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IC 产业结构与竞争关系

* 来源 : LYNN * 作者 : admin * 发表时间 : 2018-10-14


此篇是‘晶圆代工’系列文与‘IC设计’系列文的衔接, 让读者能快速Pick Up半导体产业链,与各厂商的竞合关系。

 

我敢保证,这将会是你最容易看懂的 IC 产业介绍之一。


先前,我们讲完了晶圆代工争霸战的故事,看台积电、三星、Intel等厂商间的竞争优势…

等等! 但我们只讲了晶片的代工制造过程,还是没说到底 IC 晶片是怎么被设计出来的呀?况且制造完,后又是谁要负责卖这些晶片呢?换个说法,这或许也该解读成、那到底是谁委托晶圆代工厂代工做这些晶片?

听说… Intel 的经营模式属于 IDM 厂商、高通和发哥叫 Fabless,而他们两种模式都会卖 IC 晶片?!但台积电不卖晶片?! 这些 IC 产业新闻一天到晚出现的专业术语到底是什么意思呢?

藉由理解这几家厂商不同的定位与利基点,我们将能进一步了然这些厂商彼此间的竞合策略。

所以在我们开始进入《 IC 设计》专题之前,在本篇先为大家做个小概览,让读者能够完全理解 IC 产业会用到的专业名词和产业链关系。还记得我们在先前的《 IC 制造》专题中,为大家介绍的“半导体”、“IC”吗?

事实上,我们在该系列中只讲了晶圆代工,也就是“IC 制造”的技术环节。

IC 的中文叫“积体电路”,在电子学中是把电路(包括半导体装置、元件)小型化、并制造在半导体晶圆表面上。所以半导体只是制作 IC 的原料。因为是将电路缩小化,你也可以叫它“微电路 (microcircuit)”、“微晶片 (microchip)”、“晶片 (chip)”。

也就是说,台湾地区媒体常称的半导体产业链,正确一点来说应该叫 IC 产业链,包括“IC设计”、“IC制造”、“IC封装”。

因为在 IC 设计和封装的环节,都不会碰到半导体啊!重点是那颗 IC!IC 设计的厂商包括发哥 (MTK)、联咏、高通,也就是PTT乡民常称的猪屎屋 (Design House)。

IC 制造有台积电、三星、Intel;封装则有日月光和矽品等厂商。


我们上一篇从头到尾仅仅在介绍“半导体大厂”等晶圆代工厂在做的事,包括如何把电路缩小化、和晶圆代工的制程。今天就让我们回溯上游,看看 IC 设计大厂在做那些事呢?

 

什么是 IC 设计厂?

晶片根据功能有很多种类,比如电脑的 CPU、手机的 CPU 等等。就连电子手表、家电、游戏机、汽车… 等电子产品中也有自己的 CPU晶片。可以说 IC 晶片是当仁不让的数位时代基石啊!

等等,你说你不清楚什么是 CPU?CPU (Central Processing Unit) 又称中央处理器、处理器,是驱动整台电脑运作的中心枢纽,就像是电脑的大脑;若没有CPU,电脑就无法使用。

我们平常看到的电脑或手机介面只是“荧幕”,实际上真正运行的是 CPU 。它会执行完电脑的指令、以及处理电脑软体中的资料后、再输出到荧幕上面显示出来。(手机就是一台小电脑)

IC 设计公司的营运重心,包括了晶片的“电路设计”与“晶片销售”的部分。

比如高通设计完晶片电路、命名为“Snapdragon”后,再交由三星代工晶圆制造、再交由日月光代工封装晶片与测试。待成品完工后,再送回高通进行产品销售,和小米或三星等手机厂商洽谈新一代的手机机种、有哪些要使用 Snapdragon 晶片。

最后你身为消费者,就会看到小米推出红米 Note 4X手机,搭载了高通 Snapdragon 625 晶片、或三星的 S8 搭载了 Snapdragon 835 晶片了。

台湾的 IC 设计的厂商包括了联发科 (MTK, 发哥)、威盛、矽统。联发科专门设计手机的通讯晶片,威盛、矽统则专攻电脑晶片组市场。这些 IC 设计厂商由于没有自己的晶圆厂,也被称为Fabless、或无厂半导体公司。这究竟是什么意思呢?

 

‘早期,半导体公司多是从IC设计、制造、封装、测试到销售都一手包办的整合元件制造商(Integrated Device Manufacturer, 俗称 IDM)。

IDM 厂包含了如英特尔 (Intel)、德州仪器 (TI)、摩托罗拉(Motorola)、三星 (Samsung)、菲利普 (Philips)、东芝 (Toshiba),以及台湾地区的华邦、旺宏。

然而,由于摩尔定律的关系,半导体晶片的设计和制作越来越复杂、花费越来越高,单独一家半导体公司往往无法负担从上游到下游的高额研发与制作费用。

因此到了1980年代末期,半导体产业逐渐走向专业分工的模式──有些公司专门设计、再交由其他公司做晶圆代工和封装测试。

其中的重要里程碑,莫过于 1987 年台积电 (TSMC) 的成立。

由于一家公司只做设计、制程交给其他公司,容易令人担心机密外泄的问题 (比如若高通和联发科两家彼此竞争的IC设计厂商若同时请台积电晶圆代工,等于台积电知道了两家的秘密),故一开始台积电并不被市场看好。

然而,台积电本身没有出售晶片、纯粹做晶圆代工,更能替各家晶片商设立特殊的生产线,并严格保有客户隐私,成功证明了专做晶圆代工是有利可图的。’


因此,我们可以根据上面提到的历史渊源与产业发展,将现有的半导体产业链的厂商分成几种主要的模式:


1. IDM (整合元件制造商) 模式


(1) 领导厂商
◦ Intel、德州仪器 (TI)、三星


(2) 特点
◦集晶片设计、制造、封装、测试、销售等多个产业链环节于一身。
◦早期多数晶片公司采用的模式。
◦需要雄厚的运营资本才能支撑此营运模式,故目前仅有极少数的企业能维持。比如: ◾三星虽有自己的晶圆厂、能制造自己设计的晶片,然而因建厂和维护产线的成本太高,故同时也为 Apple 的 iPhone、iPad 的处理器提供代工服务。
◾近日 Intel 由于自身出产的行动处理器销售不佳,也有转向晶圆代工厂的趋势。


(3) 优势
◦能在设计、制造等环节达到最佳优化,充分发挥技术极限。 ◾比如你就会看到 Intel 常常技术领先。

◦能有条件率先实验并推行新型的半导体技术。 ◾Intel 独排众议采用 Gate-Last 技术、鳍式场效电晶体 (FinFET),后才引起其他厂商争相复制。


 

2. Foundry (晶圆代工厂) /assembly & testing (封装测试)模式

(1) 领导厂商
◦晶圆代工:台积电、联电
◦封装测试:日月光、矽品


(2) 特点
◦只负责制造、封装或测试的其中一个环节。
◦不负责晶片设计。
◦可以同时为多家设计公司提供服务,但受制于公司间的竞争关系。
◦比如产线若没做到完全的独立性,则有相当风险会外漏客户的机密。


(3) 优势
◦不承担商品销售、或电路设计缺陷的市场风险。
◦IC 设计商才是做品牌行销、卖晶片产品的。
◦做代工,获利相对稳定。


(4) 劣势
◦仰赖实体资产,投资规模甚钜、维持产线运作的费用高。 ◾台积电对于 10 奈米级的投资金额约达台币 7,000 亿元,对 3奈米 5奈米等级的投资金额亦已达 5,000 亿元、后续尚在增加中。可见得想做晶圆代工,没有一定资本额玩不起。

◦进入门槛高。除了制程上的技术突破不稀奇,良率才是关键的 Know-how。 ◾晶圆代工与 IC 设计的电路有关、不同的客户有不同的电路结构,相当复杂。中国的中芯半导体做晶圆代工十几年,良率还是不高、问题多多。
◾一般能将良率维持在八成左右已经是非常困难的事情了,台积电与联电的制程良率可以达到九成五以上,可见台湾晶圆代工的技术水平。

◦需要持续投入资本维持工艺水平,一旦落后、则追赶难度相当大。 ◾想想联电当初是如何因为技术投入方向错误和厂房大火,才输台积电的…。
◾台积电和 Intel 现在在砸大钱力拼奈米制程、生怕输给对方也是因为如此。


 

3. Fabless (无厂IC设计商) 模式


(1) 领导厂商
◦高通(Qualcomm)、联发科(MTK)、博通(Broadcom)


(2) 特点
◦只负责晶片的电路设计与销售。
◦将生产、测试、封装等环节外包。


(3) 优势
◦无庞大实体资产,创始的投资规模小、进入门槛相对低,以中小企业为主。 ◾台湾的 IC 设计厂商共约 250 家、其中有上市柜的公司约 80 家,数量众多。
◾中国当地小型 IC 设计厂超过 800 间。

◦企业运行费用低,转型灵活。


(4) 劣势
◦与 IDM 企业相比,较无法做到完善的上下游工艺整合、较高难度的领先设计。 ◾代工厂会将制作完成的晶片送回 IC 设计公司、继续进行测试与分析。
◾若与预期不符,则 IC 设计公司得再修改电路设计图,接着修改光罩图形、制作新的光罩与晶片,再送回来测试。如此反覆进行至少三次以上,才能量产上市。

◦有鉴于晶圆代工厂和 IC 设计公司两者须相当密切的合作,两者间有强烈的产业群聚效应。
◦与 Foundry 相比,需要进行品牌塑造、市场调研,并承担市场销售的风险。一旦失误可能万劫不复。 ◾联发科原先的主力市场为中国的中低阶白牌手机厂。虽在2016年推出高阶晶片 Helio X25 力图转型,然而却几无客户采用。
◾原有的市场又被高通推出的中低阶晶片 Snapdragon 625/626 抢市,价格战打得相当辛苦。
◾联发科的去年 (2016) 获利仅 240.31 亿元,创近四年来的最低数字。2017 年 3 月,联发科了延揽“擅长数字管理”的前中华电信董事长蔡力行担任共同执行长,准备实行开支撙节和裁员 (Cost Down)。


但你以为 IC 设计公司只要直接设计出 IC 就行了吗?当然,他们会需要一些工具、与协作厂商的辅助。

现在的晶片开发,可能是由分布在全球的一百多人团队、合作至少六个月,最后写下共约数百万行的Spec。这么庞大的工程,一定会有其他的辅助厂商或工具商。但这又有谁呢?包括了:


(1) “矽智财提供商”─ ARM:
◦纯出售智慧财产权(IP),又称矽智财(SIP),包括了电路设计架构、或已验证好的晶片功能单元。 ◾比如希望晶片上能有一个浮点运算功能时,可以不用自己花时间从头开发、向矽智财公司购买一个已经写好的功能即可。


(2) “EDA 工具厂商”─ Cadence与新思科技:
◦IC 设计工程师会先利用程式码规划晶片功能;而 EDA 工具能让程式码再转成实际的电路图。


(3) “设计服务公司”─智原科技、巨有科技、创意电子、芯原微电子:
◦又称为“没有晶片的公司” (Chipless),没有晶圆厂、也没有自己晶片产品;为 IC 设计公司提供部分流程的代工服务。 ◾许多人数不足的小型 IC 设计厂商会将设计的某些环节委外,使得人力与成本的调整弹性也较高。


 

所以这又衍生出了第四种服务模式:


4. Design Service (晶片设计服务提供商) 模式


(1) 领导厂商
◦ARM、Imagination、Synopsys (新思科技)、Cadence


(2) 特点
◦不设计和销售晶片。
◦为晶片设计公司提供相应的工具、完整功能单元、电路设计架构与谘询服务。
◦由于没有实体产品、而是贩卖智慧财产权“设计图”,又称矽智财(SIP)。


(3) 优势
◦无庞大实体资产。公司规模较小、资金需求不高,但对于技术的要求非常高。
◦不必负担产品销售的市场风险。


(4) 劣势


◦市场规模较小且容易形成垄断,后进者难以打入。

◾目前全球的 CPU 架构,以 Intel 的 X86 架构和 ARM 的 ARM 架构为两大要角。
◾前者多用于 PC 和伺服器上,后者则几乎垄断了所有的行动通讯晶片、市占率高达 95% 的智慧型手机。
◾后续的 IC 设计和制程的部分都必须根据该 CPU 架构量身打造。既然整个产业链是围绕在这个架构上去制造晶片,则易形成垄断。


◦技术门槛较高、累积技术的时间较长。


根据上面的介绍后,我们已经大致上对 IC 从最上游的设计、到最下游的消费者贩售的整个产业链流程,有一个全盘的掌握了!

为大家简单画个示意图:


有了这样的产业链认知后,就可以了解到各厂商间的竞合策略为什么这么制定,并藉此来讨论一些有意思的产业消息啦!(可以把上面提过的资讯一一代入来进行分析,并搭配之前的晶圆代工战争系列的知识服用)

举个例子好了,比如说 Intel 现在的处境。

本来是自己设计、制造、销售,一手包办上中下游所有流程,同时几乎垄断处理器市场的 Intel ,由于在 PC 往行动装置的转型速度甚缓,导致现在的行动处理器市场几乎被“ARM+高通”、也就是“ARM的电路架构加上高通设计的Snapdragon系列晶片”的模式垄断。

晶圆代工厂的斥资和实体厂房庞大,为了不让原先庞大的产线与产能闲置,现在的 Intel 正在积极抢攻 ARM 晶片的晶圆代工业务、与台积电抢攻 10 奈米制程。

对于代工厂来说,需要持续投入资本维持工艺水平。若能即早上市,则代表当时的市场尚无竞争者、可在一时之间垄断市场。待竞争对手上市后、再用降价的方式逼迫对手出局,同时发布更新一代的技术。

故若代工厂的技术一旦落后、后续要追赶上竞争者的难度会相当大。当初台积电和联电之所以拉开差距,便是如此情形。

因此 Intel 和台积电可以说是磨拳霍霍;尤其 Intel 还有晶片销售等业务,但台积电的本业是完全地仰赖代工,可知此时正是危急存亡之秋。

目前台积电预定今年第二季发布 10 奈米制程、英特尔则要等到今年第四季。然而目前外界仍看好 Intel 的技术更甚台积电一筹。

由于 IDM 厂能从上游设计到下游制造的过程中紧密协同合作,使其能在设计、制造等环节达到最佳优化,充分发挥技术极限。也能提早测试并推行最新型的技术。

因此你可以看到 Intel 常常技术领先,包括了当初的 Gate-Last 战争。知名科技网站 VentureBeat 便指称, 根据电晶体的数量和密度看来,Intel的 10 奈米技术是超越台积电的。

大家原先都老老实实的用统一标准命名,直到 FinFET 制程上的命名惯例被三星打破,厂商们开始灌水行销。事实上,三星的 14 奈米和台积电的 16 奈米在 Intel 的标准之下,都只有在Intel 20 奈米制程而已…)

看起来好像 Intel 胜券在握?不过事实上,技术在市场上并不是唯一的竞争考量。

台积电之所以能成功,是因为保密方案做的很到家──高通和联发科假若同时都交给台积电代工,台积电会开独立产线、让两方的设计资讯在生产过程中隔开来,让客户不用担心其商业机密被盗取。

Intel 贩卖自己的处理器,和高通等同样是贩卖自己的处理器的 IC 设计大厂,彼此间存在的是相互竞争的关系。因此对于高通来说,就算制程技术有差、找台积电代工的风险仍小于找 Intel。鹿死谁手,尚未可知。且让我们静静观战吧。

我们今天介绍了 IC 产业链中, IDM、Foundry、Fabless 与 Design Service 四种模式的企业,并根据这些企业的优势和劣势,来推测其在市场上的竞争策略。希望您今天已对各厂商间的竞合关系有个大略上的了解。v