【上海电力电子展】芯片发展的六个时代

上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于2020年7月1-3日在上海世博展览馆隆重举行，邀您关注今日上海电力电子展新资讯：

       1950年代，随着德州仪器和仙童半导体发明集成电路后，随着硅平面技术的发展，1960年代双极和MOS电路的出现，标志着由于电子管和晶体管制造电子产品的时代发生了量和质的变化，开创了一个新兴的集成电路产业。

       一、全球集成电路产业链变革历程

       60多年来，集成电路产品从小规模集成电路（SSI）逐步发展到特大规模集成电路（ULSI），经历了从板上系统（System on Board）到芯片级系统（System on Chip）的过程。在这漫长的发展历程中，集成电路产业链已经发生了三次重大变革。这三次变革的重要原因都包含“为了解决系统设计或IC设计上的问题”，所以在技术上有了相应的对策，而在产业分工上也相对地产生了结构性的改变。

       第一阶段：系统厂商主导阶段

       主导厂商：军用及航空航天公司

       1960年代，集成电路刚刚诞生时，作为一项新兴技术，生产涉及到的技术仅为少数企业所掌握，而生产所用的设备、材料、制造工艺技术等又具有高度的专业性，是过去其他产品生产中从未曾涉及、使用过的。从产品设计技术、设备生产技术到原材料生产技术到加工工艺技术，都无法作为成熟产品从市场上直接获得。因此，任何企业要想进入集成电路领域，唯一的途径就是自身掌握包括产品设计、加工制造在内的全套技术，拥有半导体材料制备和生产设备，也就是我们通常所说的“全能企业”。

       美国、日本的早期集成电路企业仙童半导体（Fairchild Semiconductor）、摩托罗拉（Motorola）、国际商业机器（IBM）、日电（NEC）、索尼（Sony）等公司都是依附于大型企业集团的，在本集团战略思想的统一指导下，从事产品的设计与生产，而产业内的组织结构也主要表现为水平整合，集整机产品和集成电路的设计、制造、封装和测试等生产过程于一身。

       主要是为自身制造的电子整机产品（电子设备、通信设备、家用电器等）服务的，以此增加其整机产品的附加值，提升产品的质量和功能，降低生产成本，争夺市场。不过当时的电路产品主要是双极器件电路和简单功能的MOS电路，用于替代成本较高的晶体管器件。

       第一次变革：微处理器与存储器的诞生催生IDM企业出现

       第二阶段：IC产业处于以生产为导向的初级阶段

       主要厂商：英特尔、德州仪器、摩托罗拉

       集成电路产业的第一次变革是从1970年代开始，随着微处理器与存储器的诞生，原来由系统公司独揽系统与IC设计的垂直整合时代，转变为系统公司与IC公司的分业体制。芯思想原创

       1960年至1970年，系统厂商包办了所有的设计和制造，随着电脑的功能要求越来越多，整个设计过程耗时较长，使得部分系统厂商产品推出时便已落伍，因此，有许多厂商开始将使用的元件标准化，1970年左右，微处理器、存储器和其他小型IC元件逐渐标准化，也由此开始区分系统公司与专业集成电路制造公司。

       此一阶段，IDM企业在集成电路市场中充当主要角色，IC设计是作为附属部门而存在。这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主，CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。

       IDM公司被垂直整合，从概念到消费者，从原材料到产品；IDM公司在内部控制所有过程、材料和供应。在这种垂直整合中，从设备定制到使用新材料进行实验的创新都是很常见的，一家公司控制工艺并雇用创新者。

       当垂直整合和研发成本太高而无法在全球市场上竞争时，在整个过程中即兴创作和创新的能力就丧失了很多。IDM公司一直在承受降低成本、保持和提高质量的压力。

       第二次变革：ASIC技术的诞生催生Fabless+Foundry模式出现

       第三阶段：IC产业开始进入以客户为导向的阶段

       主要厂商：台积电、赛灵思

       第二次变革是在1980年代，由于ASIC和ASSP的出现，使得门阵列和标准单元的设计技术成熟，催生了Foundry+Fabless的运营模式。

       虽然有部分集成电路标准化，但在整个电脑系统中仍有不少独立IC，过多的IC使得运行效率不如预期，ASIC技术应运而生，同时系统工程师可以直接利用逻辑门元件资料库设计IC，不必了解晶体管线路设计的细节部分，设计观念上的改变使得专职设计的Fabless公司出现，专业晶圆代工厂Foundry的出现填补了Fabless公司需要的产能。

       随着微处理器和PC机的广泛应用和普及，虽然有部分集成电路标准化，但已经难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求。因为在整个电脑系统中仍有不少独立IC，过多的IC使得运行效率不如预期。同时整机客户则要求不断增加IC的集成度，减小芯片面积，使系统的体积缩小，降低成本，提高产品的性能价格比，从而增强产品的竞争力，得到更多的市场份额和更丰厚的利润；同时，由于IC制程技术的进步，软件硬件化已成为可能。

       为了改善系统的速度和简化程序，ASIC技术应运而生，工程师可以不必了解晶体管线路设计的细节部分，直接利用逻辑门设计门阵列（CPLD）、可编程逻辑器件（FPGA）、标准单元、全定制电路等。设计观念上的改变使得专业设计的Fabless公司出现。

       而让Fabless模式发扬光大的主要得益于三个重要因素。

       一是Lynn Conway和Carver Mead合著的《超大规模集成电路系统导论Introduction to VLSI Systems》在1980年出版。书中提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想。

       二是EDA（电子设计自动化）工具的发展，PCB设计方法引入IC设计之中，如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等，集成电路逻辑仿真、功能验证的工具的日益成熟，设计开始进入抽象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在，工程师们可以设计出集成度更高且更加复杂的芯片。明导电子、新思科技、楷登电子等EDA巨头在此阶段相继成立。

       三是Foundry出现，弥补了Fabless公司需要的产能空缺。1987年台积电成立，开创了Foundry + Fabless模式运营的新时代。台积电创始人张忠谋也因此获得2011年度IEEE荣誉勋章（IEEE Medal of Honor）。目前纯晶圆代工提供商有台积电、联电、中芯国际、华虹集团等。

       不过，在Fabless刚萌芽时，AMD创始人兼董事长Jerry Sanders对此表示怀疑，曾发出“Real men have fabs”的言论。不过也确实有Fabless成功转型IDM，比如美信（Maxim）、巨积LSI Logic。

       第三次变革：SoC设计方法学的诞生催生IP与设计服务公司出现（芯片设计简化成搭积木）

       第四阶段：半导体产业进入完全专业分工阶段，IDM转型Fab-lite

       主要厂商：ARM、高通

       第三次变革在1990年中后期，工艺制程推进到了180纳米，芯片上集成的晶体管已经远超过1000万个。这时可重复使用的硅知识产权（Silicon Intellectual Property，SIP）出现了，某一功能可以使用某一SIP核来管理，使得设计更有效率。

       1994年摩托罗拉（Motorola）发布了用来设计基于68000和PowerPC定制微处理器的FlexCore系统，1995年LSI Logic为索尼（Sony）的PlayStation设计的CPU（集成了一个32位RISC微处理器，JPEG视频解码器和3D图形引擎），应该是第一代基于SIP核完成SoC设计的最早产品。当时的SoC相对简单，包含处理器、存储器和逻辑芯片，如LSI Logic为索尼（Sony）的集成了一个32位RISC微处理器、JPEG视频解码器和3D图形引擎。

       由于SoC可以充分利用已有的设计积累，显著地提高了ASIC的设计能力，因此发展非常迅速。随着RF电路模块和数模混合信号模块集成在单一芯片中，SoC集成的内容越来越多，现在SoC中包含一个或多个处理器、存储器、模拟电路模块、数模混合信号模块以及可编程逻辑。

       高度复杂的系统功能和愈来愈快速的产品进入市场时间（Time to Market）要求，不允许芯片设计者公司一切从零开始，必须借鉴和使用已经成熟的设计为自己的产品开发服务，决定了SoC的设计必须采用与传统单片集成电路设计不同的方法。

       SoC设计方法学应运而生，其包含三个内容，一是系统设计方法；二是IP核的设计和使用；三是深亚微米集成电路设计。

       随着SoC设计方法学的普遍采用，芯片设计公司购买第三方公司的IP，组合成SoC，整个过程就跟拼积木一样，芯片的规模呈指数级增长，从百万门级发展到今天的数十亿门级。

       SIP概念的兴起，将具有某种特定功能的电路固定化，当IC设计需要用到这项功能时，可以直接使用这部分电路，随之而来的是专业的IP与设计服务公司的出现。

       在此阶段，还有一个有趣的现象就是IDM公司纷纷转型Fab Lite。面对密集智力和庞大资金的压力，IDM厂商开始了悄然转型，有的转型Fab Lite，有的变身Fabless。在Fabless刚萌芽时，AMD创始人兼董事长Jerry Sanders对此表示怀疑，曾发出“Real men have fabs”的言论，不过到时 2009年时，AMD也不得不通过战略剥离其FAB制造，从而变身Fabless，还好现在AMD的主事人是位华裔女性。

       集成电路产业发展至此阶段，专业分工已经初步形成，随着SIP设计、EDA工具、芯片设计、晶圆制造、封装、测试等环节逐步成熟，在各个专业环节涌现出一大批优秀的公司。

       二、半导体产业进入新时代

       戴尔的虚拟垂直整合供应链

       工业革命造就了伟大公司，以及创新（innovation）和专利（patents）的冲击（onslaught）。杜邦（DuPont）、陶氏化学（Dow Chemical）等公司从19世纪末到20世纪都呈指数增长。

       垂直整合的模式被戴尔计算机（Dell Computer）进一步发展了。创始人迈克尔·戴尔（Michael Dell）将供应链的传统垂直整合与虚拟组织的特殊特征相结合，创建了一种称之为“虚拟整合”的运营模式。其最重要的一点就是：专注于自己最擅长的环节，把不擅长的环节交给行业中做得最好的人去做，然后通过采购把最具性价比的产品买回来，自己做最后的整合。

       实际上，戴尔模式最重要的是超一流的速度（Speed）、绝佳的体验（Experience）和更低的成本（Cost）。

       第四次变革：Chiplet和异构集成

       第五阶段：集群虚拟垂直集成阶段

       主要厂商：台积电+高通+日月光；中芯国际+华为海思+长电科技

       集成电路产业发展的四个阶段（系统厂商主导阶段、生产导向阶段、客户导向阶段、专业分工阶段）中，各种类型的公司一直相互存在，时至今日，各种类型的公司都有存在的价值和意义。

       前文提到，当垂直整合和研发成本太高而无法在全球市场上竞争时，在整个过程中即兴创作和创新的能力就丧失了很多。IDM公司一直在承受降低成本、保持和提高质量的压力。

       大型公司不太可能恢复完全的垂直整合，但是通过深化供应商与客户（购买者）之间的关系，已经出现了成功产生新创新的成功案例。虚拟垂直整合可以通过共享增长愿景的供需双方之间的关系以及为创造创新机会的信息来实现。

       随着集成电路产业形态的成熟，集成电路产业已经进入了集群虚拟垂直整合（Clustered Virtual Vertical Integration，CVVI）模式发展阶段。也是集成电路第五阶段。集群、虚拟垂直、整合是该阶段的精髓。

       集群起源于共同生活。延伸到集成电路产业，就是让专精于不同领域的公司，彼此以结盟或战略伙伴关系互补，以达到快速布局的战略目的，进而达到有效的垂直整合。在集成电路产业里，为了缩短芯片设计周期，产业链各公司必须彼此沟通合作，透过厂商间的链接和IP整合，让业者界跟上客户的需求和市场的变动，让彼此的效益可以发挥到最大，实现最佳竞争优势。

       美国硅谷、日本九州岛、中国台湾新竹（含新竹、桃园、苗栗）的发展模式，就是集成电路集群的例子。这些地方聚集了集成电路产业链上下游的企业，公司之间即互相竞争，又互相合作。

       相比较而言，中国台湾新竹、桃园、苗栗在虚拟垂直方面整合得更好、更彻底。晶圆代工（Foundry）有台积电（TSMC）和联电（UMC）；封测代工（Out Sourced Assembly and Testing，OSAT）有日月光（ASE）/矽品精密（SPIL）、力成（PTI）；设计公司几乎全集中于此，包括联发科（MTK）、联咏（Novatek）等；设计服务公司有创意电子（GUC）、智原（Faraday）等；IP提供商有力旺（eMemory）。发展至今，中国台湾晶圆代工（Foundry）占有全球75%的份额，仅仅台积电就占有超过50%的份额；封测代工（OSAT）也占有50%以上的市场份额，日月光控股（包括日月光和矽品精密）占有全球超过30%的份额。

       现在来看中国大陆的情况。中国大陆在集成电路领域最具规模的是以上海为核心的长三角地区。晶圆代工（Foundry）领域有中芯国际、华虹集团、华润上华等；封测代工（OSAT）领域有长电科技、通富微电、华天昆山、晶方半导体等；设计公司有紫光展锐、格科微、兆芯等；设计服务公司有芯原；设备有中微半导体、上海微电子等；材料有安集、新阳等；EDA工具有广立微、芯和等。根据芯思想研究院的调研数据，长三角地区占有中国大陆51%的规模；晶圆代工领域占有中国大陆本土晶圆代工的85%；封测代工领域占有中国本土封测代工的80%。

       小结

       而随着“异质集成”、“Chiplet”成为集成电路产业未来发展趋势时，新的商业模式必将出现。现在，单打独斗的模式已经势微，集群、虚拟垂直、整合已经是大势所趋。

文章来源：半导体行业观察

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