[Перевод] Взлёт TSMC
Семь-восемь лет назад TSMC производила процессоры, которые отставали от аналогичных процессоров Intel на несколько поколений. Пятнадцать лет назад выпускала дешёвые чипы на заказ, которые не ставили рекордов производительности. А тридцать лет назад едва появилась на свет. Теперь она в списке самых влиятельных компаний. Так как же TSMC покорила мир?
Сегодня компания считается ведущим производителем чипов, опережающих по крайней мере на одно, а может и на два поколения процессоры Intel. На её долю приходится примерно половина чипов на заказ, более 90% из которых производятся по передовым технологиям. На её кристаллах работают не только ПК и телефоны, но и автомобили, военная техника, медицинская аппаратура и всё, без чего трудно обойтись сегодня.
Головной офис TSMC находится в Тайване. Остров де-факто функционирует как отдельное государство, однако до сих не получил признания мировой общественности.
Итак, современная жизнь сильно зависит от продукции одной-единственной компании, базирующей в стране, которой как бы не существует. Остров, где расположена страна, отделён от Китая тонкой полоской воды и может стать самым опасным местом на Земле. Но как мы до этого дошли и что ждёт нас в будущем?
Фанатам старой компьютерной техники наверняка хороша знакома продукция TSMC. Скорее всего, она ассоциируется у них с недорогим, не очень производительным даже по тем меркам оборудованием. Однако ж умалять значение фирмы нельзя — благодаря ей создавались очень нужные компоненты ПК, например, графические процессоры. Ни Nvidia, ни ATI (до того, как её выкупила AMD) не производили собственных чипов. Конечно, они проектировали их, но за выпуск платили сторонним компаниям. Нередко это была TSMC.
Так что уже тогда фирма играла не последнюю роль. Но так сложилось, что для производства GPU не требовалась прорывная технология. Высокая плотность транзисторов, конечно, приветствуется. Однако GPU не предназначены для того, чтобы сказать последнее слово в тактовых частотах, а скорость их работы, как правило, достигает трети и даже меньше скорости современных CPU. Иными словами, TSMC не сравнивают с Intel, когда дело касается искусства прекращения песка в сверхвысокопроизводительный кристалл.
AMD же испытывала трудности с выпуском GPU в то время. Чтобы удержаться на плаву, фирме пришлось передать дочерней компании часть производственных помещений, известных также как кремниевые «мастерские», в 2009 году. Чтобы наладить микроэлектронное производство, требуется несколько миллиардов долларов. У AMD таких денег не было. Замысел руководства заключился в том, что, продав имеющиеся заводы, фирма могла бы сильно улучшить материальное положение. В то же время её независимая единица могла бы обзавестись внешними заказчиками и инвестициями. Всё это помогло бы c выпуском продукции нового поколения, которая могла бы конкурировать с Intel.
План сработал, и вскоре GlobalFoundries стал третьим в мире производителем полупроводников, а AMD получила свои причитающиеся. Однако технологическая часть плана содержала изъяны. В 2010-м инженеры Intel вовсю работали над 22-нм технологией, которая в следующем году сменила 32-нанометровый узел. GlobalFoundries не могла наладить даже 32-нм техпроцесс. Как следствие, выпуск первого 4-ядерного 32-нм CPU под кодовым названием Llano AMD отложила до конца 2011 года.
Руководство компании осознало, что одна GlobalFoundries не справится. Тогда AMD обратилась к TSMC. В то время тайваньский производитель не был ещё известен своими технологическими узлами, благодаря которым процессоры могли работать на высоких частотах. Первый «GloFo» чип того времени, 2-ядерный APU, известный также как Ontario, был изготовлен по 40-нм техпроцессу TSMC и популярностью не пользовался. Через несколько лет дела у GlobalFoundries наладились и совместно с Samsung в 2015-м она создаёт действительно конкурентоспособный 14-нм техпроцесс. На нём была изготовлена серия Ryzen 1000 и последующая Ryzen 2000. Однако такое решение, по сути, было временной отсрочкой казни. В 2018 GloFo объявила, что проектирование её 7-нм узла было отложено на неопределённый срок. На деле же GlobalFoundries выбывала из гонки передовых чипов.
Стратегический союз
Руководству AMD очень нужно было, чтобы временное сотрудничество с TSMC переросло в полноценный стратегический союз. И потому разработка Ryzen 3000 на архитектуре Zen 2 была возложена именно на TSMC. Что из этого получилось, мы знаем. Но тогда, в 2018 году, ставить всё на высокие тактовые частоты, которые пообещала им TSMC, казалось делом рискованным. Объективных данных о том, что тайваньская компания сможет произвести CPU, которые бы работали на частоте 4 Гц и выше — именно такая частота требовалась, чтобы обойти Intel — таких данных было не так уж умного.
Как оказалось, TSMC смогла. Более того, первые Ryzen от TSMC работали на частоте 4,7 Гц благодаря новому в то время 7-нм техпроцессу. Сомнений в том, сможет ли тайванская кремниевая «мастерская» тягаться с техногигантами, у AMD не осталось.
Тем временем Intel испытывала серьёзные трудности: из-за постоянных провалов компания не могла отладить технологический узел. По этой причине компания представила 10-нм техпроцесс на пять лет позже, чем планировала — это настоящая вечность в индустрии полупроводников. Intel до сих пор не перешла на 10-нм технологию полностью. TSMC же поставила на поток 5-нм техпроцесс за несколько лет, и уже серийно выпускает продукцию на 3-нм техпроцессе.
Понятно, что технологические процессы Intel и TSMC напрямую сравнивать нельзя. 10 и 7-нм технологические узлы Intel и TSMC сильно отличаются. Однако по всем объективным меркам Intel отстаёт на одно, а то и два поколения чипов. Преимущество TSMC настолько очевидно, что глава AMD Лиза Су в январе этого года продемонстрировала, что ядра Zen 4 в серии Ryzen 7000 вдвое меньше Alder Lake от Intel. Это должно быть больно для Intel.
Всё вышеизложенное — краткая история TSMC, рассмотренная сквозь призму ПК-компонентов. Однако это всего лишь малая часть рассказа о том, как фирма стала лидером в производстве чипов и одной из самых влиятельных компаний в мире. Чтобы наглядно представить, каких масштабов достигла TSMC, давайте переложим это в цифры.
Вращая мир
Согласно отчёту аналитической компании Trendforce, на одних только полупроводниках TSMC заработала больше 17 миллиардов долларов в первом квартале этого года —, а это целых 53,6% общего мирового рынка чипов на заказ. Вдумайтесь только: это больше половины всех чипов, которые стоят во всём, что работает на интегральных схемах. Так что речь идёт не только о ПК, лаптопах, планшетах и телефонах. Сюда также относят телевизоры, машины, бытовые приборы, медицинскую технику, телекоммуникации и т.д. Другими словами, всё, из чего состоит современный мир. И больше половины зависит от одной компании —TSMC.
Samsung идёт следом с чуть более 5 миллиардами долларов выручки от продажи чипов. UMC на третьем месте с 2 миллиардами дохода. Помните GlobalFoundries — фирму по производству полупроводников, которая отделилась от AMD в 2009? Она занимает четвёртое место с доходом чуть менее 2 млрд долл. Понятно, что эта статистика учитывает самые разные чипы в целом — от высокотехнологичных до типовых, изготовленных по устаревшим техпроцессам.
GlobalFoundries оставила попытки угнаться за Законом Мура и остальной индустрией, продолжив выпускать продукцию по 14-нм техпроцессу и выше. Так что, если рассматривать позиции производителей на рынке с точки зрения отдельных производственных узлов, отрыв TSMC с её ультрасовременными микроконтроллерами от конкурентов будет ещё больше. В 2020-м компании принадлежало около 90% рынка чипов, изготовленных по техпроцессу ниже 10-нм. Samsung была здесь единственным её конкурентом. Даже в диапазоне от 32 до 12-нм на долю тайваньского производителя приходится 70% рынка. И только там, где речь идёт о техпроцессе 45-нм и выше, доля TSMC ниже 50%.
Но так было не всегда. Двадцать лет назад существовало целых 20 кремниевых «мастерских», технологические узлы которых могли бы потягаться друг с другом. Сейчас остались только TSMC и Samsung. Ну, и Intel ещё планирует делать чипы на заказ, а IBM, возможно, ввяжется в драку с в драку с 2-нм техпроцессом, который хочет наладить в будущем. Причина столь малой конкуренции кроется в огромных затратах, которые требуются на реализацию самой передовой технологии чипов.
В одном только 2021 году TSMC инвестировала более 25 млрд долл. в новые производственные объекты. Завод по производству 3-нм чипов, который она сейчас строит в Шаньхуа (Тайвань) составляет 160 000 кв. м. — почти как 22 футбольных поля.
Конечно, в долгосрочной перспективе TSMC нужна не только одна 3-нм«мастерская». Если компания намерена удерживать лидерство, ей понадобится новое поколение производственных мощностей для перехода на 2-нм техпроцесс к году этак 2025-му. И так далее. Скорее всего, TSMC вложит ещё 100 миллиардов долларов в увеличение производственных мощностей до 2030 года. Это огромная сумма. И потому любому конкуренту, включая Intel, потеснить TSMC в ближайшее время вряд ли удастся.
Отсюда возникает вопрос: откуда компания изначально взяла таких космических масштабов средства? Всё началось в 1985, когда правительство Тайваня пригласило Морриса Чанга, инженера китайского происхождения, пересмотреть свою технологическую стратегию. Чанг обучался в MIT и Stanford и 25 лет проработал на американского производителя микросхем и электроники Texas Instruments. Полученные знания и опыт сделали его ведущим экспертом полупроводников. В 1987он основал TSMC. Помимо правительства Тайваня (ему принадлежал основной пакет акций), компанию спонсировал датский техногигант Philips и нескольких других частных инвесторов.
Ключевые решения
Уже в начале Чанг принял два стратегических решения, которые возьмут за основу современные кремниевые «мастерские» и обеспечат быстрый рост TSMC. Во-первых, он решил, что фирма не будет проектировать чипы самостоятельно, а только производить их по заказу клиентов. Во-вторых, цены свою продукцию Чанг установил намного ниже конкурентных. Его замысел заключался в том, чтобы увеличить свою долю на рынке и окупить затраты за весь срок службы функционального узла вместо того, чтобы пытаться заработать быстрые деньги на предоплатах.
Чанг играл в долгую. И это сработало. В 1992 TSMC стал крупнейшим в мире производителем чипов на заказ. К 1996 доходы компании от продаж составили более 40 миллиардов долларов. Фирма зарегистрировалась на Нью-Йоркской фондовой бирже и назначила выплату дивидендов в размере 100 000 долл. каждому сотруднику. На следующий год фабрики TSMC могли обработать порядка миллиона пластин в год. Из каждой пластины можно было получить сотни чипов. Однако руководство желало большего. В тот самый год компания утвердила 10-летний план, согласно которому собиралась инвестировать 14,5 млрд долл. в новые производственные объекты. Это увеличение инвестиций и мощностей продолжается и по сей день.
По состоянию на 2021 год TSMC, по её собственной оценке, была способна обработать 13 млн подложек в год. По приблизительные подсчётам, на пластину толщиной 300-мм можно поместить более 600 чипов для смартфона, 100 мм. кв. каждый. Допустим, сто из них окажутся дефектными, но и тогда «урожай» из выращенных кристаллов составит не менее 6,5 млрд чипов в год.
Понятно, что некоторые кристаллы будут намного больше тех, что стоят в смартфонах. Графический процессор Navi21 можно найти в топовой серии Radeon RX 6900 от AMD. В настоящее время он производится по 7-нм техпроцессу TSMC и его размер составляет 520 мм. кв. Однако, каким бы образом эти пластины ни разрезались на практике, речь идёт о миллиардах чипов.
Что касается производственных баз, то перечень объектов инфраструктуры TSMC впечатляет. Компания построила четыре завода по производству микросхем в Тайване и один в Китае — так называемые гигафабрики. Там задействуются те самые премиальные 300-мм пластины. 200-мм пластины производятся на четырёх её заводах в Тайване, а также в Китае и в городе Камас, штат Вашингтон. И, если этого мало, ещё один 300-мм завод сейчас возводится в Тайване, и ещё одна фабрика скоро откроется в Аризоне.
Fab 14 в Тайване
Если вышеописанное резюмирует то, как возрастал сырьевой потенциал TSMC, то недостающей частью истории будет рассказ о том, как ей удалось не только поравняться с Intel по плотности транзисторов и производительности, но и обойти её по некоторым показателям. Если посмотреть на жизненный цикл обеих компаний за 20 лет, то окажется, что в начале их чипы были примерно одного уровня. В 1999-м, например, Intel и TSMC выпускали чипы по 180-нм техпроцессу.
Лидер в техпроцессе
К 2001 обе фирмы перешли на 130-нм техпроцесс. Однако в 2003 и 2005 Intel вырвалась вперёд с 90-нм и 65-нм техпроцессами, а в 2011 году обходила TSMC на несколько узлов, выпуская процессоры по 22-нм технологии. TSMC перешла на собственный 20-нм техпроцесс только в 2014. Помимо этого, узлы Intel по плотности и по другим показателям тоже, как правило, превосходили узлы TSMC. Так было до тех пор, пока в 2015-м TSMC не запустила свой 16-нм техпроцесс, который по своим характеристикам был сопоставим с 22-нм техпроцессом от Intel.
Два фактора привели тому, что Intel утратила своё превосходство, а TSMC стала самым высокотехнологичным производителем чипов. Первый — неудачные попытки Intel вывести на рынок свой 10-нм техпроцесс. Разрыв между 14 и 10-нм чипами составил минимум пять лет. Это при условии, если за первые коммерческие 10-нм продукты принять 2-ядерные чипы, выпущенные в мизерном количестве, для лаптопов 2019 года. На деле же разница составит 6 лет, если учесть, что многоядерные чипы стали серийно производиться годом позже.
Временная шкала тех. узлов TSMC и Intel
Другой важный фактор — это то, что TSMC выиграла тендер на производство систем на кристалле для iPhone от Apple в 2014 году. Чип A8 в iPhone 6 был произведён по новому в то время 20-нм техпроцессу от TSMC. В 2015 году тайваньский производитель выпускал чипы А9 уже совместно с Samsung. Но с тех пор предпочтение на производство систем на кристалле отдавалось исключительно TSMC. Важность такого сотрудничества нельзя недооценивать.
Теперь TSMC могла реализовать огромный объёмный продукции, произведённой по новому техпроцессу. Для одних только iPhone компания ежегодно выпускала более 200 млн систем на кристалле. И это если не брать в расчёт чипы M1 и M2 для iPads, MacBooks и iMacs. Для TSMC это означало то, компания может планировать внедрение новых узлов и знать, что клиент будет способен заплатить за сотни миллионов чипов.
Не забудем и о том, что Apple — один из самых взыскательных клиентов в индустрии полупроводников. Он требует максимальной отдачи от TSMC от начала и до конца, желая платить только за продукцию высшего качества.
Мы никогда не узнаем наверняка, но есть версия, что это самое внешнее давление плюс прочная финансовая база побудили TSMC принять одно важное в техническом плане решение. В 2019 году она впервые применила EUV — экстремальную ультрафиолетовую литографию — в узле7FF+, который являл собой ревизию 7-нм технологии прошлого года.
Считается, что именно EUV сыграла решающую роль в переходе на техпроцесс ниже 10 нм. Intel же ещё только собирается применять EUV, хотя её 10-нм процесс по плотности сравним с 7-нм техпроцессом TSMC. Эксперты полагают, что то, что Intel не внедрила EUV, стало причиной неудач с запуском 10-нм технологии. В любом случае тот факт, что TSMC раньше начала применять EUV, означал плавный и успешный переход от 7-нм к 5-нм технологии в следующем году. Intel осталась далеко позади, а TSMC стала безоговорочным лидером в индустрии полупроводников.
Перспективы у TSMC такие же радужные, как и в последние несколько лет. Выдерживать конкуренцию на рынке полупроводников стало настолько трудно, что, скорее всего, только Samsung, Intel и, может быть, IBM смогут бросить вызов TSMC. Впрочем, есть основания полагать, что с 3-нм технологией у TSMC могут возникнуть небольшие проблемы. Однако, если только технология не погрязнет в лютом производственном аду, Intel или Samsung вряд ли догонят TSMC, и уж точно не обгонят до конца десятилетия.
В конечном счёте самая большая угроза TSMC — это не другие производители чипов, а вероятность политических или даже военных беспорядков в Тайваньском проливе — тонкой полоске воды, которая отделяет Тайвань от материкового Китая. И если что-то пойдёт не так, то проблемы будут не только у TSMC. Отразится это также на людях, живущих в развитых странах и за их пределами. Настолько важна TSMC. Это одновременно и весьма примечательный, и чрезвычайно тревожный факт.
