台积电拓荒

即便许多年过去，张忠谋仍将在博士入学资格考试时的失利，当作人生最大的幸运。

他不是失败了一次，而是失败了两次。

1954年2月，张忠谋第一次在麻省理工学院机械系博士入学资格考试中失利，教授多给了他一次机会，允许他第二年再尝试一次。整整一年，他都在用功复习，成绩揭晓后，张忠谋站在榜前，没有找到自己的名字。

按照麻省理工学院的规定，两次通不过，即永远失去申请资格。

此时，张忠谋已经成家，父母在美国经营着一家小店维持生计，他又是独子。十几年的寒窗苦读却被突然叫停，张忠谋深受打击。

张忠谋不敢相信，自己竟然会在学业上受挫，他成绩一直优异。

抗战期间，他进入重庆南开中学，每天吃榨菜和粗糙发黄的米饭，学习桐城派古文；胜利后，他到上海读商学院，后再次到中国香港，申请到哈佛大学就读，之后因为要读理工科，又转学到了隔壁的麻省理工学院。

在麻省理工学院，张忠谋投入了5年的青春年华。如今，一切都结束了，查尔斯河边的机械博士梦碎了。

其实，这次失利不只是他个人最大的幸运，也是中国台湾科技产业的幸运，甚至是苹果、超威半导体（AMD）、高通和联发科等世界一流科技公司的幸运。

阴差阳错，张忠谋进入了陌生的半导体行业。

新竹领命

1955年，即张忠谋博士资格考试失利的那一年，他四处找工作，拿到了福特（Ford）汽车、希凡尼亚（Sylvania）半导体等4家公司的聘书。

他本已拿定主意去福特公司，那里的岗位不仅跟他的机械专业对口，且工作稳定，这对刚刚结婚、需要赡养父母的独子张忠谋来说，很有吸引力。

福特公司给出的月薪是479美元，比希凡尼亚半导体低了1美元。

张忠谋拨通了福特公司人事经理的电话，希望福特提高一下起薪。

“我们不讲价，如果接受就来，不接受就请便。”面试时还谈笑风生的人事主管正色说道。

年轻气盛的张忠谋感到被羞辱。他开始反向思考，是去干一份四平八稳的工作，还是去半导体领域冒险？

他最后的决定是：去希凡尼亚半导体公司！就这样，区区1美元之差改变了一切，随后的人生轨迹也完全转向。

在希凡尼亚半导体公司，张忠谋先工作了3年，后又在德州仪器公司 （Texes Instruments）做了25年，位至副总裁。

其后，他结束了在美国36年的生活，来到中国台北郊外的一片“处女地”——新竹工业园。

1985年，张忠谋接任中国台湾工业技术研究院院长。上任第一天，前一任院长方贤齐拿着一张清单来找他，上面列出了该院的优先待办事项。

来新竹之前，时为中国台湾经济事务负责人的李国鼎，数次邀请他，张忠谋一直没有下定决心，直到李國鼎提出，张忠谋可用他在德州仪器公司的经验，来帮助台湾地区将科研成果转化为工业经济增长。

“这是一个无法拒绝的邀请，就像电影《教父》里的情景。”张忠谋动心了。

方贤齐的清单里，有一项建立一家晶圆制造厂的规划。他叮嘱张忠谋，李国鼎对此事非常重视，可能过几天就要来当面商谈。

李国鼎被誉为“中国台湾科技教父”，制定了台湾地区的科技发展策略，还担任着应用技术发展小组召集人一职。

果然，张忠谋很快就接到了李国鼎的电话，李国鼎邀请他参加会议讨论。

“我们计划大力推动半导体技术的发展。你有丰富的半导体业务管理经验，我们希望你创办一家新的半导体晶圆制造厂。”李国鼎希望张忠谋回去后想一想，拿出一份可行的计划书，期限是一个星期。

回到工业技术研究院的办公室，张忠谋开始思考。

在半导体行业，当时，台湾地区能够拿得出手的，几乎没有什么——既没有优秀的芯片设计公司，也没有广阔的市场。

在德州仪器公司工作多年的张忠谋清楚，半导体是全球性产业，只有做到世界一流，才可能有立足之地。

当时美国实力雄厚，欧洲紧随其后，日本异军突起，而中国台湾基础薄弱，没有任何积累，一家新成立的半导体公司，要想开拓出一片天地，何其困难！

唯一可能的一条路就是，扬长避短。

台湾地区有什么长处呢？只有一些中低端的制造业，当时最大的制造企业是台塑。

那么，制造业会是半导体产业的未来吗？

20世纪六七十年代，台湾地区的工厂替代日本，开始为欧美企业加工成衣和玩具，从中收取微薄的加工费。

在人们心目中，制造业一直是一个低端行业。人们用“微笑曲线”描绘制造业的地位——高附加值部分集中在“嘴角”，分别是研发和市场；低附加值部分则在向下弯曲的部分，那里是制造业。

制造立业

现在，张忠谋来到中国台湾新竹，他又要面临一个选择：

是像德州仪器公司那样开办一家传统半导体公司，还是去做别人不敢做的事？

张忠谋选择后者，他将目光聚焦到芯片制造领域。这一选择可以避开设计和IP等短板，而且能发挥自己在制造方面的长项。

1958年，他加入德州仪器公司时，就是从制造入手做出成绩的。

那时，公司接到IBM公司的一笔晶体管订单，制造出来的成品良率几乎为0，张忠谋负责的NPN型晶体管制造难度更高。

张忠谋每天一直干到午夜第三班才下班，第二天早上8点又回到公司，最后将NPN型晶体管成品良率一举提高到20%，甚至超过更容易制造的PNP型晶体管成品良率。

如果他创立的公司，也就是台积电以芯片制造为主业，那么客户是谁呢？

20世纪80年代，几乎所有的半导体公司都遵循着所谓的“垂直模式”，即集成器件制造模式（简称IDM）。

换句话说，它们自己设计、制造，搞定全流程，不需要别人插手。

那个时候，业界都深信超威半导体公司的老板桑德斯说过的一句名言：“好汉都有晶圆厂（Real Man Has Fabs）！”

1985年，纯做设计的芯片与技术公司（Chips and Technologies）去找投资，屡屡碰壁，因为风投公司感到困惑：一家半导体公司竟然没有自己的晶圆厂！

“半导体公司一定要有自己的晶圆厂吗？”张忠谋问自己。

他此时已年过半百，年轻时的意气用事都已从他身上消退，但他的字典里绝没有“不可能”这个词。

当初，他从机械专业转而进入半导体行业，从头自学威廉·肖克利（晶体管发明者之一）的经典著作《半导体中的电子与空穴》，成功地进入了这个新领域。

张忠谋想起，在德州仪器期间读过卡弗·米德（美国加州理工学院教授）于1979年写的一本书，米德在书中断言，芯片设计应该跟制造分离。

就是说，当设计独立出来时，应当有与之配套的制造企业。于是，一个念头从张忠谋的脑中闪出：这会不会成为一种可能的半导体生态呢？

现在，张忠谋要创办一家纯代工的晶圆厂，这样的工厂在世界上没有先例，这一次，他不准备用别人的看法来决定自己的行动。

洛克定律

代工会是未来的趋势吗？

张忠谋不能完全确定，但有一个重要因素在背后发挥作用，那就是“摩尔第二定律”或“洛克定律”。

1968年，诺伊斯和摩尔创办英特尔公司时，他们找到了资助过他们创办仙童半导体的风险投资人洛克，他们只需筹集数百万美元，就能拥有自己的芯片生产线。

十几年后，这笔费用上升到一亿美元。

为什么会有这么大的差别呢？

“洛克定律”指出：半导体晶圆厂的成本，每四年就翻一番，增长速度比摩尔定律预计的翻倍速度慢得多，它也符合指数定律，随着时间增长，它的威力就会逐步地显现出来。

当开办一家传统半导体公司费用变得很高时，芯片设计的创新，就会受到影响。

张忠谋想到，他在德州仪器公司时，曾见过许多有创业想法的芯片设计者，都苦于筹集不到足够多的资金开办晶圆厂。

既然个别设计公司已迈出与制造分离的第一步，为什么不成立一家公司，为设计公司提供制造服务呢？

早在20世纪60年代，仙童半导体就开创将芯片测试和封装外包的模式，在人力和土地便宜的中国香港、日本等地，他们设立封装测试厂，将加工好的芯片运过去。

70年代，张忠谋曾陪同德州仪器总裁来中国台湾考察，并在那里设立加工厂。他们看中的，就是台湾地区土地便宜、人力成本低廉。

张忠谋想清楚计划的前前后后，数天后，他向李国鼎提议：设立一家纯代工的晶圆制造厂——不是为自己制造芯片，而是为别的半导体公司，即那些只做芯片设计的公司。

計划很快就得到批准，但行政部门只能出一半的资金（1.1亿美元），剩下的一半，需要张忠谋自己去筹集。

最后，张忠谋找到唯一一家愿意投钱的大公司——荷兰的飞利浦公司。

飞利浦公司买下台积电公司28%的股份，剩下的22%，则由李国鼎等人动员一众私人中小企业凑齐。

飞利浦公司在半导体行业里算不上顶尖。在一年前，飞利浦刚刚创办了一家制造光刻机的小型合资公司阿斯麦尔。

经过两年筹备，56岁的张忠谋，于1987年创建了世界上第一家纯晶圆代工厂——台积电公司。

订单纷至

台积电刚成立，其代工模式存在着一个致命缺陷：缺少稳定的市场。

如果台积电去找设计公司接订单，当时，全球设计公司的数量只有两位数，大部分都是初创企业，其订单总额都无法与台积电公司自身的运营成本相抵。

于是，张忠谋去找欧美半导体行业的大公司，请求它们在旺季时，把一部分订单交给自己来做。

生产淡季时，这些公司只会将订单留给自己的加工厂，台积电公司只能当一枚“备选棋子”。

那么，台积电选择制造业作为芯片产业的突破口，是否选错了方向？

张忠谋还是将希望寄托在无厂设计公司身上，例如赛灵思公司、阿尔特拉公司和芯片技术公司，它们只负责设计，不生产芯片。

一开始，初创的无厂设计公司，会去寻找那些有多余产能的半导体公司，利用淡季订单少的空档，来为自己加工芯片。

晶圆厂也乐意这么做，以避免机器设备空闲，白白折旧。赛灵思就找到日本精工来制造自己设计的FPGA。

当越来越多的无厂设计公司涌现出来时，它们的担忧日益加剧：如果晶圆厂在旺季无法给自己加工芯片，它们该怎么办？

显然，市场需要一种更加稳定的制造供应模式。

这时，台积电纯代工厂的优势就显示出来了。代工厂不为自己生产，不存在所谓生产淡季、旺季，比传统半导体晶圆厂更愿意放下身段。

代工厂也尊重客户的IP，认同一切设计都是客户的。实践证明，正是这种稳定性和尊重“黏”住了许多客户。

代工厂自己不设计产品，与客户之间不存在竞争关系。而且，代工厂能帮助设计公司走向成功，其自身也能随着设计公司的发展而一起壮大起来。

这正是“水利万物而不争”，张忠谋认为，这种商业模式行得通。

台积电的理念说得过去，技术起点却不高。

早在20世纪70年代，中国台湾工业技术研究院就引进美国无线电公司的7微米生产线，那只是一条试验线，没有实现产品量产，比当时主流技术落后一代。

到1985年，主流技术又前进一代半，而中国台湾工业技术研究院仍守着以前的技术，台积电成立时，已经比当时最先进的技术落后两代。

如此落后，台积电如何追赶？

就在公司成立的1987年，EDA巨头新思科技公司搬到加州，主打逻辑综合工具，次年，楷登电子公司成立，提供布局布线工具。

两家EDA公司，能提供从前端到后端完整的设计工具。有了EDA工具，无厂设计公司和系统公司就能自行完成设计，将版图发给台积电，然后等着收货就好了。

一个简洁的产业链条就这样诞生了。它绕过专业芯片设计公司，也绕过传统半导体制造公司。客户和芯片成品之间，只剩下最短的一跳。

1988年，英特尔CEO格鲁夫一行访问台积电，并答应把一些订单交给台积电来做。台积电拿到英特尔的订单后，有越来越多的公司找上门来。

四年后，台积电的技术与世界领先水平的技术差距，缩小到一代。

十年后，台积电赶上除英特尔公司之外的其他晶圆厂。看似低端的代工想法，让台积电逐渐成为全球最先进的半导体制造企业。

代工崛起

1993年，英伟达成立时，开办一家带晶圆厂的半导体公司，需要筹集上亿美元，而英伟达募集到的资金远远不够。

“我第一次听说台积电公司和张忠谋时非常激动。”创始人黄仁勋回忆道。

“我立刻写了一封信给张忠谋，这是我当时唯一能联系到他的方式。一天，他给我打了电话。制造芯片和实现梦想的障碍就这样消失了。台积电公司发明的模式很纯粹，只有我们成功了，他们才会成功……”

成立于1995年的Marvell，同样因台积电的代工模式而受益。

“张忠谋的代工模式释放了无数工程师的创造力，让无数人梦想成真。”Marvell公司副总裁陈若文说。

“张忠谋完全改变了半导体行业的生态结构，他使得人们只需几百万美元，就能成立创业公司，而不是几千万美元。”斯坦福大学工程学院院长詹姆斯·普拉默评价说。

开办晶圆厂的成本继续飙升。

2002年，英特尔公司CEO保罗·欧德宁估计，建设一个晶圆厂要花费20亿美元。到2006年，三星公司的晶圆厂成本为40亿美元，2014年，三星建设存储器晶圆厂的费用，达到了140亿美元。

在成本压力之下，不断有半导体大公司退出芯片制造领域，转成无厂模式。

曾经说过“好汉都有晶圆厂”的超威半导体总裁桑德斯，也关停了其加工业务，转而将其交给一家代工厂。这家代工厂，演变成了世界第二大代工厂格罗方德（Global Foundry）。

一些半导体公司，如德州仪器，没有完全退出芯片制造领域，也把相当部分业务外包出去，只保留了一小部分不需最新工艺来实现的模拟芯片制造业务。这些公司，成了所谓的轻晶圆厂（Fab-lite）。

在芯片130纳米时代，全球有22家半导体公司有最先进的晶圆厂；到22纳米时代，全球只剩下7家半导体公司有最先进的晶圆厂：英特尔、三星、IBM、台积电、格罗方德、联华电子和中芯国际。

到7纳米时，只剩下台积电、三星和英特尔；2020年，5纳米芯片量产时，赛道上只剩下台积电和三星。

21世纪第一个十年，台积电开始与EDA厂家、IP提供商组建联盟，并开发加速设计流程的工具；台积电还与阿迪森（Artisan Components）合作，为客户提供设计中需要的标准单元IP。

2020年，无论苹果手机和笔记本中的最新CPU，还是英伟达GPU、高通5G芯片，都是由台积电生产的。

芯片复杂度越来越高，制造成为整个产业链条中最艰难的一环。

没有人预计到，在全球集成电路份额方面，代工厂所占比例，从1987年的0%增加到2020年的84%，完全碾压传统半导体垂直整合制造厂商。

当年，英特尔公司拒绝投资台积电，不看好代工模式，到了2021年，英特尔公司也宣布开始做代工……

张忠谋也早已圆了博士梦。

1961年，德州仪器总经理约见张忠谋，提出资助他全职讀博，条件是学成后继续服务该公司。这一次，张忠谋通过了资格考试，进入心仪的斯坦福大学。

三年后学成，33岁的张忠谋从加州返回得克萨斯，一路驾车驰骋，迎接他的是广袤的草原和望不到边的未来……

本文选编自《芯片简史—— 芯片是如何诞生并改变世界的》汪波著，湛庐出品并授权刊载，浙江教育出版社出版，2023 年 4 月印制。