幾張圖看懂半導體產(chǎn)業(yè)

作者：半導體行業(yè)觀察 來源： 頭條號 63208/03

來源：內(nèi)容由半導體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自semiwiki，謝謝。去年有大量關(guān)于半導體行業(yè)的文章：芯片短缺、 CHIPS 法案、我們對臺灣和臺積電、對中國大陸的依賴等等。但是，盡管有這么多關(guān)于芯片和半導體的討論，但很少有人了解這

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來源：內(nèi)容由半導體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自semiwiki，謝謝。

去年有大量關(guān)于半導體行業(yè)的文章：芯片短缺、 CHIPS 法案、我們對臺灣和臺積電、對中國大陸的依賴等等。

但是，盡管有這么多關(guān)于芯片和半導體的討論，但很少有人了解這個行業(yè)的結(jié)構(gòu)。我發(fā)現(xiàn)理解復雜事物的最佳方法是逐步繪制圖表。因此，這里有一個關(guān)于該行業(yè)如何運作的快速圖片教程。

半導體生態(tài)系統(tǒng)

我們正在看到的社會現(xiàn)象是一切都在走數(shù)字化轉(zhuǎn)型。半導體——處理數(shù)字信息的芯片——幾乎無處不在：計算機、汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等。半導體公司今年將銷售 價值 6000 億 美元的芯片。

如下圖所示，這個行業(yè)似乎很簡單。半導體生態(tài)系統(tǒng)中的公司制造芯片（左側(cè)的三角形）并將其出售給公司和政府機構(gòu)（右側(cè)）。然后，這些公司和政府機構(gòu)將芯片設(shè)計成系統(tǒng)和設(shè)備（例如 iPhone、PC、飛機、云計算等），并將它們出售給消費者、企業(yè)和政府。包含芯片的產(chǎn)品的收入價值數(shù) 十億美元。

然而，考慮到它的規(guī)模，這個行業(yè)對大多數(shù)人來說仍然是個謎。如果你真的想到了半導體行業(yè)，你可能會想象在工廠潔凈室（芯片工廠）里穿著兔子裝的工人拿著 12 英寸晶圓。然而，這是一個一次操作一個原子的材料的企業(yè)，其工廠的建造成本高達數(shù)十億美元。（順便說一句，那個晶片上有兩 萬億 個晶體管。）

如果您能夠查看代表半導體行業(yè)的簡單三角形內(nèi)部，而不是一家制造芯片的公司，您會發(fā)現(xiàn)這是一個擁有數(shù)百家公司的行業(yè)，所有公司都相互依賴?？傮w而言，它非常龐大，所以讓我們一次描述生態(tài)系統(tǒng)的一部分。（警告——這是 一個非常復雜的行業(yè)的簡化 視圖。）

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">半導體行業(yè)細分

半導體行業(yè)有七種不同類型的公司。這些不同的行業(yè)細分中的每一個都將其資源沿價值鏈向上輸送到下一個，直到最終芯片工廠（“Fab”）擁有制造芯片所需的所有設(shè)計、設(shè)備和材料。從下往上看，這些半導體行業(yè)細分市場是：

芯片知識產(chǎn)權(quán) (IP) 內(nèi)核

電子設(shè)計自動化 (EDA) 工具

專業(yè)材料

晶圓廠設(shè)備 (WFE)

“無晶圓廠”芯片公司

集成設(shè)備制造商 (IDM)

芯片代工廠

以下部分提供了有關(guān)這七個半導體行業(yè)細分的更多詳細信息。

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">芯片知識產(chǎn)權(quán) (IP) 內(nèi)核

芯片的 設(shè)計 可能歸一家公司所有，或者……

一些公司許可他們的芯片設(shè)計——作為軟件構(gòu)建模塊，稱為 IP 內(nèi)核——以供廣泛使用

有超過 150 家公司銷售芯片 IP 核

例如，Apple 授權(quán) ARM的 IP 核 作為其 iPhone 和計算機中微處理器的構(gòu)建塊

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">電子設(shè)計自動化 (EDA) 工具

工程師使用專門的電子設(shè)計自動化 (EDA) 軟件設(shè)計芯片（在他們購買的任何 IP 內(nèi)核之上添加自己的設(shè)計）

該行業(yè)由三個美國供應商主導 ——Cadence、 Mentor （現(xiàn)為西門子的一部分）和 Synopsys

使用這些 EDA 工具的大型工程團隊需要 2-3 年的時間來設(shè)計一個復雜的邏輯芯片，例如在電話、計算機或服務器中使用的微處理器。（見下圖設(shè)計過程。）

今天，隨著邏輯芯片變得越來越復雜，所有電子設(shè)計自動化公司都開始插入人工智能輔助工具來自動化和加速流程

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">特殊材料和化學品

到目前為止，我們的芯片仍處于軟件階段。但要將其轉(zhuǎn)化為有形的東西，我們將不得不在一家名為“晶圓廠”的芯片工廠實際生產(chǎn)它。制造芯片的工廠需要購買專門的材料和化學品：

硅晶片——制造它們需要晶體生長爐

使用了 100 多種氣體 ——散裝氣體（氧氣、氮氣、二氧化碳、氫氣、氬氣、氦氣）和其他外來/有毒氣體（氟、三氟化氮、砷化氫、磷化氫、三氟化硼、乙硼烷、硅烷，不勝枚舉在…）

流體（光刻膠、 CMP 漿料）

光罩

晶圓搬運設(shè)備、切割

射頻發(fā)生器

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">晶圓廠設(shè)備 (WFE) 制造芯片

這些機器物理地制造芯片

五家公司在行業(yè)中占據(jù)主導地位—— 應用材料、 KLA、 LAM、 東京電子 和 ASML

這些是地球上一些最復雜（也是最昂貴）的機器。他們?nèi)∫黄桢V，并在其表面上下操縱其原子

稍后我們將解釋如何使用這些機器

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);"> “無晶圓廠”芯片公司

以前使用現(xiàn)成芯片的系統(tǒng)公司（Apple、Qualcomm、Nvidia、Amazon、Facebook 等）現(xiàn)在設(shè)計自己的芯片。

他們創(chuàng)建芯片設(shè)計（使用 IP 內(nèi)核和他們自己的設(shè)計）并將設(shè)計發(fā)送到擁有制造它們的“晶圓廠”的“代工廠”

他們可能會在自己的設(shè)備中專門使用這些芯片，例如蘋果、谷歌、亞馬遜……。

或者他們可能會將芯片出售給所有人，例如 AMD、Nvidia、高通、博通……

他們不擁有晶圓制造設(shè)備或使用特殊材料或化學品

他們確實使用芯片 IP 和電子設(shè)計軟件來設(shè)計芯片

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">集成設(shè)備制造商 (IDM)

集成設(shè)備制造商 (IDM) 設(shè)計、制造（在自己的晶圓廠中）和銷售 自己的 芯片

他們不為其他公司制造芯片（這種情況正在迅速變化。）

IDM 分為三類——內(nèi)存（例如 Micron、 SK Hynix）、邏輯（例如 Intel）、模擬（TI、 Analog Devices）

他們有自己的“晶圓廠”，但也可能使用代工廠

他們使用芯片 IP 和電子設(shè)計軟件來設(shè)計他們的芯片

他們購買 Wafer Fab Equipment 并使用專門的材料和化學品

流片新的領(lǐng)先芯片（3nm）的平均成本現(xiàn)在是 5 億美元

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);"> 芯片代工廠

代工廠在他們的“晶圓廠”中為其他人制造芯片

他們從各種制造商那里購買和集成設(shè)備

晶圓廠設(shè)備和專用材料和化學品

他們使用這種設(shè)備設(shè)計獨特的工藝來 制造 芯片

但他們 不設(shè)計芯片

臺灣臺積電 邏輯領(lǐng)先， 三星 第二

其他晶圓廠專門制造用于模擬、電源、射頻、顯示器、安全軍事等的芯片。

建新一代芯片（3nm）制造廠耗資200億美元

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">晶圓廠

Fabs 是制造廠的簡稱——制造芯片的工廠

集成設(shè)備制造商 (IDM) 和 代工廠都擁有晶圓廠。唯一的區(qū)別是他們是制造芯片供他人使用或銷售，還是制造芯片供自己銷售。

將 Fab 想象成類似于書籍印刷廠（見下圖）

就像作者使用文字處理器寫書一樣，工程師使用電子設(shè)計自動化工具設(shè)計芯片

作者與專門研究其流派的出版商簽訂合同，然后將文本發(fā)送到印刷廠。工程師選擇適合其芯片類型（內(nèi)存、邏輯、射頻、模擬）的晶圓廠

印刷廠購買紙張和墨水。晶圓廠購買原材料；硅、化學品、氣體

印刷廠購買印刷機械、印刷機、粘合劑、修邊機。晶圓廠購買晶圓廠設(shè)備、蝕刻機、沉積、光刻、測試儀、封裝

一本書的印刷過程使用膠印、拍攝、剝離、藍圖、制版、裝訂和修整。芯片是在復雜的過程中制造的，使用蝕刻機、沉積、光刻來操縱原子。將其視為原子級膠印。然后切割晶片并封裝芯片

該工廠生產(chǎn)出數(shù)百萬本同一本書。該工廠生產(chǎn)出數(shù)百萬個相同芯片的副本

雖然這聽起來很簡單，但事實并非如此。芯片可能是有史以來制造的最復雜的產(chǎn)品。下圖是 制作芯片所需的1000多個步驟的簡化版本。

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">晶圓廠問題

隨著芯片變得越來越密集（單個晶圓上有數(shù)萬億個晶體管），建造晶圓廠的成本飆升——現(xiàn)在一個芯片工廠的成本超過 100 億美元

原因之一是制造芯片所需的設(shè)備成本飆升

僅來自荷蘭公司ASML的一臺先進光刻機就 耗資 1.5 億美元

一個工廠有大約 500 多臺機器（并不都像 ASML 那樣昂貴）

晶圓廠的建筑非常復雜。制造芯片的潔凈室只是一組復雜管道的冰山一角，這些管道在正確的時間和溫度將氣體、電力、液體全部輸送到晶圓廠設(shè)備中

保持領(lǐng)先地位需要數(shù)十億美元成本，這意味著大多數(shù)公司已經(jīng)退出。2001 年有 17 家公司生產(chǎn)最先進的芯片。今天只有兩家—— 韓國的三星 和中國臺灣的臺積電 。

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">下一步是什么——技術(shù)

制造密度更大、速度更快、功耗更低的芯片變得越來越難，那么下一步是什么？

邏輯芯片設(shè)計人員沒有讓單個處理器完成所有工作，而是將多個專用處理器放入芯片內(nèi)部

存儲芯片現(xiàn)在通過堆疊 100 多層高而變得更密集

隨著芯片的設(shè)計變得越來越復雜，這意味著更大的設(shè)計團隊和更長的上市時間，電子設(shè)計自動化公司正在嵌入人工智能來自動化部分設(shè)計過程

晶圓設(shè)備制造商正在設(shè)計新設(shè)備，以幫助晶圓廠制造具有更低功耗、更好 性能、最佳面積成本和更快上市時間的芯片

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">接下來是什么 - 業(yè)務

英特爾等集成設(shè)備制造商 (IDM) 的商業(yè)模式 正在迅速變化。過去，垂直整合具有巨大的競爭優(yōu)勢，即擁有自己的設(shè)計工具和工廠。今天，這是一個劣勢。

晶圓廠具有規(guī)模經(jīng)濟和標準化。他們不必自己發(fā)明，而是可以利用生態(tài)系統(tǒng)中的整個創(chuàng)新堆棧。只專注于制造

AMD 已經(jīng)證明，從 IDM 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o晶圓代工廠模型是可能的。 英特爾 正在嘗試。他們將使用 臺積電 作為自己芯片的代工廠，并建立自己的代工廠

ntent="t" style="margin: 5px;padding-right: 10px;padding-left: 10px;font-weight: bold;border-left: 5px solid rgb(199, 62, 58);line-height: 32px;color: rgb(199, 62, 58);">接下來是什么——地緣政治

在 21 世紀控制先進的芯片制造很可能被證明就像在 20 世紀控制石油供應一樣?？刂七@種制造業(yè)的國家可以扼殺其他國家的軍事和經(jīng)濟實力。

確保芯片的穩(wěn)定供應已成為國家的優(yōu)先事項。（按美元計算，中國最大的進口是半導體——比石油還大）

如今，美國和 中國 都在迅速嘗試將其半導體生態(tài)系統(tǒng)彼此脫鉤。中國正在投入 100 多億美元的政府激勵措施來建設(shè)中國晶圓廠，同時試圖創(chuàng)造本土供應的晶圓廠設(shè)備和電子設(shè)計自動化軟件

在過去的幾十年里，美國將大部分晶圓廠轉(zhuǎn)移到了亞洲。今天，我們鼓勵將晶圓廠和芯片生產(chǎn)帶回美國

以前只對技術(shù)人員感興趣的行業(yè)現(xiàn)在是大國競爭中最大的部分之一。

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導體行業(yè)觀察。

今天是《半導體行業(yè)觀察》為您分享的第2944內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

晶圓｜集成電路｜設(shè)備｜汽車芯片｜存儲｜臺積電｜AI｜封裝

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