شرکت TSMC چگونه به یکه‌تاز بازار ساخت تراشه تبدیل شد؟

در دنیای فناوری و خودروها، هرساله با نوآوری‌ها و محصولات زیادی مواجه می‌شویم که در اکثر آن‌ها از نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شود. در این میان تایوان با شرکت TSMC نقش مهمی در این بازار بازی می‌کند و شرکت‌های زیادی در سراسر جهان به آن وابسته هستند، اما چرا TSMC چنین موقعیتی دارد و نمی‌توان شرکتی مشابه آن تاسیس کرد؟

تایوان نامی شناخته شده در میان کسب و کارهای دنیای فناوری است، کشوری که شرکت‌های زیادی در آن حضور دارند و سخت‌افزارهای زیادی تولید می‌کند. یکی از شرکت‌های مطرح تایوان، TSMC است. شرکت سازنده تراشه‌ای که جلوتر از رقبای خود حرکت می‌کند و هرساله سفارشات شرکت‌های مختلف از اپل گرفته تا انویدیا را تولید می‌کند.

شرکت TSMC در یک دهه اخیر قدم‌های بزرگی در دنیای فناوری برداشته و در آینده هم نقش مهمی در زمینه نوآوری‌ها خواهد داشت، اما علت این موضوع چیست؟

دنیا به نیمه‌رساناهای بهتری نیاز دارد

نیمه‌رساناها نقش مهمی در زندگی بشر دارند و تقریبا در همه جا وجود دارند و بخش جدانشدنی دستگاه‌های الکترونیکی هستند. از LEDهای کوچک گرفته تا فضاپیماها که می‌خواهند بشر را به مریخ ببرند، همه از نیمه‌رساناها استفاده می‌کنند. بدون نیمه‌رساناها خبری از گوشی یا لپ‌تاپ‌ها نبود و حتی نمی‌توانستیم به تجهیزات پزشکی مدرن دست پیدا کنیم.

دنیا امروزه درگیر بحران ناشی از ویروس کرونا است و شرکت‌ها توانسته‌اند در مدت تقریبا ۶ ماه واکسن آن را بسازند و مورد آزمایش‌های بالینی قرار دهند. مسلما یک دهه پیش نمی‌توانستیم دست به چنین کاری بزنیم و همچنین امکان دورکاری به سبک کنونی وجود نداشت. پژوهشگران در سراسر جهان برای ارتباط با یکدیگر از اینترنت و برنامه‌هایی مانند زوم استفاده می‌کنند و فناوری‌هایی مانند یادگیری ماشینی در توالی‌یابی DNA نقش دارند.

با گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها داوطلبان برای دریافت واکسن اعلام آمادگی کردند و تقریبا تمام هماهنگی‌ها از راه دور و توسط دستگاه‌های الکترونیکی انجام شد. اگر دنیای تکنولوژی به این اندازه پیشرفته نبود، مسلما تولید واکسن چندین سال طول می‌کشید و در این مدت هم امکان بسیاری از کارها وجود نداشت.

شرکت‌های بی‌شماری می‌توانند دستگاه‌های الکترونیکی مانند گوشی‌ها و تبلت‌ها را تولید کنند، اما چالش اصلی بهبود و همچنین افزایش بهره‌وری آن‌هاست. اگر صنعت نیمه‌هادی پیشرفت نمی‌کرد، مسلما در حال حاضر وضعیت بدتری داشتیم. در این میان شاید تصور کنید شرکت‌های سخت افزار یا نرم افزار غول‌پیکر تمام کارها را انجام می‌دهند، اما اگر نیمه‌رساناها وجود نداشتند، حتی بازاری برای حضور این کمپانی‌ها نداشتیم.

در آینده به نیمه‌رساناهای بهتری نیاز داریم برای اینکه دستگاه‌های الکترونیکی انرژی کمتری مصرف کنند تا علاوه بر افزایش شارژدهی، بتوانیم از کره زمین هم محافظت کنیم. ما به دنبال انرژی‌های پاک مانند انرژی خورشیدی هستیم و می‌خواهیم آن‌ها را جایگزین سوخت‌های فسیلی کنیم. می‌خواهیم گوشی‌ها و لپ‌تاپ‌ها برای مدت نامحدودی شارژدهی داشته باشند و همچنین کامپیوترها روزبه‌روز قدرتمندتر و هوشمندتر شوند.

در این میان تایوان یا بهتر است بگوییم شرکت TSMC نقش اساسی برای رسیدن به این هدف ایفا می‌کند و این کمپانی بشر را یک قدم به رویاهایش نزدیکتر می‌کند. برای اینکه بدانید چرا TSMC برای چنین آینده‌ای اهمیت بالایی دارد، ابتدا باید اطلاعاتی درباره زنجیره تامین داشته باشید.

زنجیره تامین

هر فروشنده سخت افزار الکترونیکی به یک واحد تجاری کوچک برای تولید مدار مجتمع (IC) یا تراشه نیاز دارد. تولید تراشه‌ها فرایندی زمانبر است و به پول نیاز دارد. با توجه به این موضوع، فروشندگان محصولات نهایی نمی‌خواهند وارد این بخش از بازار شوند و به همین دلیل از کمپانی‌های دیگری مانند سامسونگ درخواست کمک می‌کنند.

زمانی که شرکتی مانند سامسونگ نتواند به تمام نیازها پاسخ دهد و ظرفیت کافی نداشته باشد، به کمپانی‌هایی نیاز داریم که تنها در این زمینه فعالیت داشته باشند. این شرکت‌ها باید بتوانند تراشه‌ها را طراحی و تولید کنند و تنها روی نیمه‌رساناها تمرکز داشته باشند.

TSMC تنها تراشه می‌سازد

برخی از شرکت‌ها تنها در زمینه طراحی فعالیت دارند و به آن‌ها کمپانی «تولید بدون ساخت» (Fabless)  گفته می‌شود. تعدادی تنها تولیدکننده هستند که «Pure Play» نام دارند و TSMC در این دسته قرار می‌گیرد. برای اینکه دید بهتری درباره فعالیت‌ها داشته باشید، اجازه دهید به چند شرکت اشاره کنیم:

• شرکت‌های عرضه‌کننده محصول نهایی: آمازون (سرورهای ابری)، سونی (کنسول بازی)، اپل (گوشی‌های هوشمند)، تسلا (خودروها) و ...
• طراح و سازنده مدار مجتع: سامسونگ و اینتل
• تولید بدون ساخت (تنها مدار مجتمع طراحی می‌کند): انویدیا، AMD، کوالکام و برودکام
• Pure Play (تنها IC تولید می‌کند): TSMC و GlobalFoundry

طراحی یک تراشه نیاز به هزینه بسیار بالایی دارد و همانطور که در تصویر زیر می‌بینید، هزینه طراحی تنها یک تراشه می‌تواند به ۱.۵ میلیارد دلار هم برسد:

طراحی و تولید تراشه به میلیاردها دلار سرمایه نیاز دارد

شرکت TSMC تنها تراشه می‌سازد و با اینکار دیگر هزینه‌ای برای طراحی آن‌ها نمی‌پردازد. شاید فکر کنید طراحی سخت‌تر از تولید باشد و به همین علت این شرکت تایوانی تنها تراشه‌ها را می‌سازد، اما چنین تصوری کاملا اشتباه است. در حقیقت سخت‌ترین بخش، ساخت مدار مجتع یا تراشه است و دو کمپانی در این زمینه پیشرفت زیادی کرده‌اند و حرف اول را در بازار می‌زنند: TSMC و سامسونگ.

چرا تولید تراشه سخت است؟

برای اینکه تراشه‌ها کوچکتر و کوچکتر شوند، به فناوری‌های جدیدی نیاز است. در حال حاضر TSMC از یک فرایند فوق‌العاده دشوار به نام «لیتوگرافی به وسیله اشعه ماورابنفش» یا EUV استفاده می‌کند. ماشینی که این فرایند را ممکن می‌کند، توسط کمپانی به نام «ASML» ساخته می‌شود. این ماشین اساسا باید راه جدیدی برای تولید نور خلق کند.

فرایند ساخت به اینصورت است که قلع مذاب درون محفظه ریخته می‌شود و لیزر به آن اصابت می‌کند تا یک نور یا پلاسمای روشن خلق شود. این پلاسما می‌تواند از طریق آینه‌ها و ماسک‌ها به ویفرها برسند و در یک دقیقه، این فرایند ۵۰ هزار بار انجام می‌شود.

ماشین ساخت تراشه میلیون‌ها دلار قیمت دارد

طبق گفته برخی، این ماشین پیچیده‌ترین ماشین مهندسی شده بشر است. چنین ماشینی قیمت بسیار بالایی دارد و هرکدام از آن‌ها با قیمت ۱۲۰ میلیون دلار به فروش می‌رسند و وزنی نزدیک به ۱۸۰ تن دارند. ابعاد این ماشین هم تفاوت چندانی با یک اتوبوس دو طبقه ندارد. در حالی که ASML این ماشین‌های EUV را می‌سازد، قطعاتش را از کمپانی‌های دیگر تامین می‌کند.

تنها با خرید یک ماشین از شرکت ASML نمی‌توانید به سازنده تراشه تبدیل شوید و به تجهیزات دیگری هم نیاز دارید. دستگاه لیتوگرافی ASML تنها ۱۰ درصد فرایند ساخت را انجام می‌دهد و ۲۰ درصد هزینه‌ها را شامل می‌شود. TSMC باید یاد بگیرد که چگونه از دستگاه‌ها در کنار یکدیگر استفاده کند. این تجهیزات هرکدام مشکلات مخصوص به خود را دارند، بنابراین ایجاد یک زنجیره از این تجهیزات که بتوانند بطور انبوه برای شما تراشه تولید کنند، به تنهایی یک مشکل محسوب می‌شود.

اهمیت تحقیق و توسعه و کاهش نقص‌ها

برخورد کردن با کمترین خطاها و نقص‌های ممکن، بزرگترین چالش در تولید محسوب می‌شود. شرکت‌های تولید تراشه تمرکز ویژه‌ای به این بخش دارند و TSMC عملکرد درخشانی دارد. بخشی از تراشه‌ها عملکرد مناسبی از خود نشان می‌دهند و باید تا جای ممکن میزان آن‌ها را افزایش داد. برای مثال اگر بیش از ۶۰ درصد تراشه‌ها مشکل داشته باشند، نمی‌توانید به راحتی دست به تولید انبوه بزنید. دلایل زیادی از نقص‌های کوچک گرفته تا مشکل در الگوها می‌توانند منجر به ساخت یک محصول معیوب شوند.

همین موضوع اهمیت بخش تحقیق و توسعه را افزایش می‌دهد و هرساله شرکت‌ها میلیاردها دلار برای آن بودجه درنظر می‌گیرند. شرکتی مانند TSMC می‌خواهد به بهترین نتیجه ممکن دست پیدا کند و برای راضی نگه داشتن مشتریان خود میلیاردها تراشه تولید کند.

TSMC سالانه میلیاردها دلار در بخش تحقیق و توسعه سرمایه‌گذاری می‌کند

هرساله مشتریان به خصوص اپل از TSMC می‌خواهند چیپ‌های کوچکتر و بهتر بسازد. این کمپانی تایوانی برای رفع نیازها باید فرایندها را اصلاح کند و برای اینکار به تجهیزات جدیدی نیاز دارد. TSMC در سال ۲۰۱۹ نزدیک به ۳ میلیارد دلار در بخش تحقیق و توسعه هزینه کرد و این مبلغ در ۲۰۲۰ افزایش داشته. مسلما هر شرکتی نمی‌تواند میلیاردها دلار برای چنین بخشی بودجه درنظر بگیرد.

شرکت TSMC امروزه تقریبا به یک انحصار در بازار دست پیدا کرده که اگرچه سامسونگ تلاش می‌کند به آن برسد، اما هنوز موفق به چنین کاری نشده. TSMC چنین جایگاهی را مدیون ارتباطات ۳۰ ساله با شرکا و اعتماد متقابل است.

چرا شرکت‌ها به سراغ TSMC می‌روند؟

علت اصلی چنین موضوعی، اعتماد است. شرکت TSMC و بنیانگذار آن، «موریس چانگ» بخاطر شخصیت و عملکرد بی‌نقص خود مورد احترام کمپانی‌های مختلف هستند. شرکت‌ها به آن‌ها اعتماد دارند و تولید تراشه‌های خود را به آن‌ها می‌سپارند.

اپل یکی از مشتریان پروپاقرص TSMC است و پس از دعوای حقوقی با سامسونگ، اکثر مواقع برای تولید تراشه‌های خود به سراغ این کمپانی تایوانی می‌رود. علاوه بر اعتماد، TSMC دارای یک حلقه نزدیک از شرکا است که یک اکوسیستم غول‌پیکر با تریلیون‌ها دلار سرمایه‌گذاری در بخش تحقیق و توسعه شکل می‌دهند.

TSMC با کمپانی‌های بی‌شماری همکاری می‌کند که برای مثال می‌توان به اپل، AMD، آرم و ASML اشاره کرد. با وجود تمام این موارد، اعتماد به TSMC باعث شده این کمپانی به انتخاب اول بسیاری از کمپانی‌ها تبدیل شود.

چرا شرکتی مشابه TSMC نمی‌توان تاسیس کرد؟

تاسیس شرکتی مشابه TSMC چندان ساده نیست چرا که این کمپانی باید سالانه میلیاردها دلار در بخش تحقیق و توسعه هزینه کند تا بتواند پس از مدتی به جایگاه برتر برسد و دوباره با هزینه زیاد، چنین برتری را حفظ کند. اگر به بخش تحقیق و توسعه هم کاری نداشته باشیم، به تجهیزات نیاز دارید که هزینه آن‌ها هم به میلیاردها دلار می‌رسد:

• جدیدترین مرکز تولید TSMC به نام Fab18 که تراشه‌های ۵ نانومتری را تولید می‌کند، ۱۷ میلیارد دلار ارزش دارد.
• کارخانه بعدی این کمپانی که تراشه‌های پیشرفته‌تر، ۳ نانومتری را تولید می‌کند، ۱۹.۶ میلیارد دلار ارزش خواهد داشت.

این مراکز تولید در بهترین شرایط به ۵ سال زمان نیاز دارند تا به سوددهی برسند. علاوه بر این، شرکت جدید باید بتواند پاسخگوی نیاز بازار باشد و همین کار به مدیریت نیاز دارد، موضوعی که شرکت TSMCظاهرا در آن با مشکلی روبه‌رو نمی‌شود.

سامسونگ جدی‌ترین رقیب TSMC است

سامسونگ جدی‌ترین رقیب شرکت TSMC محسوب می‌شود با این حال تا به امروز نتوانسته این کمپانی تایوانی را شکست دهد، البته باید به این موضوع اشاره کنیم که سامسونگ تنها در زمینه تولید چیپ فعال نیست. این شرکت کره‌ای آن‌ها را طراحی می‌کند و می‌سازد و در محصولات نهایی هم مورد استفاده قرار می‌دهد.

اگرچه تاسیس شرکتی مشابه با TSMC بسیار دشوار است، اما این موضوع باعث نشده کشور‎ها به این بخش ورود نکنند. برخی کشورها تلاش‌های زیادی در این زمینه کرده‌اند:

• ایالات متحده آمریکا چندین دهه پیش با «Sematech» تلاش کرد به موقعیت مناسبی دست پیدا کند اما شکست خورد.
• اینتل که یک شرکت آمریکایی است، در رقابت عقب افتاده و وضعیت مناسبی هم ندارد. وضعیت اینتل به گونه‌ای است که حتی شاید برخی از بهترین تراشه‌های آن را در آینده، سامسونگ یا TSMC بسازند.
• چین یکی دیگر از کشورهایی است که با سرمایه‌گذاری ۱۵۰ میلیارد دلاری از سال ۲۰۱۴، می‌خواهد حرفی برای گفتن داشته باشد. SMIC بزرگترین سازنده تراشه در چین است، اما سال‌ها یا حتی دهه‌ها از TSMC عقب است و با توجه به تحریم‌های اخیر دولت ایالات متحده آمریکا و اضافه شدن به لیست سیاه، احتمالا این عقب‌افتادگی بیشتر هم خواهد شد.
• اروپا با بیش از ۱۰ کشور و سرمایه‌گذاری ۱۴۵ میلیارد یورویی می‌خواهد با TSMC رقابت کند و شاید بتواند در آینده حضور قدرتمندی در این بخش از بازار داشته باشد.

اگرچه تا به اینجای کار به مبالغ سنگینی اشاره کردیم، اما همه چیز پول نیست. مسلما شرکتی مانند اینتل در زمینه پول مشکلی ندارند، اما متخصصان کافی برای بهبود تکنولوژی خود و همچنین تولید انبوه تراشه‌های پیشرفته در اختیار ندارد. در حالی که مهندسان نرم افزار و سخت افزار بی‌شماری در کشورهای مختلف وجود دارند، تعداد کمی از مهندسان در زمینه ساخت نیمه‌هادی متخصص هستند. شما باید بتوانید بهترین‌های این حوزه را استخدام کنید که چالش‌های مخصوص به خود را دارد.

اپل باارزش‌ترین کمپانی جهان است و یکی از مشتریان بزرگ شرکت TSMC محسوب می‌شود. این کمپانی که اخیرا شروع به طراحی تراشه‌های مبتنی بر ARM برای دنیای مک کرده، میلیاردها دلار پول نقد در اختیار دارد، با این حال هنوز وارد بازار تولید چیپ‌ها نشده. ظاهرا تضمینی برای موفقیت در سرمایه‌گذاری در این بخش وجود ندارد و شاید نمونه نهایی کیفیت مشابه با محصولات شرکت TSMC را نداشته باشد.

جمع‌بندی

شرکت TSMC در کشور تایوان به یک موفقیت بزرگ دست پیدا کرده و شرکت‌های زیادی در سراسر جهان به آن وابسته هستند. چیپ‌‌ها به بخش جدانشدنی دستگاه‌‎های کنونی و همچنین آینده تبدیل شده‌اند: خودروهای الکتریکی، فضاپیماها، سرورها، شبکه 5G و حتی توسعه داروها و واکسن‌ها و تجهیزات نظامی، همگی به چیپ‌ها نیاز دارند.

انتظار نمی‌رود در آینده شرکتی بتواند تاثیری روی موقعیت TSMC داشته باشد و احتمالا یکه‌تازی این کمپانی تایوانی همچنان ادامه خواهد داشت.