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無廠革命

 

 

「真男人」可能有晶圓廠,但矽谷新一代的半導體企業家可沒有。1980年代末以來,無晶圓廠的晶片公司暴增,那些公司自己設計半導體,把製造外包出去,通常是請台積電代工。1984年,高登.坎貝爾(Gordon Campbell)與達多.巴拿道(Dado Banatao)合創晶片技術公司(Chips and Technologies,簡稱C&T),一般認為那是第一家無晶圓廠的公司。當時,他們的一位朋友說C&T1「不是一家真正的半導體公司」,因為它沒有自己製造晶片。然而,事實證明,他們為個人電腦設計的繪圖晶片很受歡迎,媲美業界一些大公司的產品。最終,C&T逐漸衰落,被英特爾收購。但它證明無晶圓廠的商業模式是可行的,只需要一個好概念與幾百萬美元的創業資金就能運作,創業成本只需要建晶圓廠的一小部分。

對半導體新創企業來說,電腦繪圖一直是個充滿吸引力的小眾市場,因為繪圖領域不像個人電腦的處理器那樣,有英特爾壟斷整個市場。從IBM到康柏,每家個人電腦廠商的中央處理器都必須使用英特爾或AMD的晶片,因為這兩家公司實質上壟斷了個人電腦所需的x86指令集。在螢幕上顯現圖像的晶片市場,競爭激烈很多。半導體代工廠的出現以及創業成本的下降,意味著不只矽谷的貴族階層有資格競相製造最好的圖形處理器。後來稱霸繪圖晶片市場的輝達(Nvidia),並不是從帕羅奧圖的時髦咖啡館發跡的,而是從聖荷西比較混亂的一區裡的2Denny’s連鎖餐廳起步。

1993年,克里斯.馬拉科夫斯基(Chris Malachowsky)、柯蒂斯.普里姆(Curtis Priem)及黃仁勳合力創辦了輝達,黃仁勳如今仍是輝達的執行長。普里姆在IBM任職時,做過如何運算圖形的基礎工作,接著他轉往昇陽(Sun Microsystems),與馬拉科夫斯基共事。黃仁勳生於台灣,幼時3移民到肯塔基州,曾在矽谷的晶片製造商巨積(LSI)任職。後來他擔任輝達的執行長,成為輝達的代言人,總是穿著深色牛仔褲、黑色襯衫與黑色皮衣,散發出類似賈伯斯的氣場,顯示他已預見運算的未來。

輝達的第一批客戶是影片與電玩公司,可能看起來不是最先進的客戶,但輝達認為圖像的未來是顯示4複雜的3D立體圖像。早期的個人電腦是一個單調乏味的2D平面世界,因為顯示3D圖像所需的運算量很大。1990年代,微軟Office推出一款名為Clippy的迴紋針動畫,它可以坐在螢幕旁邊提供建議,那代表著圖形技術的大躍進,只是它經常導致電腦當機。

輝達不僅設計了能夠處理3D圖形的晶片,並稱之為圖形處理器(graphics processor unit,簡稱GPU),也為圖形處理器設計了一套軟體生態系統。製作逼真的圖像需要使用一種名叫著色器(shaders)的程式,它會告訴圖像中的所有畫素該如何表現,例如在某種光照色調之下。著色器會套用在圖像的每個畫素上,形同於對數千個畫素做比較簡單的運算。輝達的圖形處理器可以迅速繪出圖像,因為它不像英特爾的微處理器或其他通用的中央處理器(CPU),它的設計是同時進行大量簡單的運算,例如畫素上色。

2006年,輝達發現高速平行運算可套用在電腦繪圖以外的用途,於是發布了CUDA軟體,讓人能以標準的程式設計語言來設計GPU,完全不涉及圖像。輝達在量產頂級的繪圖晶片的同時,黃仁勳也在這款軟體上5投入大量的資金。根據該公司2017年的估計,為了讓任何程式設計師都能使用輝達的晶片,而不限於繪圖專家,黃仁勳投入了至少100億美元。黃仁勳免費提供CUDA給用戶,但那套軟體只能在輝達的晶片上運行。藉由讓晶片不止適用於繪圖業,輝達為平行處理發現了6龐大的新市場,從運算化學到天氣預報等等都適用。當時,黃仁勳還只能依稀看見平行處理的未來:人工智慧後來成為平行處理的最大用例。

今天,輝達的晶片主要是由台積電製造,在最先進的資料中心裡都可以看到輝達的晶片。輝達不需要建立自己的晶圓廠是一件好事。在創立初期,要募集建廠資金也許不太可能。面對一群窩在Denny’s餐廳裡創業的晶片設計師,投資幾百萬美元已經是一種賭注。即使是矽谷最勇於冒險的投資者,也不太可能一下子就拿出上億美元(當時興建一座晶圓廠的成本)。此外,誠如桑德斯所說的,經營晶圓廠既昂貴又耗時。光是像輝達那樣設計出最先進的晶片,就已經夠難了。如果還要自己管理製程,公司可能就沒有資源或餘裕把資金拿去開發一套軟體生態系統。

輝達不是唯一為專用邏輯晶片開創新用例的無晶圓廠公司。1970年代初期在學術大會上高舉微處理器,並宣稱「這就是未來」的通訊理論教授雅各布,現在相信未來已經到了。行動電話(裝在汽車儀表板或地板上的黑色大塑膠磚)即將邁入第二代(2G)技術。電話公司正在協議一種技術標準,讓他們的電話能互通。多數公司想用「分時多工」(time-division multiple access)系統,在這種系統中,來自多個電話的資料是在相同的無線電波頻率上傳輸。當別的電話有片刻沉默時,某電話的資料就會插入無線電波頻譜中。

雅各布一直很相信摩爾定律,他認為另一種比較複雜的跳頻系統會更好。他建議在不同的頻率之間移動通話資料,而不是把某通電話固定在特定頻率上,就可以把更多的通話塞入可用的頻譜空間中。多數人認為那種系統理論上是對的,但實務上永遠行不通。他們認為那樣做的語音品質很差,通話會斷線。在不同頻率之間移動通話資料,並由另一端的手機解讀資料,這種處理量似乎非常大。

但雅各布不認同他們的看法, 1985年他創立了高通公司,就是要證明這點。他建造了一個有兩座手機基地台的小型網路,想證明自己的想法是可行的。不久,整個產業都意識到,只要依靠摩爾定律來執行演算法,判斷周遭所有的無線電波,高通的系統就有可能把更多的手機通話塞入現有的頻譜空間。

高通為2G以後的每一代手機技術,貢獻了如何透過無線頻譜傳輸更多資料的關鍵概念,並出售具備解讀這種雜訊的運算力的專用晶片。高通的專利非常根本,沒有那些專利,就7不可能生產手機。不久高通又拓展了一條新的事業線,不僅設計手機中與行動網路通訊的數據機晶片,也設計啟動智慧型手機核心系統的應用程式處理器。這些晶片設計是重大的工程成就,每個都建立在8數千萬行的程式碼上。高通藉由出售晶片及智慧財產權的授權,賺進數千億美元,但它9沒有製造任何晶片。那些晶片是高通自己設計,再交由三星或台積電等公司製造。

要哀歎半導體製造業的外移很容易,但是像高通那樣的公司,要是每年都必須投資數十億美元興建晶圓廠,可能無法生存下去。雅各布和高通的工程師擅長把資料塞進無線電波頻譜,並設計出愈來愈精明的晶片來解讀那些訊號的意義。就像輝達一樣,他們不必努力成為半導體的製造專家,這是一件好事。高通曾多次考慮興建自己的晶片製造廠,但考慮到建廠成本與複雜性後,每次都決定作罷。多虧了台積電、三星,以及其他願意為他們生產晶片的公司,高通的工程師可以專注在管理頻譜及半導體設計方面的10核心優勢。

還有許多其他的美國晶片公司也因無晶圓廠模式而受惠,那種模式讓他們推出新的晶片設計,但不必花數十億美元建廠。於是,市面上出現全新的晶片類別,那些晶片只在台積電與其他的代工廠製造,不在晶片設計公司的內部製造。賽靈思(Xilinx)、阿爾特拉(Altera)等公司首創的現場可程式化邏輯閘陣列(Field-programmable gate arrays),可以用程式設計出不同用途的晶片。而這兩家公司從創立初期就把晶片製造外包。不過,無晶圓廠公司所帶來的最大變化,不單只是開發出新型的晶片而已。它們因促成了行動電話、高階顯卡,以及平行處理,而開創出全新的運算類型。