：每一代技術的進步，都會推高晶圓廠的成本。張忠謀早在幾十年前就得出類似的結論，這也是他認為台積電的商業模式比較優越的原因。台積電這種代工廠可以為許多晶片設計公司製造晶片，從龐大的產量中獲得其他公司難以複製的效率。晶片業裡並不是每個領域都面臨類似的動態，但許多領域確實是如此。2000年代，大家常把半導體業分成三大類別。「邏輯」是指驅動智慧型手機、電腦、伺服器的處理器。「記憶體」是指DRAM與快閃記憶體（又稱NAND），DRAM提供電腦運行所需的短期記憶，NAND則是長時間記憶資料。第三類晶片比較廣泛，包括類比晶片（例如把視訊或音訊轉換為數位資料的感測器）、無線射頻晶片（與手機網路通訊），以及管理設備用電方式的半導體。第三類晶片主要不是依靠摩爾定律來驅動性能改善，精明的設計比縮小電晶體更重要。如今，這類晶片中，約四分之三是在180奈米或更大的處理器上生產，這種製造技術是在1990年代末期率先出現。因此，這種晶片不需要像邏輯晶片與記憶體晶片那樣靠不斷地縮小電晶體來維持先進地位，所以生產這類晶片的晶圓廠不必每隔幾年就競相生產最小的電晶體，成本因此低得多，平均資本投資是生產邏輯晶片或記憶體晶片的先進晶圓廠的四分之一。如今最大的類比晶片製造商是美國、歐洲或日本廠商。他們的生產也大多位於這三個地區，僅一小部分外移到台灣與南韓。目前最大的類比晶片製造商是德州儀器，德儀並未在個人電腦、資料中心或智慧型手機的生態系統中建立像英特爾那樣的壟斷地位，但仍是一家中等規模、利潤豐厚的晶片製造商，擁有多元的類比晶片與感測器產品。現在還有許多總部位於美國的類比晶片製造商，例如安森美（OnSemi）、思佳訊（Skyworks）、亞德諾（AnalogDevices），歐洲與日本也有一些類似的公司。相較之下，記憶體市場主要是由一股勢力主導：不斷地把生產外移到少數幾家工廠，那些工廠大多位於東亞。DRAM與NAND這兩種主要的記憶體晶片只由幾家公司生產，而不是由位於先進國家的分散供應商生產。1980年代導致矽谷與日本激烈競爭的半導體是DRAM記憶體晶片，興建一個先進的DRAM製造廠要花200億美元。以前有幾十家DRAM廠商，但現在只有三家主要廠商。1990年代末期，日本幾家苦撐的DRAM廠商合併成爾必達（Elpida），試圖與愛達荷州的美光及韓國的三星與SK海力士（SKHynix）競爭。2000年代末期，這四家公司囊括了約85％的市占率。然而，爾必達還是生存困難，在2013年被美光收購。三星與SK海力士主要是在南韓生產DRAM，美光則不同，它因連串的收購案，在日本、台灣、新加坡、美國等地都有DRAM廠。新加坡等國的政府補貼，鼓勵美光維持及擴大當地的晶片廠產能。因此，雖然美國公司是世界三大DRAM廠商之一，但其DRAM生產大多位於東亞。另一種記憶體晶片NAND的市場，也是以亞洲為中心。三星是最大的業者，囊括35％的市占率，其餘的市場是由南韓的SK海力士、日本的鎧俠（Kioxia），以及美光與威騰（WesternDigital）這兩家美國公司瓜分。韓國公司幾乎只在南韓或中國生產晶片，但美光與威騰的NAND生產僅一部分在美國，大多是位於新加坡與日本。與DRAM一樣，儘管美國公司是生產NAND的要角，但在美國本土製造的比例很低。不過，美國在記憶體晶片產量方面區居第二，並不是新鮮事。這可以追溯到1980年代末期，當時日本的DRAM產量首次超越美國。近年的大轉變是，美國境內生產的邏輯晶片比例大幅下滑。如今，建造 一個先進的邏輯晶片廠需要200億美元，很少公司負擔得起這種巨額的資本投資。就像記憶體晶片一樣，一家公司生產的晶片量與良率之間有相關性。由於規模經濟的效益，製造先進邏輯晶片的公司數量持續減少。除了英特爾這個明顯的例外，許多關鍵的美國邏輯晶片製造商已經放棄擁有晶圓廠，把製造外包出去。摩托羅拉、國家半導體等以前的主要業者相繼破產，或遭到收購，或眼睜睜地看著市占率縮小。取而代之的是無晶圓廠的公司，他們往往是從傳統的半導體公司招募晶片設計師，再把晶片製造外包給台積電或其他的亞洲代工廠。這讓無晶圓廠的公司可以專注於他們的強項，也就是晶片設計，不需要同時具備製造半導體的專業知識。只要桑德斯仍擔任AMD的執行長，他創立的AMD公司就會守住製造邏輯晶片（例如個人電腦的處理器）的業務。老派的矽谷執行長持續堅稱，把半導體的製造與設計分開會導致效率低下。然而，真正促使晶片設計與晶片製造長期整合在一起的是文化，背後並沒有什麼商業道理。桑德斯還記得諾伊斯在快捷半導體的實驗室裡研發的日子。他主張AMD應該繼續保留製造業務，這個論點是靠男子氣概撐起來的，但那種氣概很快就過時了。1990年代，他聽到一位記者打趣地說：「真男人要有晶圓廠。」他一聽就把那句話收編己用。在一場半導體業大會上，他對聽眾說：「請聽我說，好好聽我講完，真男人要有晶圓廠。」

36無廠革命

「真男人」可能有晶圓廠，但矽谷新一代的半導體企業家可沒有。1980年代末以來，無晶圓廠的晶片公司暴增，那些公司自己設計半導體，把製造外包出去，通常是請台積電代工。1984年，高登．坎貝爾（GordonCampbell）與達多．巴拿道（DadoBanatao）合創晶片技術公司（ChipsandTechnologies，簡稱C&T），一般認為那是第一家無晶圓廠的公司。當時，他們的一位朋友說C&T「不是一家真正的半導體公司」，因為它沒有自己製造晶片。然而，事實證明，他們為個人電腦設計的繪圖晶片很受歡迎，媲美業界一些大公司的產品。最終，C&T逐漸衰落，被英特爾收購。但它證明無晶圓廠的商業模式是可行的，只需要一個好概念與幾百萬美元的創業資金就能運作，創業成本只需要建晶圓廠的一小部分。對半導體新創企業來說，電腦繪圖一直是個充滿吸引力的小眾市場，因為繪圖領域不像個人電腦的處理器那樣，有英特爾壟斷整個市場。從IBM到康柏，每家個人電腦廠商的中央處理器都必須使用英特爾或AMD的晶片，因為這兩家公司實質上壟斷了個人電腦所需的x86指令集。在螢幕上顯現圖像的晶片市場，競爭激烈很多。半導體代工廠的出現以及創業成本的下降，意味著不只矽谷的貴族階層有資格競相製造最好的圖形處理器。後來稱霸繪圖晶片市場的輝達（Nvidia），並不是從帕羅奧圖的時髦咖啡館發跡的，而是從聖荷西比較混亂的一區裡的Denny’s連鎖餐廳起步。1993年，克里斯．馬拉科夫斯基（ChrisMalachowsky）、柯蒂斯．普里姆（CurtisPriem）及黃仁勳合力創辦了輝達，黃仁勳如今仍是輝達的執行長。普里姆在IBM任職時，做過如何運算圖形的基礎工作，接著他轉往昇陽（SunMicrosystems），與馬拉科夫斯基共事。黃仁勳生於台灣，幼時移民到肯塔基州，曾在矽谷的晶片製造商巨積（LSI）任職。後來他擔任輝達的執行長，成為輝達的代言人，總是穿著深色牛仔褲、黑色襯衫與黑色皮衣，散發出類似賈伯斯的氣場，顯示他已預見運算的未來。輝達的第一批客戶是影片與電玩公司，可能看起來不是最先進的客戶，但輝達認為圖像的未來是顯示複雜的3D立體圖像。早期的個人電腦是一個單調乏味的2D平面世界，因為顯示3D圖像所需的運算量很大。1990年代，微軟Office推出一款名為Clippy的迴紋針動畫，它可以坐在螢幕旁邊提供建議，那代表著圖形技術的大躍進，只是它經常導致電腦當機。輝達不僅設計了能夠處理3D圖形的晶片，並稱之為圖形處理器（graphicsprocessorunit，簡稱GPU），也為圖形處理器設計了一套軟體生態系統。製作逼真的圖像需要使用一種名叫著色器（shaders）的程式，它會告訴圖像中的所有畫素該如何表現，例如在某種光照色調之下。著色器會套用在圖像的每個畫素上，形同於對數千個畫素做比較簡單的運算。輝達的圖形處理器可以迅速繪出圖像，因為它不像英特爾的微處理器或其他通用的中央處理器（CPU），它的設計是同時進行大量簡單的運算，例如畫素上色。2006年，輝達發現高速平行運算可套用在電腦繪圖以外的用途，於是發布了CUDA軟體，讓人能以標準的程式設計語言來設計GPU，完全不涉及圖像。輝達在量產頂級的繪圖晶片的同時，黃仁勳也在這款軟體上投入大量的資金。根據該公司2017年的估計，為了讓任何程式設計師都能使用輝達的晶片，而不限於繪圖專家，黃仁勳投入了至少100億美元。黃仁勳免費提供CUDA給用戶，但那套軟體只能在輝達的晶片上運行。藉由讓晶片不止適用於繪圖業，輝達為平行處理發現了龐大的新市場，從運算化學到天氣預報等等都適用。當時，黃仁勳還只能依稀看見平行處理的未來：人工智慧後來成為平行處理的最大用例。今天，輝達的晶片主要是由台積電製造，在最先進的資料中心裡都可以看到輝達的晶片。輝達不需要建立自己的晶圓廠是一件好事。在創立初期，要募集建廠資金也許不太可能。面對一群窩在Denny’s餐廳裡創業的晶片設計師，投資幾百萬美元已經是一種賭注。即使是矽谷最勇於冒險的投資者，也不太可能一下子就拿出上億美元（當時興建一座晶圓廠的成本）。此外，誠如桑德斯所說的，經營晶圓廠既昂貴又耗時。光是像輝達那樣設計出最先進的晶片，就已經夠難了。如果還要自己管理製程，公司可能就沒有資源或餘裕把資金拿去開發一套軟體生態系統。輝達不是唯一為專用邏輯晶片開創新用例的無晶圓廠公司。1970年代初期在學術大會上高舉微處理器，並宣稱「這就是未來」的通訊理論教授雅各布，現在相信未來已經到了。行動電話（裝在汽車儀表板或地板上的黑色大塑膠磚）即將邁入第二代（2G）技術。電話公司正在協議一種技術標準，讓他們的電話能互通。多數公司想用「分時多工」（time-divisionmultipleaccess）系統，在這種系統中，來自多個電話的資料是在相同的無線電波頻率上傳輸。當別的電話有片刻沉默時，某電話的資料就會插入無線電波頻譜中。雅各布一直很相信摩爾定律，他認為另一種比較複雜的跳頻系統會更好。他建議在不同的頻率之間移動通話資料，而不是把某通電話固定在特定頻率上，就可以把更多的通話塞入可用的頻譜空間中。多數人認為那種系統理論上是對的，但實務上永遠行不通。他們認為那樣做的語音品質很差，通話會斷線。在不同頻率之間移動通話資料，並由另一端的手機解讀資料，這種處理量似乎非常大。但雅各布不認同他們的看法，1985年他創立了高通公司，就是要證明這點。他建造了一個有兩座手機基地台的小型網路，想證明自己的想法是可行的。不久，整個產業都意識到，只要依靠摩爾定律來執行演算法，判斷周遭所有的無線電波，高通的系統就有可能把更多的手機通話塞入現有的頻譜空間。高通為2G以後的每一代手機技術，貢獻了如何透過無線頻譜傳輸更多資料的關鍵概念，並出售具備解讀這種雜訊的運算力的專用晶片。高通的專利非常根本，沒有那些專利，就不可能生產手機。不久高通又拓展了一條新的事業線，不僅設計手機中與行動網路通訊的數據機晶片，也設計啟動智慧型手機核心系統的應用程式處理器。這些晶片設計是重大的工程成就，每個都建立在數千萬行的程式碼上。高通藉由出售晶片及智慧財產權的授權，賺進數千億美元，但它沒有製造任何晶片。那些晶片是高通自己設計，再交由三星或台積電等公司製造。要哀歎半導體製造業的外移很容易，但是像高通那樣的公司，要是每年都必須投資數十億美元興建晶圓廠，可能無法生存下去。雅各布和高通的工程師擅長把資料塞進無線電波頻譜，並設計出愈來愈精明的晶片來解讀那些訊號的意義。就像輝達一樣，他們不必努力成為半導體的製造專家，這是一件好事。高通曾多次考慮興建自己的晶片製造廠，但考慮到建廠成本與複雜性後，每次都決定作罷。多虧了台積電、三星，以及其他願意為他們生產晶片的公司，高通的工程師可以專注在管理頻譜及半導體設計方面的核心優勢。還有許多其他的美國晶片公司也因無晶圓廠模式而受惠，那種模式讓他們推出新的晶片設計，但不必花數十億美元建廠。於是，市面上出現全新的晶片類別，那些晶片只在台積電與其他的代工廠製造，不在晶片設計公司的內部製造。賽靈思（Xilinx）、阿爾特拉（Altera）等公司首創的現場可程式化邏輯閘陣列（Fieldprogrammablegatearrays），可以用程式設計出不同用途的晶片。而這兩家公司從創立初期就把晶片製造外包。不過，無晶圓廠公司所帶來的最大變化，不單只是開發出新型的晶片而已。它們因促成了行動電話、高階顯卡，以及平行處理，而開創出全新的運算類型。

37張忠謀的大同盟

桑德斯可能承諾他永遠不會放棄晶圓廠，但以前用小刀與鑷子設計晶片的那一代工程師正在離開這個領域。他們的後繼者受過電腦教育，許多人主要是透過1980年代與1990年代出現的新晶片設計軟體來瞭解半導體。對矽谷的許多人來說，桑德斯對晶圓廠的執念，似乎跟他那種大男人氣概一樣不合時宜。2000年代與2010年代接掌美國半導體公司的新一代執行長，說的通常是企管碩士（MBA）與博士的語言，可以在法說會上與華爾街的分析師閒談資本支出與利潤。以多數的衡量標準來看，這種新世代的管理人才比創建矽谷的化學家與物理學家專業多了。但相較於以前的產業巨擘，他們往往顯得乏味。以前的半導體業會瘋狂押注於看似不可能的技術，如今這種瘋狂押注被較有組織、專業、合理的東西所取代了。此外，精算的風險管理也取代了豪賭。這難免讓人覺得過程中失去了某種東西。晶片業的創辦者中，只剩張忠謀還留在業界，他在台灣的辦公室裡抽著菸斗（他辯稱這個習慣對他的健康有益，或至少對他的情緒有益）。2000年代，連張忠謀也開始考慮接班計畫。2005年，74歲的他辭去執行長一職，但仍擔任台積電的董事長。很快地，就不會再有人記得和基爾比一起在實驗室裡工作，或和諾伊斯一起喝啤酒的那段歷史了。晶片業高層的更迭，加速了晶片設計與製造的分拆，晶片的製造 大多轉移到海外。桑德斯從AMD退休五年後，AMD也宣布要拆分晶片設計與製造業務，華爾街為此歡呼雀躍。他們認為新的AMD少了資本密集的晶圓廠，獲利將會更好。AMD把晶圓廠分拆出去，成立了一家新公司，新公司會是像台積電那樣的代工廠，不僅為AMD生產晶片，也為其他的客戶生產晶片。阿布達比政府的主權基金穆巴達拉（Mubadala）變成那家新代工廠的主要投資者，對一個以石油聞名、而不是以高科技聞名的國家來說，這是一項令人意外的投資。負責審查外國收購策略資產的美國外資投資委員會（CFIUS）批准了這筆交易，它認為這不會影響國家安全。但AMD產能的命運最終將塑造晶片業，並確保最先進的晶片製造將在海外進行。格芯（GlobalFoundries）這家承襲AMD晶圓廠的新公司，進入了這個一如既往競爭激烈又無情的產業。2000年代與2010年代，摩爾定律持續推進，迫使先進的晶片製造商投入愈來愈多的資金，大約每兩年就得推出更先進的新製程。智慧型手機、個人電腦、伺服器晶片迅速移轉到新的「節點」，善用更密集的電晶體所帶來的更高處理力與更低功耗。每次的節點轉移，都需要更昂貴的機器來生產。多年來，每一代製造技術都是以電晶體的閘極長度來命名（閘極是矽晶片的一部分，其導電性會開啟與關閉，從而連接與中斷電路）。180奈米製程（180nm）的節點是在1999年首次出現，隨後出現的是130奈米、90奈米、65奈米、45奈米，每一代電晶體的體積都縮小到足以在同一區域容納約兩倍的電晶體。這降低了每個電晶體的功耗，因為更小的電晶體需要更少的電子流過它們。約莫是2010年代的初期，想透過在二維空間上縮小電晶體來塞進更多電晶體，已經不可行了。一個挑戰是，當電晶體根據摩爾定律縮小時，導電通道的狹窄偶爾會導致電路漏電，即便開關是關閉狀態也會。最重要的是，每個電晶體頂部的二氧化矽層變得很薄，以至於「穿隧」（tunneling）之類的量子效應開始嚴重影響電晶體的性能（穿隧是指跳過經典物理學認為應該無法逾越的障礙）。到了2000年代中期，每個電晶體上面的二氧化矽層只有幾個原子厚，因為實在太小了，無法蓋住矽裡的所有電子。為了更好地控制電子的移動，需要新的材料與電晶體設計。22奈米的節點與1960年代以來使用的2D設計不同，它導入了一種新的3D電晶體，稱為鰭式場效電晶體（FinFET）。它把電路的兩端以及連接它們的半導體材料通道放在矽片上方，看起來像鯨魚的背鰭。因此，連接電路兩端的通道不僅可以從頂部施加電場，也可以從鰭片的側面施加電場，從而增強對電子的控制，並克服威脅新一代電晶體性能的漏電問題。這些奈米級的3D結構，對於延續摩爾定律非常重要，但製造難度極高，在沉積、蝕刻、微影成像方面都需要更加精密。這也增加了不確定性：主要的晶片製造商都能完美地切換成FinFET架構嗎？還是有晶片廠商可能會落後呢？2009年格芯成為獨立公司時，業界分析師認為格芯在這場朝著3D電晶體邁進的競賽中，很有機會搶到市占率。台積電的前高層坦言，連台積電都擔心落後。格芯在德國承接了一座巨大的晶圓廠，也正在紐約興建一座先進的新廠。它與競爭對手不同，選擇把最先進的產能設在已開發國家，而不是亞洲。格芯與IBM及三星建立了合作夥伴關係，共同開發技術，使客戶可以直接與格芯或三星簽約生產晶片。此外，無晶圓廠的晶片設計公司迫切需要一個可以與台積電抗衡的可靠代工者，因為台積電這家台灣巨擘已經囊括了全球約一半的代工市場。另一個唯一的主要競爭對手是三星，其代工業務的技術與台積電大致相當，但產能遠低於台積電。不過，由於三星的部分業務是製造三星自己設計的晶片，這導致情況變得更加麻煩。像台積電這樣的公司，為數十家客戶生產晶片，而且竭盡所能讓客戶滿意，但三星有自己的智慧型手機和其他的消費電子產品，因此它本身就在與許多客戶競爭。這些公司擔心，他們向三星代工廠透露的想法，可能最終會顯現在三星的產品上。台積電與格芯則沒有這種利益衝突。格芯創立時，正巧遇到晶片業切換成FinFET電晶體，這個巧合不是晶片業唯一遇到的衝擊。台積電的40奈米製程面臨嚴重的製造問題，這也讓格芯有機會在面對強敵下脫穎而出。此外，2008至2009年的金融危機也正威脅著晶片業的排序。消費者不再購買電子產品，科技公司也因此不再訂購晶片。半導體的採購量下滑，台積電的一位高層回憶道，感覺就像電梯沿著空井滑落。如果說有什麼事情能擾亂晶片業，那應該就是全球金融危機了。不過，張忠謀並不打算放棄代工業務的主導地位。自從他的老同事基爾比發明積體電路以來，他經歷過晶片業的每個景氣循環，他確信經濟衰退終究會結束。過度擴張的公司將被迫退出市場，而那些趁景氣低迷時投資的公司，則可以搶到市占率。此外，張忠謀很早就意識到，智慧型手機將如何改變運算，進而改變晶片業。媒體關注的是臉書的祖克柏（MarkZuckerberg）這樣的年輕科技大亨，但77歲的張忠謀擁有幾乎無人匹敵的觀點。他對《富比士》（Forbes）表示，行動裝置將改變晶片業的遊戲規則。他認為行動裝置帶來的改變，將與個人電腦帶來的改變一樣重大。他會不惜一切代價，致力搶占這項業務的最大市占率。張忠謀意識到，台積電可以在技術上領先競爭對手，因為它是一個中立的參與者，其他的公司是圍繞著它來設計產品，他把這個模式稱為台積電的「大同盟」。這是一個由數十家公司所組成的合作關係，他們分別設計晶片、銷售智慧財產權、生產材料或製造機台。這些公司中，有許多公司相互競爭，但由於沒有一家生產晶圓，所以沒有一家與台積電競爭。因此，台積電可以在這些公司之間協調，制定晶片業的多數公司都同意使用的標準。他們別無選擇，因為與台積電的製程相容，對幾乎每家公司都非常重要。對無晶圓廠公司來說，台積電是它們最有競爭力的製造服務來源。對設備公司與材料公司來說，台積電往往是他們最大的客戶。智慧型手機市場的蓬勃發展，推高了大家對晶片的需求，張忠謀就處於中心的位置，他表示：「台積電知道，利用每個業者的創新很重要。我們的創新、設備製造商的創新、客戶的創新，以及智慧財產權授權者的創新。這就是大同盟的威力所在。」這種策略對財務有深遠的影響，他表示：「台積電與其十大客戶的研發支出加起來，就超過了三星與英特爾的總和。」當業內的其他公司繞著台積電凝聚起來的時候，整合設計與製造的老舊模式將難以與之匹敵。台積電在半導體業的中心地位，使它必須擁有為所有的大客戶生產晶片的能力。要做到那樣的程度，成本並不低。在金融危機期間，張忠謀精心挑選的繼任者蔡力行，做了幾乎所有的執行長都會做的事：裁員及削減成本。但張忠謀想做相反的事。要讓台積電40奈米的晶片製造回歸正軌，需要投資人力與技術。要爭取更多的智慧型手機業務，就需要大舉投資晶片製造的產能——尤其是蘋果的iPhone（於2007年推出，最初是向台積電的主要競爭對手三星購買關鍵晶片）。張忠謀認為蔡力行削減成本的做法是失敗主義。「那時投資非常非常少，」張忠謀事後告訴記者，「我一直認為這家公司有能力做得更多……但這沒有發生，公司陷入停滯不前的狀態。」於是，張忠謀撤換了繼任者，親自重掌兵符。當天台積電的股價下跌，因為投資者擔心他會推出報酬不確定的高風險支出計畫。張忠謀認為，真正的風險是接受現狀，他不會讓一場金融危機威脅到台積電競逐業界的領導地位。他在晶片製造業有長達半個世紀的輝煌記錄，從1950年代中期就開始琢磨出這番聲譽。因此，在危機最嚴重的時刻，張忠謀召回了那些被前執行長裁員的員工，並加倍投資於新產能與研發。即使面臨金融危機，他在2009年與2010年仍增加了數十億美元的資本支出。他說，「產能太多比產能不足」更好。在台積電搶占蓬勃發展的智慧型手機晶片市場時，任何想打入晶片代工業的公司，都會面臨台積電的全力競爭。2012年，張忠謀在半導體業跨入第60個年頭之際表示：「我們才剛剛開始。」

38蘋果矽

台積電等代工廠的崛起，最大受益者是一家多數人甚至沒意識到也有在設計晶片的公司：蘋果。賈伯斯創立的公司一向專注於硬體，所以蘋果很自然會想追求自家裝置的完備，包括控制內部的矽晶片。賈伯斯從草創蘋果開始，就已經深入思考軟體與硬體之間的關係。1980年，還留著及肩頭髮、鬍子蓋住上唇的賈伯斯在一場演講中提出一個問題：「什麼是軟體？」他回答：「我唯一能想到的回答是，軟體是變化太快的東西，或你還不確切知道你想要什麼的東西，或你沒時間融入硬體的東西。」賈伯斯沒有時間把他的所有想法都放入第一代iPhone的硬體中，那支手機是使用蘋果自己的iOS作業系統，但把晶片的設計與生產外包給三星。這款革命性的新手機還有許多其他的晶片：英特爾的記憶體晶片、歐勝（Wolfson）設計的音訊處理器、德國英飛凌（Infineon）生產的數據機晶片、CSR設計的藍牙晶片、Skyworks的信號放大器等等，都是其他公司設計的。隨著賈伯斯推出新版的iPhone，他開始把他對智慧型手機的願景刻在蘋果自己的矽晶片上。iPhone上市一年後，蘋果收購了矽谷的小型晶片設計公司PASemi，該公司有節能處理方面的專業。不久，蘋果開始雇用一些業內最好的晶片設計師。兩年後，蘋果宣布已經設計出自己的應用處理器A4，將會用在新的iPad與iPhone4中。設計像智慧型手機處理器那樣複雜的晶片，成本非常高昂，這也是多數中低端智慧型手機的廠商從高通等公司購買現成晶片的原因。然而，蘋果在德國的巴伐利亞與以色列的研發與晶片設計廠都投入了大量的資金，也在矽谷斥資請工程師設計最新的晶片。現在，蘋果不僅為其多數裝置設計主要處理器，也為AirPods等配件設計輔助晶片。這種對專用晶片的投資，可以解釋為什麼蘋果的產品運作得那麼順暢。iPhone上市四年內，蘋果就囊括了全球智慧型手機獲利的六成以上，擊敗諾基亞（Nokia）、黑莓機（BlackBerry）等競爭對手，使東亞的智慧型手機製造商只能在利潤低的廉價手機市場上競爭。就像高通與其他啟動行動革命的晶片公司一樣，蘋果雖然設計了愈來愈多的矽晶片，但它並沒有製造任何晶片。眾所皆知，蘋果把其手機、平板電腦、其他裝置的組裝，都外包給中國組裝廠的數十萬名工人，那些工人負責把微小的零組件組裝在一起。中國的組裝廠生態系統是全球製造電子設備的最佳地點。富士康、緯創等台灣公司在中國為蘋果經營這些組裝廠，這些廠房特別擅長生產手機、個人電腦，以及其他電子產品。雖然東莞、鄭州等中國城市的電子組裝廠是全球效率最高的，但它們並非無可取代。世界上還是有上億名勉強為生的農民，他們很樂於以每小時一美元的價格，把零組件裝在iPhone上。蘋果大部分的產品是富士康在中國組裝的，但也有一些是在越南與印度組裝。然而，智慧型手機內建的晶片與裝配線的工人不同，晶片很難更換。隨著電晶體的縮小，製造晶片變得更加困難。能夠製造先進晶片的半導體公司愈來愈少。到了2010年，也就是蘋果推出第一款晶片時，頂尖的代工廠已屈指可數：台灣的台積電、韓國的三星，或許格芯也算（這要看它能不能搶到市占率而定）。英特爾在縮小電晶體方面仍居全球領先地位。它依然專注為個人電腦與伺服器製造自己的晶片，而不是為其他公司的手機製造處理器。中芯國際等中國代工廠試圖迎頭趕上，但技術依然落後多年。因此，智慧型手機的供應鏈看起來與個人電腦的供應鏈截然不同。智慧型手機與個人電腦大多是在中國組裝，內建的高價值元件大多是在美國、歐洲、日本或南韓設計。個人電腦處理器大多是來自英特爾，在該公司設於美國、愛爾蘭或以色列的晶圓廠生產。智慧型手機則不同，它塞滿了晶片，不是只有主處理器（蘋果自己設計），還有用於連接行動網路的數據機晶片與無線射頻晶片、連接WiFi與藍牙的晶片、相機的圖像感測器、至少兩個記憶體晶片、感應動作的晶片（手機才能察覺到你何時把它橫放了），以及管理電池、音訊、無線充電的半導體。這些晶片構成了製造智慧型手機所需的大部分材料。隨著半導體的製造產能轉移到台灣與南韓，生產這些晶片的能力也隨之轉移。應用處理器是每部智慧型手機內的電子大腦，主要是在台灣與南韓生產，然後再送到中國，裝進手機的塑膠外殼與玻璃螢幕內。蘋果的iPhone處理器完全是在台灣製造。如今除了台積電以外，沒有一家公司有製造蘋果所需晶片的技術或產能。所以每部iPhone背面刻的文字「加州蘋果公司設計，中國組裝」其實很容易讓人誤會。蘋果手機最不可替代的元件確實是在加州設計，在中國組裝，但只能在台灣製造。

39極紫外光微影製程

在半導體業中，蘋果不是唯一一家供應鏈極其複雜的公司。到了2010年代末期，荷蘭的微影成像公司ASML已花了近20年的時間，試圖讓極紫外光（EUV）微影成像技術發揮作用。要做到這點，需要在世界各地尋找最先進的元件、最純的金屬、最強大的雷射、最精確的感測器。EUV可說是這個時代最大的科技賭注之一。2012年，在ASML產出可運行的EUV機台之前的好幾年，英特爾、三星、台積電都直接投資ASML，確保該公司有必要的資金繼續為自家未來的晶片製程開發出EUV機台。英特爾光是在2012年就向ASML投資了40億美元，那是英特爾有史以來押過最大的賭注之一。而且英特爾在那之前就在EUV投入了數十億美元的補助與投資，時間可溯及葛洛夫時代。誠如一位參與專案的科學家所述，英特爾與其他的晶片公司組成一個聯盟，為了「解決一個不可能的問題」，而向幾個美國的國家實驗室「提供感覺像無窮無盡的資金」。EUV微影成像設備（台灣俗稱曝光機）背後的概念，從那時開始到現在幾乎沒什麼改變。那個概念與萊斯羅普把顯微鏡顛倒過來，大致上是相同的：使用「光罩」擋住部分光線來轉印圖案，然後曝光到塗在矽晶圓的光阻劑上。光與光阻劑產生反應，於是可以沉積材料或蝕刻成完美的圖案，進而產出晶片。萊斯羅普是使用簡單的可見光，以及柯達公司生產的現成光阻劑。如今則是使用更複雜的透鏡與化學物質，最終在矽晶圓上轉印出小至幾百奈米的圖案。可見光本身的波長是幾百奈米，視顏色而定，所以隨著電晶體愈來愈小，最終會達到極限。晶片業後來改用波長為248奈米與193奈米的不同類紫外線。這些波長可蝕刻的圖案比可見光精確，但它們也有極限，因此業界又把希望寄託在波長為13.5奈米的極紫外光上。使用EUV帶來了幾乎不可能解決的新困難。萊斯羅普是使用顯微鏡、可見光，以及柯達生產的光阻劑；相反的，所有關鍵的EUV元件都必須特製，你無法直接買到EUV燈泡。為了產生足夠的EUV，需要用雷射粉碎一個小錫球。西盟（Cymer）是加州大學聖地牙哥分校的兩位雷射專家創立的公司，自1980年代以來一直是微影成像光源領域的主要參與者。該公司的工程師發現最佳做法是發射一個直徑為3000萬分之1米的小錫球，使它以時速約200英里的速度穿過真空。然後以雷射照射那顆錫球兩次，第一次是加熱它，第二次是以約50萬度的溫度（太陽表面溫度的好幾倍）把它轟擊成電漿體。這種轟擊錫滴的過程，每秒重複5萬次，就能產生製造晶片所需的EUV量。萊思羅普的微影成像技術只需要一個簡單的燈泡作為光源。從那時起，這個流程的複雜度已暴增到令人難以置信的程度。不過，西盟的光源之所以能夠運作，是因為一種新的雷射功率足以粉碎錫滴。這需要一種比過去任何雷射都要強大的二氧化碳雷射器。2005年夏天，西盟的兩名工程師找上德國精密模具公司創浦（Trumpf），詢問它們能不能製造出這種雷射器。創浦當時製作的二氧化碳雷射器已是全球最好的，用於精密切割等工業用途。這些雷射器在德國的工業傳統中是機械加工的重要基礎。由於二氧化碳雷射器產生的能量中約80％是熱能，僅20％是光，從機器中抽出熱量是一大挑戰。創浦之前設計了一種附風扇的鼓風機系統，每秒旋轉一千次，因為速度太快而無法使用物理軸承。於是該公司學會使用磁鐵，讓風扇飄浮在空中，從雷射系統中吸出熱量，又不會磨損其他元件而危及可靠性。創浦在提供西盟所需的精確度與可靠性方面頗負盛名，而且有優良紀錄，但它能提供西盟需要的強度嗎？EUV需要的雷射器比創浦目前生產的雷射器強大許多。此外，西盟要求的精確度，也比創浦之前處理的任何東西還要精密。創浦提出一種由四個元件組成的雷射器：兩個低功率但對每個脈衝精確計時的「種子」雷射器，使雷射每秒可命中五千萬顆錫滴；四個諧振器，增加光束的功率；一個超精確的「光束傳輸系統」，把光束引導到30多米外的錫滴室；一個最終聚焦裝置，確保雷射每秒直接命中數百萬次。每一步都需要新的創新。雷射室中的特殊氣體必須維持在恆定的密度。錫滴本身會反光，可能會反射回雷射而干擾系統。為了避免這種情況發生，就需要特殊的光學裝置。該公司需要工業鑽石來提供「窗口」，讓雷射可以透過「窗口」離開雷射室，因此必須與合作夥伴一起開發新的超純鑽石。創浦花了10年克服這些挑戰，並產出有足夠功率與可靠性的雷射器。每個雷射器都需要457,329個元件。在西盟與創浦找到轟擊錫滴的方法，使它發出足夠的EUV以後，下一步是製造鏡子來收集光，並把光導向矽晶片。製造全球最先進光學系統的德國蔡司公司，早在珀金埃爾默與GCA的時代就為微影成像系統製造鏡子與透鏡。然而，過去使用的光學元件與EUV所需要的不同，兩者之間的差異就像萊斯羅普的燈泡和西盟轟擊錫滴系統之間的差別那麼大。蔡司面臨的主要挑戰是EUV難以反射。EUV的13.5奈米波長比較接近X光線，而不是可見光。就像X光線那樣，許多材料會吸收EUV，而不是反射EUV。蔡司開始開發由100層鉬與矽交替製成的鏡子，每層都只有幾奈米厚。勞倫斯利佛摩國家實驗室的研究人員在1998年發表的一篇論文中指出，這是最佳的EUV反射鏡，但事實證明，打造這樣一面奈米級精度的反射鏡幾乎是不可能的事。最終，蔡司製造出有史以來最光滑的鏡子，雜質幾乎小到難以察覺。蔡司表示，如果把EUV系統中的反射鏡放大到德國那麼大，其最大的不規則度僅0.1毫米。為了精確地導引EUV光，它們必須完全靜止不動，這需要非常精確的機械與感測器，蔡司號稱那些機械與感測器甚至可以導引雷射，擊中遠在月球的高爾夫球。對2013年接管ASMLEUV事業的范霍特來說，EUV微影成像系統最關鍵的投入不是任何個別的元件，而是公司本身在供應鏈管理方面的技能。范霍特解釋，ASML設計這個商業關係網絡「就像設計一台機器」一樣，形成一個由數千家公司組成的精心調整系統，能夠滿足ASML的嚴格要求。他估計，ASML本身只生產EUV機台的15％元件，其餘都從其他公司採購。這讓ASML可以取得全球最精密的產品，但也需要持續的監控。ASML別無選擇，只能依賴單一來源提供EUV系統的關鍵元件。為此ASML深入瞭解供應商的供應商，以瞭解風險。ASML會投資某些供應商，例如在2016年支付10億美元資助蔡司的研發流程。然而，ASML也要求這些公司必須遵守嚴格的標準。ASML的執行長彼得．溫寧克（PeterWennink）對一家供應商說：「你們不守規矩的話，我們會直接把你們的公司買下來。」這不是開玩笑。ASML評估後發現自己管理這些供應商的效果更好後，就乾脆收購了幾家供應商，其中就包括西盟。如此衍生的結果是一台有數十萬個組件的機台，花了數百億美元及幾十年的時間才開發出來。而且更奇蹟的是，不僅EUV微影成像技術可行，它還可以可靠地運作，生產出符合成本效益的晶片。對EUV系統中的任何元件來說，極度可靠非常重要。ASML設定的目標是，每個元件在需要維修之前，平均至少使用3萬個小時，也就是約4年。實務上，維修還是比較頻繁，因為不是每個元件都在同一時間損壞。每台EUV機台的成本超過1億美元，因此每台只要停機1小時，晶片製造商就損失數千美元的生產。EUV機台之所以能夠運作，有部分要歸功於軟體。例如，ASML使用預測性維護演算法來預測元件何時需要在損壞之前先更換。它也用軟體做所謂的「運算微影成像」流程，以便更精確地轉印圖案。光波對光阻劑的反應有原子級的不可預測性，那也為EUV帶來了新的問題（以前的較大波長幾乎沒有這種問題）。為了調整光折射方式的異常，ASML機台曝光的圖案與晶片製造商希望印在晶片上的圖案是不同的。例如，要印一個X，需要用形狀完全不同的圖案，但是光波照在矽晶圓上時，最終會產生一個X。最終的產品（晶片）之所以能可靠地運作，是因為它們只有單一組成：一塊矽上覆蓋著其他金屬。晶片中沒有可移動的部件（除非你把內部快速移動的電子也算在內）。然而，生產先進的半導體，一直是依賴一些有史以來最複雜的機器。ASML的EUV微影成像設備，是史上最昂貴的量產機台。它極其複雜，用戶沒有接受ASML人員的廣泛培訓，根本不可能使用。在機台的整個生命週期，ASML的人員都會在現場。每個EUV掃描器的側邊都有一個ASML的標誌。但ASML欣然承認，該公司的專業其實是組織一個由光學專家、軟體設計師、雷射公司，以及許多其他人所組成的網絡，這些人的能力是實現EUV夢想所必需的。要哀歎製造的外移很容易，就像葛洛夫生前那幾年那樣。美國的經濟民族主義者要是知道微影成像技術或EUV技術的歷史，發現荷蘭公司ASML把美國國家實驗室首創的一項技術加以商業化，而且主要還是由英特爾資助，肯定會氣得半死。然而，ASML的EUV機台並不是真正的荷蘭產品，雖然它們主要是在荷蘭組裝。關鍵元件是來自加州的西盟與德國的蔡司和創浦。即使是德國公司，也要依賴13美國生產的關鍵設備。重點是，這些神奇的機台是許多國家的產物，沒有一個國家能宣稱自己擁有一切。這個由數十萬個元件構成的機台，是許多國家的心血結晶。葛洛夫把第一筆2億美元的資金投入EUV以前，曾問卡拉瑟斯：「這可行嗎？」經過30年及數十億美元的投資、一系列的技術創新，以及打造出世界上最複雜的供應鏈以後，到2010年代中期，ASML的EUV機台終於準備好部署在全球最先進的晶片製造廠了。

40「沒有替代方案」

2015年，有人問嚴濤南，萬一ASML正在開發的新EUV微影成像設備無法運作，會發生什麼事。過去25年，嚴濤南一直致力投入最先進的微影成像技術。1991年，他從麻省理工學院畢業後就到德儀工作，在那裡接觸到GCA破產前生產的最後一批微影成像機台。他在1990年代末期加入台積電，當時產生193奈米波長的深紫外線微影成像技術才剛問世。近20年來，晶片業依靠這些機台來製造愈來愈小的電晶體，並運用一系列的光學技巧（例如讓光穿過水或穿過多個光罩）來讓193奈米的光波能夠形成只有其幾分之一大小的圖案。這些技巧讓摩爾定律得以延續，晶片業因此不斷地縮小電晶體，從1990年代末期的180奈米節點，進化到3DFinFET晶片的早期階段（2010年代中期，FinFET晶片已準備好量產）。然而，能幫193奈米刻出更小細節的光學技巧是有限的。每個新的變通方法都會增加時間與成本。到了2010年代中期，一些小幅改善也許勉強還能做到，但摩爾定律需要更好的微影成像機台來刻更小的形狀。現在唯一的希望是，從1990年代初期就開始開發但嚴重耽擱的EUV機台，最終能以商業規模運作。還有別的選擇嗎？嚴濤南知道：「沒有替代方案。」張忠謀押在EUV上的賭注，比半導體業裡的任何人都大。台積電的微影成像團隊對於EUV機台是否已經準備好量產，意見分歧。但說話溫和的台積電研發高層蔣尚義確信，EUV是唯一的前進道路。蔣尚義領導台積電的研發，一般普遍認為他是台積電頂尖製造技術的功臣。他生於重慶，跟張忠謀一樣在二戰期間為逃離日軍攻擊而舉家遷徙。他在台灣成長，後來在史丹佛大學攻讀電機，畢業後先後在德州的德儀及矽谷的惠普工作。當台積電突然打電話給他，提供一份工作機會及豐厚的簽約獎金時，他於1997年搬回台灣，幫助建立公司。2006年，他退休回到加州，但2009年台積電在40奈米製程面臨延宕時，張忠謀感到有點沮喪，趁他回台灣之際，以一碗牛肉麵打動他，讓他回到台積電重掌研發大計。蔣尚義曾在德州、加州、台灣工作過，總是受到台積電的雄心壯志與工作態度所感召。那股雄心壯志源自於張忠謀對世界一流技術的願景，這點從他願意投下鉅資，把台積電的研發團隊從1997年的120人擴大到2013年的7000人，即可見得。這種渴望彌漫著整個公司，蔣尚義解釋：「台灣人工作勤奮很多。」由於製造機台占先進製造廠成本的很大一部分，因此維持設備運行對獲利非常重要。蔣尚義指出，在美國，如果凌晨一點發生故障，工程師會等到清晨再修理。在台積電，他們凌晨兩點前就修好了。他說：「他們不會抱怨，他們的配偶也不會抱怨。」蔣尚義回鍋重掌研發後，台積電開始毅然邁向EUV。他可以輕易找到願意通宵工作的員工。他要求在台積電的最大廠之一Fab12的中間安裝三台用來測試的EUV掃描器。在公司與ASML的合作關係中，他也不惜重金，一再地測試與改進EUV機台。格芯為7奈米節點做準備時，也跟台積電、三星、英特爾一樣考慮採用EUV。從創立之初，格芯就知道，公司如果想蓬勃發展，就需要壯大。格芯承接了AMD的晶圓廠，但那些晶圓廠遠比競爭對手的小。為了壯大，格芯於2010年收購了新加坡的晶圓代工廠特許半導體。幾年後的2014年，又收購了IBM的微電子事業，承諾為IBM生產晶片（IBM決定出售晶圓廠的理由跟AMD一樣）。IBM高階主管過去常分享一張運算生態系統的圖：一個倒金字塔，底部是半導體，上面的其他運算都依賴它。然而，IBM雖然在半導體業務的成長中扮演根本要角，但該公司的領導者認為製造晶片在財務上沒有意義。當他們面對究竟要投資數十億美元來建造先進晶圓廠，還是投資數十億美元打造高利潤軟體的決定時，他們選擇了後者，把晶片部門賣給了格芯。2015年，拜這些收購所賜，格芯成了美國最大的代工廠，也是全球最大的代工廠之一，但與台積電相比仍是小巫見大巫。格芯與台灣的聯電競爭世界第二大代工廠的地位，兩家公司都擁有約10％的代工市占率，而台積電擁有50％以上的全球代工市場。2015年，三星在晶圓代工市場的市占率只有5％，但是如果把三星生產自己設計的晶片也算進去的話（例如記憶體晶片、智慧型手機的處理器晶片），三星生產的晶圓比任何公司都多。業界標準是以每月千片晶圓為單位來衡量，台積電的產能為180萬，三星為250萬，格芯僅70萬。台積電、英特爾、三星肯定會採用EUV，雖然它們對於何時及如何採用EUV有不同的策略。格芯則不是那麼肯定，該公司在28奈米製程方面一直不太順利。為了降低延遲的風險，格芯決定從三星取得14奈米製程的授權，而不是內部開發，這項決定顯示他們對自己的研發不太有信心。到了2018年，格芯已採購一些EUV微影成像機台，並安裝在最先進的Fab8晶圓廠中。但這時格芯的高管卻下令停工，取消EUV計畫。格芯放棄了先進的新節點，不採用以EUV微影成像技術為基礎的7奈米製程（那個製程的開發已投入15億美元，若要上線運作還需要再投入差不多的金額）。台積電、英特爾、三星的財務狀況足以讓他們豁出去豪賭一番，並希望EUV能順利運作。格芯則判斷自己身為中型代工廠，永遠不可能讓7奈米製程獲利。因此格芯宣布停止生產更小的電晶體，把研發支出削減三分之一，並在經歷幾年虧損後迅速轉虧為盈。除了全球最大的晶片製造商，製造先進的處理器對一般業者來說太昂貴了。連擁有格芯股權的波斯灣王室也嫌財力不夠雄厚。於是，有能力製造先進邏輯晶片的公司再從四家減為三家。

41英特爾如何忘了創新

美國至少可以依靠英特爾。該公司在半導體業有無與倫比的地位。雖然英特爾老一輩的領導層早就不在了（葛洛夫於2016年去世，現年90幾歲的摩爾則是到夏威夷頤養天年了），但把DRAM商業化及發明處理器的聲譽依然存在。在結合創新晶片設計與製造能力方面，找不到比英特爾聲譽更好的公司了。英特爾的x86架構仍是個人電腦與資料中心的業界標準。個人電腦市場停滯不前，因為目前看來幾乎每個人都有個人電腦了，但這對英特爾來說仍是獲利很好的事業，每年帶來數十億美元的獲利，可再投資於研發。整個2010年代，英特爾在研發上的支出逾100億美元，是台積電的四倍，也是DARPA全部預算的三倍。世界上只有幾家公司的研發支出超越英特爾。隨著晶片業進入EUV時代，英特爾看來已準備好稱霸市場。在EUV技術的興起方面，英特爾扮演關鍵要角，這要歸功於葛洛夫在1990年代初期對這項技術投入最初的2億美元。如今，經過數十億美元的投資（其中有很大一部分來自英特爾），ASML終於開發出這項技術。然而，英特爾並沒有把握這個電晶體不斷縮小的新時代，而是浪費了領先優勢，錯過了AI所需半導體架構的重大轉變，接著又延誤了製程，未能跟上摩爾定律的步調。如今，英特爾仍享有豐厚的利潤，它仍是美國最大、最先進的晶片製造商。然而，自1980年代葛洛夫決定放棄記憶體，把一切都押在微處理器以來，英特爾的未來比過去的任何時點更不確定。它仍有機會在未來五年重新奪回領導地位，但也可能輕易消亡。這一切攸關的不單只是一家公司，而是美國晶片製造業的未來。沒有英特爾，就再也沒有一家美國公司——或者台灣或韓國以外的工廠——有能力製造先進處理器了。英特爾跨入2010年代時，可說是矽谷的異類。投入邏輯晶片市場的多數美國公司，包括英特爾的主要競爭對手AMD，都已經出售自己的晶圓廠，只專注於設計。英特爾堅持固守整合化的模式（把半導體設計與製造整合在一家公司裡），因為英特爾的高層認為這種模式仍是量產晶片的最佳做法。英特爾的領導人認為，該公司的設計與製程可相互優化。相較之下，台積電別無選擇，只能採用通用製程，這種製程適用於AMD的伺服器晶片，也適用於高通的智慧型手機處理器。英特爾正確地掌握了這種整合模式的一些好處，但這也有很大的缺點。由於台積電為許多不同的公司製造晶片，它現在每年製造的矽晶圓數量幾乎是英特爾的三倍，因此有更多的機會可以精進製程。此外，英特爾把設計晶片的新創企業視為威脅，台積電則把它們視為潛在客戶，可為它們提供製造服務。由於台積電只有一個價值主張——有效製造——其領導高層不斷地追求以更低的成本，製造愈來愈先進的半導體。英特爾的領導者則不得不把注意力分散在晶片設計與晶片製造上，結果兩邊都顧不好。英特爾的第一個問題是人工智慧。到了2010年代初期，該公司的核心市場，也就是供應個人電腦的處理器，已經停滯不前。如今，除了遊戲玩家以外，幾乎沒有人會在新型處理器問世時興奮地升級個人電腦，多數人也不太去想電腦裡裝的是哪種類型的處理器。英特爾的另一個主要市場（賣伺服器處理器給資料中心）在2010年代蓬勃發展。亞馬遜網路服務、微軟Azure、Google雲端平台，以及其他的公司構建了巨大的資料中心網絡。這些資料中心的運算力構成了「雲端」。我們在網路上使用的多數資料，就是在這些公司的資料中心處理的，而每個資料中心都裝滿了英特爾的晶片。但在2010年代初期，就在英特爾稱霸資料中心這一塊事業後，處理需求開始發生變化。新興趨勢是AI，而英特爾的主要晶片在設計上無法很好地因應這項任務。自1980年代以來，英特爾一直專注於CPU晶片，亦即中央處理器，個人電腦中的微處理器就是一例。這些晶片有如電腦或資料中心的「大腦」，是通用的工作主力，可以打開網路瀏覽器，也可以執行微軟的Excel軟體。CPU可以做多種不同的運算，用途多元，但它們是連續地逐一處理這些運算。在通用CPU上執行任何AI演算法是有可能的，但AI需要的運算規模導致採用CPU的成本高得嚇人。訓練單一AI模型的成本（它使用的晶片及晶片消耗的電力）可能高達數百萬美元。比如說，要訓練一台電腦辨識貓，你必須向那台電腦展示大量的貓與狗，這樣它才能學會區分貓狗。你的演算法要求區分的動物愈多，需要的電晶體就愈多。由於AI經常需要重複執行相同的運算，每次使用不同的資料，所以想辦法為AI演算法訂製晶片，才能讓AI變成經濟上可行的運用。多數公司的演算法是放在亞馬遜、微軟等大型雲端運算公司所經營的資料中心裡，所以這些雲端業者每年斥資數百億美元購買晶片與伺服器。他們為這些資料中心所支付的電費也非常驚人。當他們競相向各種公司出售雲端空間時，盡可能從晶片中擷取效率就很必要。相較於英特爾的通用CPU，針對AI優化的晶片運作得更快，占用的空間更少，也更省電。2010年代初期，設計圖形晶片的公司輝達開始聽到傳聞，史丹佛大學的博士生把輝達的圖形處理器（GPU）用於圖形以外的其他用途。GPU的運作方式異於一般的英特爾或AMD的CPU。CPU有無限的靈活性，但所有的運算是逐一執行。相反的，GPU是同一運算同時多次反覆執行。很快大家就發現，這種「並行處理」不止可用來控制電玩中的圖像畫素，還有其他的用途，例如有效地訓練AI系統。CPU只能向演算法提供一份接一份的資料，GPU則可以同時處理多份資料。為了學習辨識貓的圖像，CPU是逐一處理每個畫素，GPU則是一次「看」多個畫素。因此，訓練一台電腦辨識貓所需的時間大幅減少了。此後，輝達開始把公司的未來押在AI上。從創立之初，輝達就把晶片製造外包（主要是外包給台積電），專注於設計新一代的GPU，並定期精進其特殊的程式設計語言CUDA，這種語言讓人更容易設計使用輝達晶片的程式。投資者臆測，資料中心將會需要愈來愈多的GPU，輝達因此成了美國最有價值的半導體公司。然而，輝達的崛起並不是那麼確定的事，因為大型雲端運算公司（如Google、亞馬遜、微軟、臉書、騰訊、阿里巴巴等）除了採購輝達的晶片，也開始針對自己的處理需求設計專用的晶片，並把焦點放在AI與機器學習上。例如，Google設計了張量處理器（Tensorprocessingunit，簡稱TPU），這種晶片的優化是配合Google的TensorFlow軟體庫一起使用。你可以用每月3000美元的價格租用Google最簡單的TPU（位於其愛荷華州的資料中心）。不過，更強大的TPU價格可達每月10萬美元以上。雲端可能聽起來虛無縹緲，但幫我們儲存所有資料的矽晶片是非常真實、也非常昂貴的。最終無論是輝達還是大型雲端運算公司勝出，英特爾近乎壟斷資料中心處理器的局面都將結束。如果英特爾已找到新的市場，失去這個主導地位就不是那麼嚴重的問題。然而，英特爾在2010年代中期進軍代工業務，試圖與台積電正面競爭，但終告失敗。英特爾試圖向任何尋求晶片製造服務的客戶開放其生產線，等同於承認整合與製造的模式並不像英特爾高層宣稱的那麼成功。英特爾具備成為一家主要代工廠的一切要件，包括先進技術與巨大產能，但成功需要重大的文化變革。台積電對智慧財產權的態度是開放的，反之英特爾是封閉且保密的。台積電是服務導向，英特爾認為客戶應該遵循它的規則。台積電不與客戶競爭，因為它沒有設計任何晶片；英特爾是晶片業的巨擘，其晶片幾乎與所有的同業競爭。2013年至2018年擔任英特爾執行長的布萊恩．科再奇（BrianKrzanich）公開堅稱：「過去幾年，我基本上一直在經營我們的代工事業。」他也描述這項業務「策略上很重要」，但客戶看來並非如此，他們認為英特爾並未優先看待代工客戶。在英特爾內部，代工業務並未獲得優先考量。相較於製造個人電腦與資料中心的晶片（仍是利潤豐厚的業務），英特爾這項新的代工事業幾乎得不到內部支援。因此，2010年代英特爾投入代工業務時，只獲得一個大客戶，代工業務經營短短幾年後就關閉了。隨著2018年英特爾50週年紀念日的來臨，這家公司也開始衰頹，市占率萎縮，官僚氣息令人生厭，創新不再。壓倒一切的最後一根稻草，是英特爾使摩爾定律無法延續，規劃的製程改善一再延誤，目前仍難以修正。2015年以來，英特爾一再宣布推遲10奈米與7奈米的製程，而台積電與三星已經領先。英特爾幾乎沒有解釋出了什麼問題。這五年來，英特爾一再宣布「暫時的」生產延期，技術細節都掩藏在員工的保密協議中。多數業內人士認為，英特爾的許多問題源自於延遲採用EUV機台。到了2020年，英特爾長年資助開發的EUV微影成像機台中，有半數已經安裝在台積電。相反的，英特爾才剛開始在製程中使用EUV。隨著2010年代的結束，僅兩家公司有能力製造最先進的處理器：台積電與三星。對美國來說，這兩家公司都有同樣的問題：它們的地理位置。現在，全球最先進的處理器都在台灣與南韓生產，而這兩國都與美國正在崛起的戰略對手——中國——近在咫尺。

▲荷蘭的ASML公司製造最先進的微影成像機，這種機器是用來製作數百萬個微型電晶體的圖案，每個電晶體都遠比人體的細胞還小。每台機器的成本都超過1億美元，由數十萬個元件組成。（ASML）

▲如今，先進晶片有微小的3D立體電晶體，每個電晶體都比新冠病毒還小，僅幾奈米寬（1奈米等於1米的十億分之一）。（IBM）