赢在 30% 厚度, 让台积电连吃三代苹果
早年, 苹果 iPhone 处理器一直是三星的禁脔. 但台积电却能从 A11 开始, 接连独拿两代 iPhone 处理器订单, 让业绩与股价持续翻红.
关键之一, 就是余振华领导的「整合链接与封装」部门, 开发的全新封装技术 InFO, 能让芯片与芯片之间直接链接, 减少厚度, 腾出宝贵的手机空间给电池或其他零件.
余振华解释, 手机处理器封装后的厚度, 过去可厚达 1.3, 1.4 公厘. 「我们第一代 InFO 就小于 1 公厘, 」余振华说. 也就是减低 30% 厚度.
「他让台积电连拿三代苹果订单, 」与余振华熟识的前任半导体协会理事长, 钰创科技董事长卢超群说.
时间回到 2011 年的台积电第三季法说. 当时, 张忠谋毫无预兆掷出震撼弹──台积电要进军封装领域.
第一个产品, 叫做「CoWoS」 (Chip on Wafer on Substrate) . 意思是将逻辑芯片和 DRAM 放在硅中介层 (interposer) 上, 然后封装在基板上.
他提到, 「靠着这个技术, 我们的商业模式将是提供全套服务, 我们打算做整颗芯片! 」
这消息马上轰传全球半导体业.
梳着西装头, 外表看起来像公务员的余振华, 也从那时开始密集出现在国内外各大技术研讨会, 大力推销这个自己发明, 命名的新技术.
当时《天下》记者也对这位处长印象深刻, 因为他侃侃而谈, 甚至舌战群雄的模样, 与一般台积电人的低调风格大不相同.
晶圆代工龙头宣告跨入下游, 市场登时对封测专业厂的前景打上问号.
日月光, 硅品只好到处消毒, 说 CoWoS 这技术只能用在「极少数」特定高阶产品, 影响有限.
余振华会毫不客气的呛回去, 「以后所有高阶产品都会用到, 市场很大. 」
封测界的不满逐渐累积. 终于在一场技术研讨会爆发.
一位硅品研发主管在余振华演讲后发难, 「你的意思是说我们以后都没饭吃了, 不用做事了? 」让大会主持人赶紧出来打圆场.
不久之后, 余振华突然在公开场合销声匿迹. 「我们想说他怎么消失了, 后来就听说, 是张忠谋出来, 要余振华低调一点, 」一位不愿具名的封测厂大厂主管说.
当时余振华的直属上司, 前台积电共同营运长蒋尚义接受《天下》专访, 解释台积电进入封测领域的来龙去脉.
原来, 2009 年, 张忠谋回任执行长, 并请已退休的蒋尚义重新掌舵研发. 当时最主要任务之一, 就是开发所谓的「先进封装技术」.
「因为摩尔定律已经开始慢下来, 从整个电子系统面来看, 在电路板和封装上, 还有很大的改进空间, 」他说.
过去几十年, 摩尔定律的耀眼光芒, 让整个电子系统其他部分的进步都显得不起眼. 封装产业的发展重点也因此移到降低成本, 已许久没有重大技术突破. 例如, 业界主流的高阶技术──覆晶, 是 50 年前就开发的技术.
张忠谋大力支持, 拨了 400 个研发工程师给余振华, 他也不负众望, 两, 三年后顺利开发出 CoWoS 技术.
但直到开始量产, 真正下单的主要客户只有一家──可程序逻辑门阵列 (FPGA) 制造商赛灵思 (Xilinx) .
此时, 连在台积电辈分极高的「蒋爸」, 都感受到内部压力. 「 (好像) 某人夸下海口, 要了大量资源, 做了个没什么用的东西, 」他回忆.
冲冲冲, 从三星手上抢下苹果肥单
能否夺下 iPhone 处理器订单尤其是关键.
这个举世第一肥单, 长年由三星独揽. 例如 2013 年量产, 用于 iPhone 5s 的 A7 处理器, 黑色树脂里头, 采用的是超薄 PoP (Package on Package) 封装, 直接将一颗 1GB 容量的 DRAM 与处理器迭在一起封装.
三星是举世唯一可量产内存与处理器, 也有自家封测厂的半导体厂. 由它承制, 整个 A7 处理器可在「一个屋顶」下完成, 在成本, 整合度拥有巨大优势.
因此, 尽管三星 Galaxy 智能型手机带给苹果的威胁愈来愈大, 苹果仍无法摆脱对劲敌的依赖. 直到 2016 年的 iPhone 6s, 尽管已引进台积电, 但仍须与三星对分处理器代工订单.
导入 CoWoS 技术, 理论上可让处理器减掉多达 70% 厚度. 但客户却意兴阑珊.
某天, 蒋尚义和一位「大客户」的硏发副总共进晚餐. 对方告诉他, 这类技术要被接受, 价格不能超过每平方公厘 1 美分.
但 CoWoS 的价格是这数字的 5 倍以上.
台积电当即决定开发一个每平方公厘 1 美分的先进封装技术, 性能可以比 CoWoS 略差一些.
「我就用力冲冲冲, 」余振华说. 他决定改用「减法」, 将 CoWoS 结构尽量简化, 最后出来一个精简的设计.
余振华马上向蒋尚义报告, 在白板上画图向他说明, 「我最后几句话还没讲完, 蒋爸已经不管, 马上跑去跟董事长讲, 挖到一个大金矿. 」他回忆.
这就是首度用在 iPhone 7 与 7Plus 的 InFO 封装技术. 该技术是台积独拿苹果订单的主要关键.
而且, 不只一代. 包括几个月前上市的 iPhone X, 今年接下来的新款. 一位外资分析师表示, 愈来愈多迹象显示, 甚至 2019 年, 2020 年的苹果新产品, 台积电通吃的可能性愈来愈高.
一位也曾参与苹果订单的封测厂高阶主管则认为, 三星算是「大意失荆州. 」
当台积电提出 InFO, 封装经验较台积电丰富的三星, 却发生误判, 以为只要将既有的 PoP 技术稍微改良, 就可达到苹果要求的厚度水平.
因此错失先机后, 三星要再冲刺自己版本的类 InFO 技术, 就已追赶不及.
打破不可能, 「小媳妇」立大功劳
2016 年 11 月, 当首度采用 InFO 技术的 iPhone 7 大量出货之际, 台积电公告, 立下大功的余振华, 晋升为整合连接与封装副总经理.
「一开始没人看好, 」余振华感叹.
一位出身台积电, 担任封装厂主管的前辈, 曾当面告诉他, 「你们台积电根本不可能成功! 」
首先, 成本面难与封测厂竞争. 因为封装厂也在发展类似技术, 而台积电的人力成本远高过封装业, 因此要求产品毛利要达到 50%, 但日月光, 硅品只要 20% 就能做了.
外资分析师也看衰. 例如, 美商伯恩斯坦证券分析师马克‧李 (Mark Li) 当时的研究报告写着: 「InFo 会让台积电相对于英特尔与三星更有竞争力吗? 不, 我们不认为. 」
他认为像三星跟英特尔在封装领域累积的经验与技术, 远胜刚入门的台积电. 例如英特尔跟三星在「扇出型晶圆级封装」的专利数分别名列全球第二, 三. 而台积连前十名都排不进去.
这些看衰的意见, 都言之有理. 为什么余振华能够逆转乾坤, 完成这个「不可能任务」?
他给了一个令人意想不到的答案, 「就豁出去了, I have nothing to lose. 」
他斜靠着采访地点的沙发, 惨然笑着.
原来, 那段时间, 正是他人生的谷底.
余振华算是台积电第一批归国学人, 加入时间甚至比蒋尚义还早.
他在清华大学念完硕士之后留美, 在乔治亚理工学院拿到材料博士后, 在著名的贝尔实验室做半导体研究, 1990 年代初期就回国加入台积电, 历经先进微缩技术处长, 先进模块技术处长.
一位与他认识的前半导体业主管指出, 当时余振华「都走在技术的最前端」, 台积电的 CMP (化学机械平坦化) 制程, 便是他设立的.
台积电上一个里程碑, 是成功在 2003 年量产, 从此大幅拉开与联电差距的 0.13 微米一役.
当时, 受行政院表扬的 0.13 微米技术团队 6 位主管, 余振华负责的业务转为铜导线与低介电物质, 归类于「后段」制程.
原先他负责的先进模块技术, 此时由日后投奔三星的梁孟松主管.
他从半导体厂投入资源最多, 对产品性能影响最大的前段制程研发, 几年间移到后段, 最后落脚到「半导体业的传产」──封装.
在这个追逐摩尔定律, 以不断「微缩」为主要使命的超高压行业, 这形同从最受瞩目的一级战区, 被流放边疆.
深深吐出一口气之后, 余振华说, 「一开始人不多, 前段, 后段都我做嘛, 到后来人才多了起来, 我就一直退, 退, 退, 退到封装去了. 」
5 年烧坏几千片晶圆, 开创 CoWoS 封装时代
余振华透露, 那段时间不只工作变化大, 连家庭, 家人也出现状况, 人生陷在低潮, 让他反而燃起破釜沉舟的决心.
台积电的 InFo 与 CoWoS, 都属于「晶圆级封装」技术, 也就是直接在硅晶圆上完成封装. 因此可以大幅缩小体积, 提高效能.
台积电身为全球第一个量产晶圆级封装的半导体大厂, 走在前线, 便有层出不穷的技术难题得解决. 例如, 棘手的 Warpage (晶圆绕曲) 问题.
一位也参与苹果订单的封装业高层透露, 台积电付出昂贵的学费, 5 年间产线烧坏了几千片昂贵的晶圆.
「听说良率一直上不去, 直到去年才达到八成. 」一位台积电大客户主管也说.
2016 年开始, 余振华的漫长坚持, 终于开始看到曙光.
CoWoS 的新客户大量出现. 他当年的预测成真: 最新, 最高阶的芯片, 真的都非得用 CoWoS 不可.
因为 CoWoS 可让此类产品的效能提升 3 到 6 倍.
该年, 辉达 (Nvidia) 推出该公司第一款采用 CoWoS 封装的绘图芯片 GP100, 为最近一波人工智能热潮拉开序幕. 包括, 翌年 AlphaGo 打败世界棋王柯洁背后的 Google 人工智能芯片 TPU 2.0, 这些举世最高性能, 造价最高的人工智能芯片, 都是 CoWoS 封装, 台积电制造.
甚至, 连 2017 年底, 英特尔与 Facebook 合作推出, 要挑战辉达垄断地位的 Nervana 类神经网络处理器, 都不例外, 乖乖交给台湾竞争对手代工.
「没有 CoWoS, 最近这么一大波 AI 不会这么快出来, 」余振华自豪地说. 他并表示, 现在 CoWoS 的产能已供不应求.
他并透露, 手中还备有几款秘密武器, 未来将一一现身.
过去几年, 外界在看台积电, 三星, 英特尔的三雄竞争, 眼光都摆在 7 奈米, EUV 等梦幻技术的进度. 结果, 原先不起眼的封测部门, 现在俨然成为台积电甩开三星, 英特尔的主要差异点.
追根究柢, 得归功于余振华这十年来的「坚持」.
「我觉得他是个典范, 」一位台积电主管说, 「这么聪明能干的人, 可是公司在人事上挪来挪去, 他没有怨言, 你派我去做什么就做什么, 可是我做就一定做到最好. 」