臺積電如何做自主研發

來源/21tech（News-21）

作者/江月

編輯/陶力

圖源/圖蟲

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最受關注的芯片研發中心之一。

7月28日，晶圓代工龍頭臺積電舉行了盛大的“全球研發中心”啓用儀式。這是全球最受關注的科技研發基地之一，因其引領着未來8至10年全球最先進的芯片晶體管技術；這也是全球最“燒錢”的研發部門之一，目前年度花費已經超過50億美元。

有關臺積電如何通過30多年短短的歷史就成爲全球科技龍頭，世人充滿好奇。資料顯示，臺積電在過去11年中研發支出年復合增長率高達15%，並堅持將年收入的8%投入到這個不能立即產生營收的部門。臺積電創始人張忠謀稱，需要抵住誘惑、堅持自主研發。

彰顯根留臺灣決心

“有很多朋友質疑臺積電是不是最近在重心外移，以至於在臺灣的研發都停頓了。（回答是）不是的，我們要通過啓用全球研發中心告訴大家我們根留臺灣的決心。”臺積電總裁魏哲家在典禮致辭中如是說。

臺積電董事長劉德音於致詞時也回顧了臺積電的發展歷程，並表示隨着臺積電全球研發中心的正式啓用，臺積電研發團隊將更積極开發領導世界半導體業的技術，探索2nm、1.4nm及更先進技術。

現年92歲、2018年6月已經正式退休的臺積電創辦人張忠謀，也在退休後第一次回到臺積電參與了此次活動並致辭。他強調說，要把技術自主研發這個理念一再重溫，也要關注研發和制造團隊的密切聯系。

“過去十年來，臺積電研發團隊對全球經濟做出很大貢獻，也讓臺積電成爲兵家必爭之地。”張忠謀稱。

臺積電全球研發中心座落於新竹科學園區，靠近臺積電晶圓十二廠第八期。目前進駐員工數約 2200 人，預計2023 年 9 月進駐員工總數超過 7000 人。

全球研發中心於 2020 年 7 月動工，2023 年 2 月研發人員开始陸續進駐。整體樓地板總面積爲 30 萬平方米，約等同於 42 座標準足球場，建築佔地總面積爲 2 萬平方公尺，樓層數爲地上 10 層、地下 7 層。據劉德音介紹，研發中心在設計、施工有很多巧思，有超高屋頂和可塑性工作空間。

張忠謀稱，臺積電從一开始就堅持自主研發，但也不是沒有誘惑。“一开始飛利浦也誘惑過我們使用他們技術來互相授權來進行發展，但我們很堅決拒絕了，我們堅持要發展自己技術。雖然我們有接受飛利浦的互相授權，也確實在5-10年中享受他們太陽傘下的保護，但仍保有我們的技術自主。”他稱。1987年，飛利浦是臺積電成立的合資人之一。

“從技術自主到技術領先，這是我自傳的一章，也是一條漫長的路。”張忠謀說。他指出，臺積電走了幾乎30年，一直到7nm技術領先同行才有十足信心自稱技術領先，期間花費了巨大的工作才把研發建立起來。

諸多前沿研發計劃

根據臺積電官網，臺積電的未來研發計劃主要包括分爲2納米及以下技術、3D IC、新記憶體、下一代光刻等，以便爲未來技術平臺建立堅實的基礎。

2022年，臺積電也取得了不少研發成就，包括試生產N3E（3納米N3技術的加強版）技術，2納米技術進入基礎制程制定和良率提升階段。微影技術上，重點在3納米技術量產、2納米技術开發和下一代納米技術的先期準備。

進入2023年，臺積電正計劃量產N3E、N4P，N4P是繼N5、N5P、N4之後第四個5納米技術版本。此外N4X是臺積電第一個專注於高效能運算、高工作負載的技術，預計在2023年开始進行客戶產品設計定案。在微影技術上，臺積電還將繼續追求EUV技術發展、光罩保護膜开發及成本降低。

臺積電介紹，2納米技術將採用納米片（nanosheet）電晶體結構，並提供全制程效能和功耗效率的提升。相較於N3E，N2在相同功耗下速度增快10%至15%，或在相同速度下功耗降低25%至30%。

3D IC高級封裝也是市場極其關注的臺積電技術領域。2023年，系統整合芯片（SoIC）晶片堆疊於晶圓之上（Chip on Wafer, CoW）技術已經進入量產。CoWoS-S技術在高效能運算產品上出現了“供不應求”的局面。在7月20日的二季度業績法人說明會上，魏哲家坦言CoWoS的產线正在加緊建設中，預計於2023年下半年提供更多產能以滿足市場飽滿的訂單。

如何成爲研發龍頭

自從上世紀80年代中期成立以來，臺積電的成立歷史才不過30多年，在芯片歷史上屬於較爲年輕的公司。不過，短短歷史上取得的成就令人關注，這和該公司持續進行自主研發分不开。

在2022年，臺積電的年收入已經達到758.8億美元，這令它成爲當年全球按營收規模最大的芯片公司。臺積電也連續第13年打破自己的年收入“天花板”。

不過正如張忠謀指出的，很多人不了解臺積電如何進行這筆“財富管理”。“臺積電20年來每年都將收入的大約8%投入到研發活動中。”張忠謀稱。數據顯示，2022年臺積電研發經費高達54.72億美元，佔當年營收的7.2%。

過去十多年，臺積電的研發支出一路狂奔，從2012年的403.83億新臺幣增長至2022年的1632.62億新臺幣(折合約54.7億美元)，年復合增長率高達15%。

相較之下，另外兩大晶圓代工行業的龍頭英特爾和三星電子的研發支出增長相對緩慢，英特爾研發支出從2012年的101.5億美元增長至2022年的175.3億美元，三星電子研發支出2012年的106億美元到2022年的24.92萬億韓元（約188.76億美元）。

資料顯示，臺積電的研發中心自從2003年到2022年之間，一直位於新竹科學園區的晶圓十二B廠。劉德音形容這個部門曾經“逐水草而居”，或是在指該部門隨機而變、應需而生的一面。

事實上，臺積電的研發中心並非僅僅局限在和當下生產线有關的技術工作，而是在新型材料、工藝、設備、納米线和存儲器等多方面進行廣泛、長期的研究。這個中心會與學術界和行業財團的外部研究機構合作，目標是擴展摩爾定律，並爲未來的具有成本效益的技術和制造解決方案鋪平道路。

劉德音強調，研發中心最重要的不是宏偉建築，而是臺積電的研發傳統。30多年來，面對半導體技術不斷演進要求，臺積電秉持務實創新態度和精誠團結精神，持續創造高經濟價值技術，對社會和人類世界產生深遠影響。

展望這個研發中心的未來發展方向，劉德音說，20年後的半導體元件大小如何，用什么材料，光、電運算如何整合，量子、數字運算如何共用，研發中心的研發人員將會給出答案，並找出大量生產的方法。

“研發中心啓用代表臺積電創新研發的傳統和決心，未來將持續攜手與臺積電开放創新平臺合作夥伴、客戶、供應商以及全球學術研究團隊，开發出更先進更有競爭力半導體技術，一起釋放創新的動能，爲世界創造出更美好未來。”劉德音說道。

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