关于ic芯片行业的发展

2018-11-16

集成电路(integrated circuit)(缩写IC)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比[基于锗(Ge)的集成电路]和罗伯特·诺伊思[基于硅(Si)的集成电路]。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

大多数人都风闻过摩尔定律——当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会添加一倍,功用也将行进一倍。有一段时间,人们说摩尔定律失效了,英特尔自己都做不到了,也有人说实践上IC作业翻开比摩尔定律更快了。不论怎样,全球半导体企业一贯投入巨资研讨新的制程工艺,其标志就是集成的半导体元件的线宽。每一次制程工艺的行进,都带来更小的线宽、更小的功耗、更高的作业频率,可以集成更多的元件,有更强的功用。

线宽:注意,1毫米=1000微米=1000000纳米,一千倍的关系。从我对半导体行业有印象的时候开始,半导体行业先进的制程工艺从几十微米到几微米,再到几百纳米、130纳米、65纳米、45纳米、28纳米、20纳米、16纳米、14纳米、10纳米,直到今年三星就要量产的7纳米 (中间可能还有个别其它的线宽)。每隔两三年就更新一代。但是基于这些线宽,各个厂家仍然有不同的工艺技术。有时候线宽也只是一个商业宣传噱头,因为IC电路上的每一个晶体管都是由多种半导体材料搭建而成,每种材料的形状和线宽都可能不同,厂家选择窄那个宣传,仿佛水平较高,实际上也许并不是。比如网上有很多讨论,英特尔的20纳米制程工艺在实际效果上要强于台积电的16纳米制程工艺。所以我们在评价一个IC厂的制程工艺是否先进时,线宽是一个重要的参考,但不是为数不过的。

晶圆(Wafer):晶圆是圆柱形的单晶硅切割成的圆形硅薄片,所有的IC都是在晶圆上加工而成的,然后经过切割、封装、测试,形成芯片成品。显然,晶圆越大,能在晶圆上制造的IC就越多,成本就越低。所以在半导体行业发展的近几十年里,晶圆的尺寸不断加大,从4英寸、6英寸、8英寸发展到现在主流的12英寸,并且未来还会有更大的晶圆。原理上讲,用多少纳米线宽的制程工艺和晶圆的尺寸没有必然的联系,7纳米也可以用4英寸晶圆,但实际上IC工厂通常会采用那个时代较大的晶圆来降低成本。

投资和行业:摩尔定律只告诉你IC工艺如何进步,但没告诉你建造IC工厂的投资如何增长。实际上每一代制程工艺的进步,新建工厂所需投资额都大幅度增长。从70年代的几千万美元,到几亿美元、十几亿美元、几十亿美元、上百亿美元,而近三星、英特尔和台积电投资的7纳米生产厂,投资额均已经超过二百亿美元。

这种天价的建设成本带来两种后果。

靠前个后果,就是如此高价的厂房,靠自家的产品一般都无法填满产能,带来的后果就是自家产品的成本飙升。为了填满产能,摊平成本,所有掌握先进工艺的厂家都必须为其它公司代工。这就导致了IC行业分化为三类企业:从设计,到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业,称为IDM(Integrated Design and Manufacture),例如三星和英特尔,都有自己品牌的IC产品,但也为其它企业代工;没有工厂只有设计和市场部门的FABLESS企业;和为其它企业代工生产的FAB公司,台积电就只有代工,没有自己品牌IC产品的。世界上也有一些IC企业,在特定的行业里市场占有率高,而IC工厂的制程工艺并不高,成本也不高,这些企业是不用给别家代工的,自己生产自己设计的IC就够。

第二,小国或者新进入IC行业的国家,已经没有经济实力追求先进的制程工艺,台湾和韩国都是举政府之力全力支持,并且从几十年前IC工厂所需投资还没那么大的时候就进入行业,经过以厂养厂的良性循环,利用旧工厂的高利润才能撑得起对新厂房的投入。而投入稍微不足,便一步落后步步落后,如今欧洲和日本的IC企业都已经无力再追寻先进的制程工艺了。全世界先进的IC制程工艺只掌握在三家公司手中:三星,台积电,英特尔。而目前为数不过有可能赶上来的,就是中国。

没有IC工厂的FABLESS企业有很多,比如华为海思、AMD、NVIDIA、高通、MTK、博通,等等。网上有人说华为海思的芯片是台积电代工的,所以华为海思不牛,这个观点有失偏颇。通讯行业霸主高通就没有自己的IC厂,所有产品都是台积电或者三星代工生产的,你敢说高通不牛?华为不止是手机CPU是自己设计,它的网络产品中用的交换机芯片、路由器芯片、电源管理等等很多芯片都是自己设计找FAB厂代工的。华为是核心电子元器件自主率较高的中国企业,当然,它也有大量的电子元器件需要进口。