2015年,有人問嚴濤南,萬一ASML正在開發的新EUV微影成像設備無法運作,會發生什麼事。過去25年,嚴濤南一直致力投入最先進的微影成像技術。1991年,他從麻省理工學院畢業後就到德儀工作,在那裡接觸到GCA破產前生產的最後一批微影成像機台。他在1990年代末期加入台積電,當時產生193奈米波長的深紫外線微影成像技術才剛問世。近20年來,晶片業依靠這些機台來製造愈來愈小的電晶體,並運用一系列的光學技巧(例如讓光穿過水或穿過多個光罩)來讓193奈米的光波能夠形成只有其幾分之一大小的圖案。這些技巧讓摩爾定律得以延續,晶片業因此不斷地縮小電晶體,從1990年代末期的180奈米節點,進化到3D FinFET晶片的早期階段(2010年代中期,FinFET晶片已準備好量產)。
然而,能幫193奈米刻出更小細節的光學技巧是有限的。每個新的變通方法都會增加時間與成本。到了2010年代中期,一些小幅改善也許勉強還能做到,但摩爾定律需要更好的微影成像機台來刻更小的形狀。現在唯一的希望是,從1990年代初期就開始開發但嚴重耽擱的EUV機台,最終能以商業規模運作。還有別的選擇嗎?嚴濤南知道:1「沒有替代方案。」
張忠謀押在EUV上的賭注,比半導體業裡的任何人都大。台積電的微影成像團隊對於EUV機台是否已經準備好量產,意見分歧。但說話溫和的台積電研發高層蔣尚義確信,EUV是唯一的前進道路。蔣尚義領導台積電的研發,一般普遍認為他是台積電頂尖製造技術的功臣。他生於重慶,跟張忠謀一樣在二戰期間為逃離日軍攻擊而舉家遷徙。他在台灣成長,後來在史丹佛大學攻讀電機,畢業後先後在德州的德儀及矽谷的惠普工作。當台積電突然打電話給他,提供一份工作機會及豐厚的簽約獎金時,他於1997年搬回台灣,幫助建立公司。2006年,他退休回到加州,但2009年台積電在40奈米製程面臨延宕時,張忠謀感到有點沮喪,趁他回台灣之際,以一碗牛肉麵打動他,讓他回到台積電重掌研發大計。
蔣尚義曾在德州、加州、台灣工作過,總是受到台積電的雄心壯志與工作態度所感召。那股雄心壯志源自於張忠謀對世界一流技術的願景,這點從他願意投下鉅資,把台積電的研發團隊從1997年的120人擴大到2013年的7000人,即可見得。這種渴望彌漫著整個公司,蔣尚義解釋:「台灣人工作勤奮很多。」由於製造機台占先進製造廠成本的很大一部分,因此維持設備運行對獲利非常重要。蔣尚義指出,在美國,如果凌晨一點發生故障,工程師會等到清晨再修理。在台積電,他們凌晨兩點前就修好了。他說:「他們不會抱怨,2他們的配偶也不會抱怨。」蔣尚義回鍋重掌研發後,台積電開始毅然邁向EUV。他可以輕易找到願意通宵工作的員工。他要求在台積電的最大廠之一Fab 12的中間安裝三台用來測試的EUV掃描器。在公司與ASML的合作關係中,他也不惜重金,一再地3測試與改進EUV機台。
格芯為7奈米節點做準備時,也跟台積電、三星、英特爾一樣考慮採用EUV。從創立之初,格芯就知道,公司如果想蓬勃發展,就需要壯大。格芯承接了AMD的晶圓廠,但那些晶圓廠遠比競爭對手的小。為了壯大,格芯於2010年收購了新加坡的晶圓代工廠4特許半導體。幾年後的2014年,又收購了IBM的微電子事業,承諾為IBM生產晶片(IBM決定出售晶圓廠的理由跟AMD一樣)。IBM高階主管過去常分享一張運算生態系統的圖:5一個倒金字塔,底部是半導體,上面的其他運算都依賴它。然而,IBM雖然在半導體業務的成長中扮演根本要角,但該公司的領導者認為製造晶片在財務上沒有意義。當他們面對究竟要投資數十億美元來建造先進晶圓廠,還是投資數十億美元打造高利潤軟體的決定時,他們選擇了後者,6把晶片部門賣給了格芯。
2015年,拜這些收購所賜,格芯成了美國最大的代工廠,也是全球最大的代工廠之一,但與台積電相比仍是小巫見大巫。格芯與台灣的聯電競爭世界第二大代工廠的地位,兩家公司都擁有7約10%的代工市占率,而台積電擁有50%以上的全球代工市場。2015年,三星在晶圓代工市場的市占率只有5%,但是如果把三星生產自己設計的晶片也算進去的話(例如記憶體晶片、智慧型手機的處理器晶片),三星生產的晶圓比任何公司都多。業界標準是以每月千片晶圓為單位來衡量,台積電的產能為180萬,三星為250萬,8格芯僅70萬。
台積電、英特爾、三星肯定會採用EUV,雖然它們對於何時及如何採用EUV有不同的策略。格芯則不是那麼肯定,該公司在28奈米製程方面一直不太順利。為了降低延遲的風險,格芯決定從三星取得914奈米製程的授權,而不是內部開發,這項決定顯示他們對自己的研發不太有信心。
到了2018年,格芯已採購一些EUV微影成像機台,並安裝在最先進的Fab 8晶圓廠中。但這時格芯的高管卻下令停工,10取消EUV計畫。格芯放棄了先進的新節點,不採用以EUV微影成像技術為基礎的7奈米製程(那個製程的開發已投入15億美元,若要上線運作還需要再投入差不多的金額)。台積電、英特爾、三星的財務狀況足以讓他們豁出去豪賭一番,並希望EUV能順利運作。格芯則判斷自己身為中型代工廠,永遠不可能讓7奈米製程獲利。因此格芯宣布停止生產更小的電晶體,把研發支出削減三分之一,並在經歷幾年虧損後迅速轉虧為盈。除了全球最大的晶片製造商,製造先進的處理器對一般業者來說太昂貴了。連擁有格芯股權的波斯灣王室也嫌財力不夠雄厚。於是,有能力製造先進邏輯晶片的公司再從四家減為三家。