半導體產業鏈的演變

2020-05-19

      

    即便沒有“封芯”事件,因為過去6年中集成電路產能投資不足,芯片市場的供給一時處於短缺狀態,不少垂直一體化芯片製造廠商(IDM)和晶圓代工廠都對硅片採取限量供給的措施,進而影響了諸多行業的訂單――在今天,芯片已經成為大多數行業都離不開的“原料”;在未來,隨著智能社會的不斷演進,芯片“原料”的供給將更為深刻地影響著各個行業。

“知之愈明,則行之愈篤;行之愈篤,則知之益明。”在集成電路的生態系統中,如果不識變、不應變、不求變,就可能陷入戰略被動。對於集成電路行業來說,認識需求考驗的是功底,適應需求考驗的是能力,引領變化考驗的是眼光。

       

    在機算機的中央處理器發展歷史中,從奔騰(Pentium4)到酷睿(Core2 Duo)的性能主要依靠設計上的突破,其他時期的性能突破主要依靠芯片技術的提升。在移動通信時代,盡管芯片製造技術的提升所帶來的短期市場效益,已經沒有個人計算機時代的比重大,但是從長遠看仍然是集成電路企業立足的根本。

    

    在芯片製造技術的提升過程中,工藝複雜性不斷升高,包括芯片設計、掩膜製作等在內的一次性工藝費用,以及每塊芯片的製造成本都快速上升。例如,在每一次芯片製造技術升級的過程中,工程師需要耗費大量的精力和時間去學習、理解和掌握更複雜工藝的設計規則。一次性工程費用的增加,使得能夠負擔起巨額投資的企業越來越少。同時,每次芯片製造技術的提升,不僅僅意味著投資額的增加、技術要求的提升,還意味著收支平衡所需要的銷量比上一代工藝時更高。這也就意味著,利用新一代製造工藝生產的企業,需要進一步擴展銷量才能保障收益。

    

    在技術、投資和市場的三重作用下,越來越多的廠商無力開發先進芯片工藝,而領先企業則可以通過其戰略佈局來進一步擠壓競爭對手的生存空間。同樣,這種擠壓的過程可以從技術、投資和市場多方面入手:從投資上看,大規模的建廠成本、巨額投入的製造設備成本都意味著疾高的沉沒資金,自然意味著有力承擔的企業越來越少;從市場上看,以三星的逆周期投資為代表,其在低潮期的擴大投資往往會進一步拉低市場價格,從而進一步擠壓對首的生存空間;從技術上看,光刻機等設備的要求越來越高,但是全球高端裝備產能有限,結果很多廠商不能獲得其所需要的設備,無法保障供應鍊的穩定。

    

    盡管難度越來越大,領先者仍然會將下一代工藝作為其制勝的法寶。這是因為,芯片製造技術提升後,規模經濟效應會更加明顯:新一代工藝的芯片毛利潤會比上一代芯片的毛利潤更高。在芯片製造工藝進步、晶圓尺寸擴大、偷資規模增長的“軍備競賽中”,能夠涵蓋集成電路設計、集成電路製造、封裝與測試等各環節的垂直一體化芯片製造商越來越少,結果導致垂直分工的模式出現:無生產線的集成電路設計公司(Fabless)、不做設計的晶圓代工(Foundry)、專業的知識產權模塊(IP核)供應商、封裝與測試(Package&Testing)廠商出現。其中,無晶圓廠公司直接面對客戶需求,而晶圓代工廠、知識產權模塊供應商和封裝測試企業則為無晶圓廠公司服務。其中,晶圓代工廠以台積電、格羅方德、聯電(UMC)和中心國際(SMIC)等為代表。垂直分工模式的發展,適應了集成電路延著摩爾定律的路徑發展帶來的高投入、高技術特徵,而以台積電為代表的中國台灣地區半導體產業,也由此成為了發展中國家投入高科技產業的成功案例,其核心新竹工業園區曾一度被業界譽為“東方硅谷”。

    

垂直分工

   

    在台灣的晶圓代工廠模式得到確認前,不少集成電路企業已經面臨痛苦的兩難抉擇:一方面,集成電路企業需要不斷追加高昂的投資,來維持其競爭力;另一方面,日趨高額的投入、日益複雜的技術、日漸激烈的競爭意味著巨大的投資壓力。在此情境下,不少原先的垂直一體化芯片製造商企業不得不剝離其半導體業務。在業務剝離後,這些企業成立子公司或合資公司:摩托羅拉剝離業務後成立了飛思卡爾,西門子剝離業務後成立了英飛凌,飛利浦剝離業務後成立了恩智浦,法國湯姆遜剝離業務後與義大利半導體公司合併成立義法半導體(STM)。

    

    1972年,張忠謀先後就任德州儀器公司副總裁和資深副總裁,成為最早進入美國大型公司最高管理層的華人。1987年,在時任台灣工業研究院院長張忠謀的積極推動下,中國台灣地區的電子所原有的超大規模集成電路實驗工廠改造成為商業化運營的集成電路製造公司,晶圓代工廠模式由此開啟。起初,歐美認為晶圓代工廠模式不可行,然而後來台積電、聯電公司整合全球產能證明了晶圓代工廠模式的可行性:晶圓製造廠只作晶圓代工、不出售芯片、嚴格保護客戶隱私,從而消除了知識產權顧慮。在晶圓代工廠模式中,加工商自身不從事設計,接受其他設計公司委託製造,使集成電路設計者得已從高投入中解放出來。與之相對應的是,無晶圓廠的設計公司專門從事集成電路設計、不從事生產且無半導體廠房的公司。

    

    在規模化商業應用積累基礎上,不久後專用集成電路芯片公司和集成電路設計知識產權模塊開發商陸續出現。芯片設計公司從加工環節中被解放出來後,可以專門從事高複雜度的芯片設計工作,並逐步將標準單元庫、工藝模擬參數及仿真概念引入,由此芯片設計進入了以電子設計自動化(Electronics Design Automation,簡稱EDA)為輔助工具並進入抽象化階段,這就促成了無晶圓廠設計公司的出現,由此集成電路設計產業成為獨立的行業。

    

    在垂直分工的模式中,無晶圓廠設計公司、晶圓代工廠和知識產權模塊供應商的合作,存在著相互制衡與合作的關係:如果晶圓代工廠的芯片設計公司自建生產線,那麼很可能就無法委託晶圓代工廠加以生產;如果晶圓代工廠進入設計領域,那麼無晶圓廠芯片設計公司就會顧及自己的佈圖設計會為其所盜用,因而在產業低潮期為設計公司所拋棄;對於知識產權模塊供應商來說,其模塊需要經過晶圓代工廠的硅工藝生產線驗證以及芯片設計公司的芯片產品設計驗證後才能使用。

    

    台積電已然成為垂直分工模式中晶圓代工廠的傑出代表,然而聯電的規模曾經比台積電還大。聯電成立於1980年,是台灣的第一家半導體公司,擁有聯電、聯誠、聯瑞、聯嘉及合泰半導體等,是全球晶圓代工廠的重要力量。如果從技術上看,1993至1997年間聯電的專利數量約為台積電的兩倍、台灣工業研究院的3倍,而其高介電係數/金屬閘極、低電介值、浸潤式微影術與混合信號/RFCMOS技術等為行業內公認的先進技術。然而,到了2016年,台積電與聯電的營收分別為294.88億美元和45.82億美元,市場占有率分別約為59%和9%。

    

    台積電與聯電拉開差距,從2001年前後開始。當時,台積電聘請胡正明出任首席技術官,完成了在鰭型晶體管(FinFET)等方面的技術積累。同時,這一時期又恰逢從8英吋向12英吋轉型,台積電抓住機會不遺餘力地投資建設12英吋工廠,在競爭中初步占據了主動。也正是由於12英吋工廠固定投資成本極高,因而原先很多的垂直一體化芯片製造商沒有足夠資金投資,使得台積電抓住了“行業斷層”的機會,逐漸成為晶圓代工廠行業的龍頭企業。

    

    2009年,時值28納米芯片製造技術節點發展的契機,台積電加大投資全力投入,再次贏得競爭主動。面對28納米芯片製造帶來的技術優勢,客戶趨之若鶩,台積電順勢搶佔了三星原先獨占的蘋果訂單。2010年,蘋果考查台積電後,將iPhone和iPad芯片訂單全部下給台積電,台積電則投資90億美元建廠,11個月後即成功量產。後來,台積電在10納米節點中再次領先,高通、蘋果、華為等世界級企業都是台積電的大客戶。

    

    縱觀台積電從創力到2017年的發展過程,可以發現三次大規模的晶圓廠擴張期:最早,台積電在1995年至2000年間以幾乎每年建一個新廠的速度擴建了6個廠房;其後,在2004年和2005年期間擴建了4個工廠;2015年前後,大力擴張300毫米晶圓廠,而台積電採用16納米節點的南京工廠也在該時期建設。每次擴張,都為台積電擴大市場份額提供了有利條件。