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          這篇文章終于講透了:芯片產業的發展模式

          2022年08月18日 16:59:18   來源:微信公眾號:芯光社ChipHub

            01、人類歷史上第 一塊集成電路

            1958年9月12日,來自德州儀器公司的35歲工程師Jack S. Kilby在一塊鍺片上集成了由兩個晶體管組成的觸發器(flip-flop),也就是人類歷史上*塊集成電路。他的工作開創了“三百六十行,行行用芯”的新時代。Jack S. Kilby據此獲得了2000年的諾貝爾物理學獎。

            1965年,Intel公司聯合創始Gordon Moore提出了“摩爾定律”。70多年來,芯片的發展一直遵循所謂的“摩爾定律”:每隔18-24個月,相同面積的芯片上集成的晶體管數量(即集成度)會翻一番,芯片性能也相應提升一倍。

            以中國大陸迄今為止*進的華為海思的*麒麟9000芯片為例,集成了153億個晶體管,采用了中國臺積電公司的5nm技術節點技術制造,搭載于華為 Mate 40 Pro 手機。

            02、芯片產業的發展模式

            麒麟9000芯片*的原因已經眾所周知了。簡單來說,麒麟9000芯片采用Foundry(代工廠)制造模式,即華為海思進行芯片設計,交付中國臺灣省臺積電公司進行制造。由于美國前任總統特朗普政府的一系列禁令,加上現任美國總統拜登政府的禁令加碼,所以就沒有后來了。

            芯片產業起步的時候,廠商采用的運營模式是IDM(垂直整合制造)模式、經過多年的發展,逐漸衍生出Fabless(無工廠芯片供應商)、Foundry(代工廠)和Fab-lite(輕晶圓廠)模式。

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            芯片產業生態系統的演進,圖片來源:芯光社

            IDM(垂直整合制造)模式:

            除了材料、設備、EDA|和IP之外,從設計、制造、封測到產品銷售都一手包辦,擁有自有品牌。其優點不言而喻,有助于實現設計與工藝系統優化(DTCO),保證產品從設計到制造環節的一體性,產品迭代周期短,等等。

            其缺點也很明顯,重資產(12吋生產線建設資金通常需要20億美元以上),不僅要求設計和制造技術先進,管理和運營成本高,需要高產能利用率、高良率、高產品利潤。所有運行模式中,風險*。

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            部分IDM廠商,數據來源:Gartner等

            中國大陸的IDM運營模式廠商包括長江存儲、長鑫存儲、華潤微、士蘭微、燕東微電子、聞泰科技等。

            Fabless(無工廠芯片供應商)模式:

            廠商只進行芯片電路設計和產品銷售,將生產、封測等環節外包給代工廠。其優點不言而喻,輕資產,不需要承擔建設、運行昂貴的芯片生產線,開支僅包括人員工資、場地、IP、EDA等費用,產品轉型較為容易。

            其缺點是難以進行工藝協同優化,流片費也是很貴的。即使是MPW方法,通常也需要幾十甚至幾百萬。如果是Full mask方法, 流片費更是幾百萬甚至上億元,一旦有幾次失誤,就難以承受了。當然,對于中國大陸廠商而言,也有可能面臨華為海思事件的風險。

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            2021年Fabless廠商前十名,數據來源:TrendForce

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            其中華為海思2018年發布麒麟980,采用7nm工藝,銷售額達 75 億美元,這是全球*7nm工藝制作的芯片,據此華為海思躋身全球前5大Fabless廠商之列。

            2019年,銷售額達 110 億美元。

            2020年上半年,成為首家進入全球前十名的中國大陸半導體供應商。之后,美國商務部將華為列入實體名單進行出口管制。麒麟芯片9月15日之后無法制造,銷售額跌至82 億美元。

            2021年,海思芯片基本無貨可出,僅靠庫存在支撐,銷售額進一步跌至15 億美元。

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            2021年代工廠前十名,數據來源:TrendForce

            另外,當標準芯片無法滿足電子設備的實際需求,一些科技大公司,國際上如蘋果、Facebook、特斯拉等公司,國內如OPPO、小米、百度、阿里巴巴等公司,也會采用Fabless模式自研芯片。

            Foundry(代工廠)模式:

            只負責制造或者封測;不負責芯片設計和銷售,不與客戶爭利。其優點不言而喻,可以同時為多家設計公司提供服務,不承擔產品設計和銷售風險。

            其缺點是重資產(產能2萬片/月的5nm芯片生產線投資80億美元以上),管理和運營成本高,對產能利用率要求極高,技術門檻高、技術風險也高。

            1987年2月21日,張忠謀于中國臺灣省新竹創辦了臺積電公司,專注于晶圓代工,創造了Foundry模式。臺積電公司分別與1994年與1997年在中國臺灣省與紐約上市。

            2000年,臺積電并購德基和世大,成為全球規模*的代工廠一哥。其在中國臺灣省擁有12/8英寸晶圓生產工廠各4座,6英寸晶圓生產工廠1座,在中國大陸有12/8英寸晶圓生產工廠各1座,在美國有8英寸晶圓廠1座。

            2020年底獲準在美國亞利桑那州投資建廠,也計劃在日本、德國投資建設晶圓廠。

            Fab-lite(輕晶圓廠)模式:

            由IDM演變而來,是一種近年來興起的介于Fabless模式與IDM模式之間的運行模式。廠商自主完成關鍵生產環節,在保證芯片質量和可靠性的前提下,非關鍵生產環節業務委外加工。

            該模式可為需要擴大芯片制造產能的廠商提供低成本、更為靈活的解決方案,市場需求響應快速。比如,如德州儀器、ADI等模擬產品IDM廠商都將部分業務委外代工。IDM廠商的江湖一哥Intel公司也將部分業務外包給中國臺積電公司。

            Fab-lite模式正在成為需要自主可控關鍵生產環節和產能的模擬芯片廠商的發展趨勢。

            代工廠不與無工廠芯片供應商之間互惠互利。IDM廠商則與無工廠芯片供應商之間存在競爭。 近年來,代工廠模式的營收增速已明顯高于IDM模式,支撐了數以萬計的芯片設計公司的高速發展(當然,也包括華為海思)。

            比如,1987年,中國臺積電公營收為200多萬美元,2019年,臺積電市值超過Intel和三星電子公司,成為全球半導體公司市值一哥。目前,臺積電獲得了50%以上的的全球代工市場份額,且毛利率長期維持在40%以上,與芯片裝備廠商的毛利率差不多,比代工行業同行15%的平均利潤率水平高出約25個百分點。在當前缺芯的情況下,各大代工廠無不滿負荷運轉。

            那么,既然Foundry模式的優勢如此之好,IDM模式正在逐漸走下坡路,為什么DRAM廠商大多采用 IDM 模式呢?

            其原因很簡單,一個邏輯芯片產品所加工的晶圓數量通常為數百到數萬片。而一個DRAM產品所加工的晶圓數量可以達到數十萬甚至數百萬片,可以充分滿足IDM模式對高產能利用率的要求。

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            實際上,除了內存外,一些CPU處理器芯片廠商(如Intel)和具有長生命周期的模擬芯片廠商(如德州儀器等),也采用IDM模式制造。一些汽車電子、航空航天等領域所需的數模產品,性能(如功耗等)并不像手機用數字芯片那樣高,但是應用環境惡劣(如高溫、抗輻射等),也采用IDM模式制造。

            2021年和2022年上半年“一芯難求”的情況下,也有部分Fabless 廠商考慮自建成熟技術節點的制造或封測產線,以更好應對市場變化。但是,到了2022年下半年,芯片由短缺突然變成庫存過剩,令預測專家們大跌眼鏡。

            毫無疑問,IDM模式最適合于量大面廣的DRAM江湖。

            文章內容僅供閱讀,不構成投資建議,請謹慎對待。投資者據此操作,風險自擔。

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