台積電美國工廠:400億美元的形象工程
2022年12月,美國亞利桑那州的鳳凰城的台積電晶圓廠裝機慶典,全球頂級晶片公司一把手齊聚一堂,91歲的張忠謀也前來捧場。依照規劃,亞利桑那晶圓廠將在2024年正式運營,生產N4製程的晶片-也就是A16和H100所採用的製程。
裝置儀式上,台積電還高調宣佈在當地建造第二座晶圓廠,於2026年生產更先進的3nm晶片,總投資額超過400億美元。拜登激動地當場宣告:“各位,美國製造業回來了。”
然而沒多久,亞利桑那州晶圓廠就宣布延後投產。今年2月,台積電向《紐約時報》大倒苦水,直指美國工人爺爺難伺候。赴美的台積電工程師說:“美國人在分配到多項任務時,可能會拒絕接受新任務,而不是努力完成所有任務[1]。”
美國工人則向《Business Insider》控訴台積電管理混亂,罪狀包括:工地上的亞洲工人不戴安全眼鏡和手套;每天開工前花費1小時進行安檢排隊;台積電故意不告訴工人正確的工作信息,以歪曲亞利桑那州勞動力的技能水準等等[2]。
台積電在美國的跌宕似乎並非孤例,要知道富士康當年在威斯康辛州的“世界第八大奇蹟”,現在還沒蓋好呢。
美國製造,亞洲封裝
2016年,搭載A10晶片的iPhone 7上市,在CPU速度較前代iPhone 6提高兩倍多、內存容量提高一倍的情況下,機身厚度控制在了7.1毫米,是歷代iPhone中第二薄的。
實現這一點,關鍵因素是台積電提供的名為「InFO」的封裝技術。
何為封裝?簡單來說,晶片在生產完成後,晶圓會被切割成單一裸片(Die),放置到基板上,引出管腳/引線,最後蓋上外殼——這就是傳統的封裝方式。
與之對應,「先進封裝」將技術的注意力放在了縮短晶片之間的通訊距離,以實現性能提升或晶片面積/能耗的下降。在iPhone 7中,台積電就將A10處理器與LPDDR記憶體晶片整合在同一個封裝中。此後的A系列晶片都應用了台積電的先進封裝方案。
我們平常所說的晶片(Chip),大部分指的是完成了封裝步驟的晶片。而晶圓廠生產的大部分“晶片”,其實是由類似下圖中一個個裸片組成的一整塊晶圓。
時至今日,從A系列到特斯拉的Dojo,從AMD的MI300到英偉達的H100,先進封裝幾乎已成為高效能晶片的標準配備。每一顆H100從台積電十八廠的N4/N5產線上下來,都會運往同在園區內的先進封測二廠,完成最關鍵的CoWoS封裝步驟。
而先進封裝的普及,暴露了台積電美國工廠面臨的一個問題:即便晶片在美國生產,還是得送到台灣地區完成封裝。
雖然亞利桑那州州長Katie Hobbs曾表示,台積電在鳳凰城還將展開先進封裝廠的建設計劃,但先進封裝廠的投資本就不菲,如果本地的訂單量不夠,算下來可能會更虧。
今年六月,台積電董事長劉德音就在股東會上表示,基於成本原因,美國廠目前尚未規劃先進封裝產能。但同一時間,位於台灣竹南科學園區的台積電封測六廠正式啟用,潔淨室面積大於台積電其他封測廠的總和,用於進行InFO、CoWoS等先進封裝技術的量產工作[3]。
先進封裝對高性能晶片的重要性,直接體現在台積電的收入。根據分析師Robert Castellano的測算,台積電生產一顆H100晶片的收入「只有」不到200美元,但單顆晶片的封裝收入卻超過700美元。
其他的先進封裝產能,除了英特爾外,三星、聯電、日月光都在東亞。時至今日,台積電仍會把最先進的晶圓廠放在台灣地區。
封裝只是台積電在美國面臨的成本問題的縮影。晶圓廠雖然可以拔地而起,但晶片製造能力很難在短時間內透過補貼來實現「轉移」的效果,因為它是一個包含了幾十個環節的龐大系統。
而這套體系的核心在東亞。
轉移的不只是工廠
晶片製造是技術和工業的高峰,但更是一個成本的遊戲。
這也是為什麼積體電路雖然誕生在美國,但生產製造卻在幾十年來迅速的轉向東亞,以至於全世界80%的積體電路都在亞洲生產。
韓國生產了全球一半的記憶器,台積電和三星在晶片代工的市佔率將近80%,全世界最大的封測廠都在中國大陸和台灣地區。台積電上一次去美國建工廠還是1996年的事。種種因素決定,勞動力密集、儲蓄率高、政府財政投資意願強的東亞,最終成為摩爾定律的戰場。
而在這個轉移的過程中,從美國轉移到東亞的不僅是工廠,而是與之對應的研發生產與人才輸送體系。
台積電在台灣地區建造的不僅有晶圓廠,還有對應的研發中心,用來開發面向未來的2nm和1.4nm晶片生產技術。同時,台積電絕對領先的市場地位也會影響人才的流動。
2022年,半導體產業佔台灣地區總GDP的13%,而晶圓代工業務對半導體產業的貢獻則達52%。與之對應,台灣地區每年有近20萬名大學畢業生,50%以上都是工科學生,且以電子製造和半導體專業為主。
由於晶圓廠建設的巨大投資,台積電甚至帶動了台灣地區建築業的成長。
三十多年來,強勢的半導體產業和教育體系形成了一套雙向回饋的系統,應屆生批量的流向台積電和聯電這類晶片製造企業,為產業源源不斷地輸送彈藥。
這也是為什麼半導體研究機構SemiAnalysis認為,隨著晶片封裝技術越來越先進,蘋果和英偉達等台積電客戶將發現,將自己從亞洲解脫出來的難度越來越高。這是因為台積電總是在台灣地區開發最新的製造和封裝工藝,那裡的成本更低,人才也更容易找到[4]。
也就是說,在產業轉移過程中,轉移的不僅是工廠和生產線,而是與之配對的技術創新體系和人才培育體系。在「製造業回流」這個脈絡裡,工廠可以轉移,但人才的體系無法複製貼上。
同屬製造業的波音就是一個很典型的例子。1980年代後,波音將客機生產向美國以外外包,因此帶來了一個深層影響:隨著產業鏈環節在美國消失,與之對應的人才體係也出現塌方,導致產業工人的供給出現斷層,進而限制了技術升級以及創新的可能。
後來為了解決交付壓力,波音不得不歸還已經退休的機械師和檢查員,原因就是大規模的人才斷層。
從1979年至2011年,美國的製造業就業人數減少了40%,與工廠消失的很可能還有配套的供應商,大學的專業和學術界的相關研究。
人才總會向產業的高地流動,如今西雅圖的美國應屆生更願意去亞馬遜工作,還是去23公里外的波音工廠打螺絲,不言而喻。
而「半導體製造」甚至是許多美國人沒聽過的職業選擇。亞利桑那州鳳凰城的一位人力官員桂林·沃勒(Kweilin Waller)曾表示,“應徵者聽到對半導體製造業時,常一頭霧水,不太熟悉[5]。”
因而,美國試圖透過補貼和建廠重塑晶片生產能力,最終也會遇到人才斷層的問題。
美國市值最高的公司裡,只有蘋果勉強算製造業,但它沒有一間工廠。2012年,歐巴馬曾問賈伯斯,「需要做什麼,才能讓iPhone回美國生產?」賈伯斯毫不猶豫的回答:「那些工作不會回來了。
電腦大國的煩惱
不久前,曾經擔任台積電研發處處長的楊光磊接受采訪,雖然討論的主題是英特爾和台積電的競爭,但也能從一個側面反映台積電為什麼會在美國水土不服。
楊光磊認為,目前美國年輕人的就業重心都在軟體,比起半導體工廠,大家更願意去微軟、Google和META工作,幾乎沒有先進的半導體研發與製造人才。同時,對美國來說,半導體製造是個「移民型產業」:
「上世紀80~90年代的美國半導體產業,都是由東方面孔的亞裔撐起一片天。如今,在這些東方面孔的人才回到亞洲後,現階段美國的半導體產業要持續發展,就變得相當的困難。”
事實也是如此,美國晶片製造業的建立來自許多亞洲面孔,他們大多都有赴美求學-在美國半導體公司工作-回亞洲創業的履歷。在這個過程中,晶片製造的產線、研發和人才體系的中心也轉移到了東亞地區。
外界常常將美國視為晶片強國,但實際上,美國真正的優勢產業是以軟體為代表的“計算機科學”,而不是以大規模標準化生產為核心的晶片製造。雖然兩者都誕生在美國,但後者在80年代後不斷外流,而前者不僅從未「外流」到其他經濟體,反而優勢越來越大。
舉例來說,英偉達雖然是一家晶片公司,但它的強項在於晶片架構和設計,以及以CUDA為代表的軟體能力,而晶片的生產則完全交給代工廠。
在這個脈絡下,Unix、RISC、資料庫、人工智慧等電腦科學領域的細分門類,幾乎都誕生在美國,並且始終擁有巨大的優勢。
晶片製造則是一個非常「東亞性」的產業,特徵是24小時連軸轉的工廠,強調紀律和服從。在產線上工作時,員工處於與世隔絕的狀態,既不能用手機,也不能上網。加上工作時需要穿上無塵衣,連廁所都不能隨便去。
一位駐場過不同晶圓廠的設備商曾向《日經亞洲》表示,一些美國工人到台積電位於台灣地區的工廠接受訓練後,會因無法承受嚴苛的軍事化管理當場提桶跑路。
相較於難管的美國工人,台積電在日本的投資就順利的多。根據《南華早報》的說法:台積電認為,日本的工人更願意加班,因為晶片製造機器要在無菌的無塵室全天候運作。而日本的工人以工作時間長和對雇主的忠誠而聞名。
因而,對大部分美國科技人才來說,在半導體工廠之外,有太多收入更可觀的職業選擇。根據招募平台訊息,台積電在美僱傭工程師的平均年薪約為11.8萬美元,而美國軟體工程師的平均年薪是15.6萬美元[6]。
根據美國半導體產業協會(SIA)發布的報告,到2030年,美國半導體產業將新增11.5萬個工作崗位,但其中58%,即6.7萬個職位可能面臨空缺[7]。
對台積電來說,薪資待遇可以硬著頭皮漲,企業文化也有變通的空間,但生產的規則和人才的培養難以速成。
無論晶片製造有多少高科技的成色,但其核心仍是24小時連續運轉的工廠,以及對資本和勞動力的高強度消耗。晶圓廠也是廠,它意味著透支身體的加班、枯燥重複的勞動和毫無尊嚴的集體宿舍。
決定人才流動的最主要因素,始終是一個產業的獲利能力。王傳福說“以前想招清華北大人家看不上,今年招到不少”,原因還是比亞迪的車賣的越來越好。
「最懂晶片的人都在華爾街和陸家嘴」可能是個段子,但畢業生都想擠進軟體大廠確是事實。台積電在美國的問題,對我們來說並非毫無參考價值。
參考資料
[1] 台灣地區晶片巨頭在美擴張加劇緊張局勢,紐約時報
[2] TSMC’s Arizona plant is delayed over poor management, not a shortage of US skilled labor, the workers building it say,Business Insider
[3] 先進封測六廠啟用,締造3DFabric™系統整合技術擴產里程碑,台積電官網
[4] The Flaw in Apple’s Plan to Make Chips in Arizona,The Information
[5] 美國工程師難求,台積電恐陷人才爭奪戰,日經亞洲
[6] 台積電美國工廠人才困境:工種不對口,起薪6.7萬美元招不到人,芯東西
[7] Chipping away—assessing and addressing the labor market gap facing the US Semiconductor industry,SIA