中國發展晶圓代工產業之困境
2018.08.31
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壹、新聞重點
中國最大的晶圓代工廠商中芯國際（以下簡稱中芯）發佈半年報，宣告在14奈米「鰭式場效電晶體」（Fin Field Effect Transistor, FinFET）的技術開發上獲得重大進展，第1代FinFET技術研發已進入客戶導入階段。一般認為，這項突破要歸功於在2017年10月赴中芯擔任共同執行長的前台積電資深研發處長梁孟松。[1] 雖然中芯宣稱發展出14奈米製程的技術，但這是否代表中國晶圓代工產業已有重大突破則不無疑問。
貳、安全意涵
一、FinFET技術是突破20奈米以下製程的關鍵
半導體產業在過去四十年持續成長，主因在於電晶體可以愈做愈小，因此可以不斷推出性能一代比一代強的晶片。然而，電晶體的縮小並非可以永無止盡，當電晶體閘極縮到20奈米時，過去一直使用的「金屬氧化物半導體場效電晶體」（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）會出現一些嚴重的問題。首先，當閘極愈小，其與下方通道的接觸面積就愈小，會愈難控制通過的電流，也就難以操縱電晶體的開與關。[2] 其次，當閘極長度愈短，源極和汲極的距離就愈近，其下方通道的氧化物也愈薄，電子可以溜過去造成漏電的問題。由於這些難題，晶圓代工廠商在20奈米以下的製程遇到了瓶頸。
美國加州大學柏克萊分校（University of California, Berkeley）胡正明、Tsu-Jae King-Liu、以及Jeffrey Bokor三位教授於1997年首次發表FinFET，[3] 他們把原本MOSFET的平面構造改為立體結構，將源極和汲極之間的通道改為板狀，就可以增加閘極與通道的接觸面積，解決前述的問題。對晶圓代工廠商而言，若是無法掌握FinFET的技術，就無法進入20奈米以下的製程，因此，FinFET可說是先進製程的關鍵。
二、中芯技術落後不利達成「中國製造2025」目標
中芯在製程研發上嚴重落後於台積電、三星、格羅方德（GlobalFoundries）等世界級廠商，台積電目前最先進的製程是7奈米，而中芯是28奈米，兩者之間有三個製程世代的落差。[4] 中芯極力想攻入16-14奈米製程以縮小與世界大廠的差距，因此在2015年6月與華為、高通（Qualcomm）子公司以及比利時微電子研究中心（IMEC）共同投資，要跳過20奈米直接研發14奈米製程。然而，由於自身技術落後，在FinFET一直沒有進展，在此情況下，想要達到「中國製造2025」晶片自製的目標將會非常困難。直到2017年10月迎來梁孟松之後，中芯方能有所突破。
三、提升良率才是中國晶圓代工產業真正的挑戰
儘管中芯在14奈米FinFET技術獲致初步成功，但是要爭取到客戶訂單進入量產，關鍵在於是否能夠提升產品良率（yield rate）。舉例來說，目前市面上的電子產品多採用28奈米製程，但中芯在此製程一直有良率的問題，其為高通代工的晶片良率僅在40%到60%之間，此問題讓中芯難以和其他廠商競爭。中芯的競爭劣勢可以從兩個數據看出：第一，在2018年第1季，市場主流的28奈米製程僅佔其整體營收的3.2%。第二，中芯雖然是全世界晶圓代工排名第4的廠商，但是在2017年，其市佔率只有6%而已。因此，就算中芯開發出14奈米FinFET技術，能否讓良率達到客戶可以接受的程度才是最大的挑戰。
參、趨勢研判
一、中國勢必加大搶奪半導體人才力道
晶圓代工的龍頭廠商皆是經過數十年的耕耘，累積出非常深厚的技術專利以及製造經驗，才能在這些基礎上將製程一個世代、一個世代地往前推進。對中芯這樣的後進廠商來說，學習曲線仍然陡峭，不是砸下大筆資金就能快速追上。中芯最大的問題在於技術落後，若是研發先進製程的時間拖得太長，就會失去進入市場的機會，更遑論還有良率的問題。
晶圓代工的龍頭廠商皆是經過數十年的耕耘，累積出非常深厚的技術專利以及製造經驗，才能在這些基礎上將製程一個世代、一個世代地往前推進。對中芯這樣的後進廠商來說，學習曲線仍然陡峭，不是砸下大筆資金就能快速追上。中芯最大的問題在於技術落後，若是研發先進製程的時間拖得太長，就會失去進入市場的機會，更遑論還有良率的問題。
二、中芯技術落後局面恐難以改變
中芯技術落後的原因大致有三：[5] 第一，內部整合問題。由於本土人才欠缺，中芯嚴重依賴外來人才，其技術部門由來自中國、台灣以及其他各國的人才所組成，員工內訌不時出現。若無法整合內部，建立一個具有團隊精神的技術部門，中芯將難以在技術上進步。第二，缺乏聚落效應。中國幅員廣大，各個地方政府競相爭取龍頭廠商在該地設廠，導致中國半導體產業散布各地。中芯在上海、北京各有兩座12吋廠；在深圳、天津也各有兩座8吋廠，無法形成像是美國矽谷和台灣新竹科學園區的聚落效應。第三，管理階層派系鬥爭。中芯股權組成複雜，股東背後各有不同勢力，各有各的意見與人馬，成立之後又長年虧損，因此管理階層經常有派系鬥爭的情況。一家公司若是沒有齊心一志的管理階層，自然難以帶領公司向前邁進。
從上述的原因來看，中芯技術落後並非只是因為欠缺人才，而是在公司治理上有許多的問題，如果繼續以目前的制度運作，中芯很難縮小與競爭對手的差距。若想要徹底解決這些問題，必須大刀闊斧地清理股權結構、改善公司治理才有可能。然而，如此大規模的改革是否有可能進行，是相當令人懷疑的，因此可以預期中芯未來技術落後的局面恐怕難以改變。
[1]邱怡萱，〈陸半導體大躍進！「台積叛將」變救世主〉，《工商時報》，2018年8月22日，https://m.ctee.com.tw/focus/kjmd/192581。
[2]在一個電晶體中，電子由一邊的源極流入，經過閘極下方的通道，再從另一邊的汲極流出，中間的閘極決定是否要讓電子通過。當閘極不加電壓，電子無法導通，這個電晶體處於關（0）的狀態；當閘極加正電壓，電子可以導通，這個電晶體就處於開（1）的狀態。如此，一個電晶體代表一個0或1，電腦即是以0與1兩種數位訊號來進行運算。
[3]胡正明為梁孟松的博士論文指導教授，於2001年至2004年擔任台積電首任技術執行長。
[4]在28奈米以下，目前已投入量產的製程世代為：20奈米、16-14奈米、10奈米、以及7奈米。格羅方德在2018年8月28日宣布無限期暫停開發7奈米製程，台積電為目前7奈米製程在良率及市佔率的最大贏家。
[5]陳良榕，〈中國砸重本、猛併購，為何拼不出第二個台積電？〉，《天下雜誌》，第648期，2018年8月22日，https://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5090025。