台灣晶元代工業為什麼比大陸領先很多？

中興被美國封殺十多天了，又有傳言華為也在被美國調查。中興被美國封殺最大的影響是晶元，在此時機，網路上那個「最先進光刻機對中國禁售」的傳言又盛行起來。這裡回顧下半導體製造產業界的一段精彩歷史，數幾個風流人物，看能不能終結這個捕風捉影的傳言。

光刻機包括很多種類，為避免混淆，先明確一下，本文說的光刻機就是指生產最先進邏輯晶元所用的那個謠傳不賣給中國的設備。這個東西，現在是ASML一家獨大。在ASML一家獨大的局面形成之前，是尼康、佳能和ASML三足鼎立。怎麼從三足鼎立演變成一家獨大的呢？轉折點是193nm波長浸潤式光刻機的問世。

本來，光刻機都是乾式的，沒有液體參與。1987年，當時的IBM還擁有大量晶元Foundry業務。這裡要說明一下，我不喜歡中文夾雜英文單詞，但是這個晶元Foundry實在是沒有通用翻譯，直譯成工廠又覺得很不確切，所以只好夾雜英文單詞了。1987年，張忠謀創立了台積電，這是改變產業界的大事。在同一年，一位不太起眼的IBM晶元Foundry工程師從顯微鏡鏡頭上的水得到靈感，提出了一種浸潤式光刻機的新設想，寫成論文發表出來。在當時，這篇論文純粹作為理論前沿，沒有進入產業界的考慮，因為當時的乾式光刻機已經足以支撐摩爾定律的狂飆突進，沒必要胡思亂想。

然後時間到了2002年，IBM、英特爾、台積電等晶元Foundry越來越焦慮，因為延續摩爾定律越來越困難了。用傳統的193nm光刻機把晶元製程推進到65nm之後遇到了瓶頸，很難再往下推進了。尼康和佳能做出了157nm波長的光刻機，然而試用效果並不好。有人提出只能依賴極紫外光刻機——EUV，發射波長13nm級別。然而在當時的業界條件下，EUV基本無法實現。這時候，台積電的一位總監級工程師指出，浸潤式光刻機才是正確的前進路線。他在IBM工程師那篇論文基礎上又寫了三篇論文，詳細提出了具體實現方法，然後在國際半導體會議上反覆在IBM、英特爾、尼康、佳能、德儀等主要半導體企業間宣傳、研討。大家都表示了興趣，然而，最終決定投入研發這種光刻機的，是在當時來看落後於尼康和佳能的ASML。從2004年開始立項，ASML主導，台積電提供協助，三年後，顛覆性的產品——浸潤式光刻機誕生了，從此，光刻機從三足鼎立變成了一家獨大。

也就是說，浸潤式光刻機是IBM提出最初設想，台積電發揚光大設計出原型概念，ASML最終做出產品。最初提出設想的那位IBM工程師，名叫林本堅，出生在越南，是一位越南籍華人，當然後來變成了美籍華人。把這個設想發揚光大，設計出原型概念的台積電工程師——也是林本堅。是的，就是同一個林本堅，他在1990年從IBM離職，嘗試過創業，失敗了，後來進入台積電：

2007年，台積電使用ASML的浸潤式光刻機成功投產45nm製程晶元，從此IBM逐漸退出了晶元Foundry業務。不過，英特爾功力深厚、跟進迅速，所以雖然台積電率先投產45nm製程，卻仍然落後於晚一步投產的英特爾。

後來的故事，大家可能會稍微熟悉一些，就是台積電和英特爾不斷推進位程，第二梯隊是台聯電、Global Foundry。注意，這裡面沒提三星，三星從第三梯隊迅速躥升到了第一梯隊，這跟台積電的另一個總監級工程師有關，這位總監級工程名叫梁孟松：

梁孟松的博士生導師名叫胡正明，是FinFET技術的發明人， FinFET技術是晶元製程推進到20nm以下的關鍵：

梁孟松在台積電時的直接主管是蔣尚義，蔣尚義在台積電是僅次於張忠謀的二號人物：

梁孟松的妻子是韓國籍。2009年梁孟松從台積電離職，當年加入韓國成均館大學任教，2011年入職三星。2014年底，三星比台積電提前半年量產14nm製程工藝。早在2011年，台積電就在台灣最高法院起訴梁孟松商業泄密，到2015年終審勝訴。

注意，到目前為止，所有量產的65nm以下製程的晶元，都是用的這個193nm浸潤式光刻機。包括英特爾、三星、台積電、台聯電、Global Foundry，還有中國大陸的中芯國際、華宏半導體等。這個光刻機，從來沒有禁售這回事。用這同一款光刻機，台積電能做到7nm，三星能做到10nm，中芯國際目前只能做到28nm。

不過，這個193nm浸潤式光刻機現在已經不是最先進的了，最先進的是波長13nm的極紫外光刻機（EUV）。注意光刻機的波長是從193nm一下子降到13nm，不是很多外行理解的65、45、32、28、16/14、10、7，這些是晶元製程，而且針對這個多少nm製程的定義，三星、英特爾、台積電之間還沒有完全統一標準。這裡我不細說這個製程，只是強調這些數字是晶元製程，而光刻機的射線波長是從193nm突降到13nm。就算把失敗產品尼康和佳能的157nm算上，193nm到157nm也仍然是個平穩變化，但是到13nm，這就是斷崖式變化了，難度是指數級增長。有多難呢？ASML當時說有可能做不出來，而如果他們全力投入研發，結果沒做出來的話，他們公司就會被拖垮。怎麼辦呢？台積電、英特爾、三星說可以鼎力支持。於是搞出了這樣的解決方案：台積電、英特爾、三星三個客戶出錢認購ASML的股份，注意，這時候的股價是虛高的，是假設EUV能研發成功來估價，目的就是為了幫ASML分擔EUV研發失敗的風險。而且，他們不僅出錢，還出人，去跟ASML密切配合，從客戶角度提出各種建議。對於光刻機這樣的高精密、高複雜度的生產力工具，客戶的建議也是非常重要的，客戶已經不只是單純的客戶了，還是親密無間的合作夥伴。這是另一個傳言的源頭：台積電、英特爾、三星都是ASML的股東，做出來的EUV光刻機優先提供給這三家股東。

這個傳言前半句是正確的，後半句是謠言。雖然入股了，但是ASML完整保持了自己經營的獨立性，台積電、英特爾、三星並沒有話語權。對所有客戶，ASML是開放的、一視同仁的。事實上，台積電認購的股份已經被ASML回購回去了。純粹從財務上說，台積電還賺了一筆。當然，入股還是有好處的，他們提前熟悉了這個產品，在研發成功的第一時間就下了訂單。

那麼，為什麼當初中芯國際不入股ASML？台積電入股ASML是在2012年，我們看看2012年的中芯國際是個什麼狀況。

中芯國際，2000年成立，創始人叫張汝京，本來是另一家台灣的代工廠——世大的創始人，當時世大是台灣第三大晶元Foundry，然後被台積電收購了，儘管張汝京不同意出售給台積電，但是拗不過想要儘快套現的大股東：

被收購後，張汝京出走台灣，他首選的二次創業目的地是當時具有雄厚半導體基礎的新加坡，然而考察後各方面條件沒讓他滿意。次選是香港，當時港府也有一個建設「數碼港」的規劃，仍然不太滿意。第三選擇才是上海，上海政府給他開出了優厚的條件，最終他下定決心在上海創立了中芯國際。大家不要再隨便抱怨政府重視半導體太晚了，早在2000年，上海市政府就已經足夠重視半導體產業了，擊敗新加坡、香港吸引到了張汝京這樣的頂級人才。當時的中芯國際在技術上和台積電差距不大，有過發展十分迅猛發展的短暫好時光。然而，隨後就遇到了跟台積電的一系列官司。

2004年，台積電向美國國際貿易委員會申請調查中芯國際，同時向加州地方法院起訴中芯國際侵犯知識產權，2005年和解，代價是中芯國際向台積電賠償1.7億美元並且不再侵權。2006年台積電再次起訴中芯國際侵權，這次官司打到2009年底，最終中芯國際賠償2億美元，被再次要求不再侵權。這個「不再侵權」是個致命殺招，由於張汝京之前創立的世大被台積電收購，所以世大的那些知識產權也都屬於台積電了，而張汝京在原有領域創業，自然會利用原有的技術積累，這就不可避免的會侵權台積電。更雪上加霜的是，跟當時的中芯國際比起來實力雄厚的台積電，在世大的原有技術基礎上深入研究、融會貫通，把可能的技術演進都申請了專利。換句話說，要想不侵權，張汝京只能把之前在世大的技術積累全部丟棄，從零開始另起爐灶。在台積電的壓力下，中芯國際被迫做出過這樣的嘗試。為了尋找其他技術路線，中芯國際先後從富士通、東芝、特許半導體、歐洲半導體研究所、英飛凌、摩托羅拉、IBM等機構購買技術授權。這些機構雖然曾經都在半導體產業界佔據重要地位，但是當時他們的Foundry技術已經落後於台積電和英特爾了，然而中芯國際業務只能看看這些落後的技術方向有沒有向前演進的可能。結果很不幸，這些技術是真的都沒有前途了，再往前走，繞不開台積電的知識產權。

2009年底，在台積電對中芯國際的勝訴判決宣判後的當天，張汝京從中芯國際離職。判決書沒有要求張汝京離職，有傳言說這是台積電對中芯國際私下的附加要求，畢竟最終的判決，賠償金額比台積電最初的要價低了很多，算是台積電的讓步。不過這只是傳言，也有可能是張汝京認輸了，所有路線都被台積電堵死了，不得不認輸。後來的張汝京仍然在半導體產業，不過不再是晶元Foundry領域了。張汝京離開後，不可避免的，中芯國際陷入了混亂，新的管理層的首要任務是穩定人心。於是，中芯國際把重點工作放在那些落後技術的客戶開發上，減少了新技術研究的投入。這樣到了2012年，中芯國際既嚴重缺錢，技術上又十分落後，不能給ASML提供什麼有價值的技術協助，做不了合作夥伴，ASML當然不會選擇中芯國際入股了。從中芯國際角度來說，第一沒錢，第二收益時間太久遠，眼下公司能不能活到那個時候都是問題，也完全不應該考慮入股ASML。所以，中芯國際沒有入股ASML，是一件完全符合商業運作邏輯的事情，跟「對中國禁售」毫無關係。

細究起來，倒真有一個可疑之處：台積電對中芯國際和三星的處理差別太大了。台積電在美國起訴中芯國際，但是卻並沒有起訴三星，只是起訴了梁孟松個人，而且只是在台灣起訴，沒有在美國起訴。對比起來，簡直可以說台積電完全放過了三星。這是什麼原因呢？一方面，三星挖來梁孟松後一步到位，比台積電領先半年進入到14nm製程，這些技術有很多台積電還沒來得及申請知識產權，打起官司來取證困難。另一方面，三星比台積電強大太多了，跟中芯國際更是不可同日而語，耗得起曠日持久的官司，哪怕最終輸了，受損也不會太大，而這期間，台積電自身還要投入資金和精力。所以，綜合考慮，台積電選擇不跟三星過多糾纏。那麼，這裡面有沒有「對中國禁售」的原因呢？雖然那時候中芯國際的股東都是國際資本，註冊總部也在國外，但畢竟實際運營在中國大陸，這一點確實給捕風捉影者留下了把柄。持有「對中國禁售」觀點的人是這樣解讀的：美國借台積電對中芯國際的官司，做到了對中國大陸實質上的禁售，當然也就不需要再另外明確規定禁售了。

我不認同這種陰謀論解讀，主要基於以下兩個事實。第一個，前面提到過，這裡重複一下：到目前為止，所有量產的65nm以下製程的晶元，都是用的這個193nm浸潤式光刻機，中芯國際同樣擁有這全套設備，然而只能做到28nm。第二個，中芯國際現在的28nm製程，工藝上仍然大量借鑒了台積電的技術路線。而且，蔣尚義、梁孟松兩位重量級人物在2016、2017年先後入職了中芯國際。按理說，如果現在台積電起訴中芯國際侵權，勝訴的可能性依然很大。然而，自從張汝京離開後，台積電就再也沒有起訴過中芯國際。看起來，更像是張忠謀與張汝京的個人恩怨？當然，更大的可能是，十幾年前的中芯國際對台積電有潛在的威脅，現在的中芯國際，已經入不了台積電法眼了。