原文：https://steveblank.com/2022/01/25/the-semiconductor-ecosystem/

半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)——解釋

發(fā)表于2022 年 1 月 25 日寻狂，作者：史蒂夫·布蘭克

去年有大量關(guān)于半導(dǎo)體行業(yè)的文章：芯片短缺陕凹、CHIPS 法案、我們對(duì)臺(tái)灣和臺(tái)積電次泽、中國(guó)大陸的依賴等变秦。

但是成榜，盡管有這么多關(guān)于芯片和半導(dǎo)體的討論，但很少有人了解這個(gè)行業(yè)的結(jié)構(gòu)蹦玫。我發(fā)現(xiàn)理解復(fù)雜事物的最佳方法是逐步繪制圖表赎婚。因此，這里有一個(gè)關(guān)于該行業(yè)運(yùn)作時(shí)的各類公司構(gòu)成圖樱溉。

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半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)

我們正在看到一切的數(shù)字化轉(zhuǎn)型挣输。半導(dǎo)體——處理數(shù)字信息的芯片——幾乎無處不在：計(jì)算機(jī)、汽車福贞、家用電器撩嚼、醫(yī)療設(shè)備等。半導(dǎo)體公司今年將銷售價(jià)值 6000 億美元的芯片挖帘。

看下圖完丽，這個(gè)行業(yè)似乎很簡(jiǎn)單。半導(dǎo)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(jī)構(gòu)（右側(cè)）拇舀。然后逻族，這些公司和政府機(jī)構(gòu)將芯片設(shè)計(jì)成系統(tǒng)和設(shè)備（例如 iPhone、PC你稚、飛機(jī)瓷耙、云計(jì)算等），并將它們出售給消費(fèi)者刁赖、企業(yè)和政府搁痛。包含芯片的產(chǎn)品的收入價(jià)值數(shù)十億美元。

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然而宇弛，考慮到它的規(guī)模鸡典，這個(gè)行業(yè)對(duì)大多數(shù)人來說仍然是個(gè)謎。如果你真的想到了半導(dǎo)體行業(yè)枪芒，你可能會(huì)想象在工廠潔凈室（芯片工廠）里穿著厚重的全包裹工作裝的工人拿著 12 英寸晶圓彻况。然而谁尸，這是一個(gè)一次操作一個(gè)原子的材料的企業(yè)，其工廠的建造成本高達(dá)數(shù)十億美元纽甘。（順便說一句良蛮，那個(gè)晶片上有兩萬億個(gè)晶體管。）

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如果您能夠查看代表半導(dǎo)體行業(yè)的簡(jiǎn)單三角形內(nèi)部悍赢，而不是一家制造芯片的公司决瞳，您會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)擁有數(shù)百家公司的行業(yè)，所有公司都相互依賴左权∑ず總體而言，它非常龐大赏迟，所以讓我們一次描述生態(tài)系統(tǒng)的一部分屡贺。（警告——這是一個(gè)非常復(fù)雜的行業(yè)的簡(jiǎn)化視圖。）

半導(dǎo)體行業(yè)細(xì)分

半導(dǎo)體行業(yè)有七種不同類型的公司锌杀。這些不同的行業(yè)細(xì)分中的每一個(gè)都將其資源沿價(jià)值鏈向上輸送到下一個(gè)甩栈，直到最終芯片工廠（“Fab”）擁有制造芯片所需的所有設(shè)計(jì)、設(shè)備和材料抛丽。從下往上看谤职，這些半導(dǎo)體行業(yè)細(xì)分市場(chǎng)是：

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1. 芯片知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 內(nèi)核
2. 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 工具
3. 專業(yè)材料
4. 晶圓廠設(shè)備 (WFE)
5. “無晶圓廠”芯片公司
6. 集成設(shè)備制造商 (IDM)
7. 芯片代工廠
8. 外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試 (OSAT)

以下各節(jié)提供了有關(guān)這八個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)細(xì)分市場(chǎng)的更多詳細(xì)信息。

芯片知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 內(nèi)核

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• 芯片的設(shè)計(jì)可能歸一家公司所有亿鲜，或者
• 一些公司許可他們的芯片設(shè)計(jì)——作為軟件構(gòu)建模塊允蜈，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(jì)算機(jī)中微處理器的構(gòu)建塊

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 工具

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• 工程師使用專門的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 軟件設(shè)計(jì)芯片（在他們購(gòu)買的任何 IP 內(nèi)核之上添加自己的設(shè)計(jì)）
• 該行業(yè)由三個(gè)美國(guó)供應(yīng)商主導(dǎo)——Cadence蒿柳、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(tuán)隊(duì)需要 2-3 年的時(shí)間來設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的邏輯芯片饶套，例如在電話、計(jì)算機(jī)或服務(wù)器中使用的微處理器垒探。（見下圖設(shè)計(jì)過程妓蛮。）

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

特殊材料和化學(xué)品

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

• 硅晶片——制造它們需要晶體鍛造爐
• 使用了 100 多種氣體——散裝氣體（氧氣、氮?dú)馓韫摹⒍趸冀钕帧錃狻鍤狻⒑猓┖推渌鈦?有毒氣體（氟矾飞、三氟化氮一膨、砷化氫、磷化氫洒沦、三氟化硼豹绪、乙硼烷、硅烷等等）
• 流體（光刻膠微谓、面漆森篷、CMP 漿料）
• 光罩
• 晶圓搬運(yùn)設(shè)備输钩、切割
• 射頻發(fā)生器

晶圓廠設(shè)備 (WFE) 制造芯片**

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• 這些機(jī)器物理地制造芯片
• 五家公司在行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位——應(yīng)用材料豺型、KLA、LAM买乃、東京電子和ASML
• 這些是地球上一些最復(fù)雜（也是最昂貴）的機(jī)器姻氨。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(jī)器

"無晶圓廠" 芯片公司

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• 以前使用現(xiàn)成芯片的系統(tǒng)公司（Apple剪验、Qualcomm肴焊、Nvidia、Amazon功戚、Facebook 等）現(xiàn)在設(shè)計(jì)自己的芯片娶眷。
• 他們創(chuàng)建芯片設(shè)計(jì)（使用 IP 內(nèi)核和他們自己的設(shè)計(jì)）并將設(shè)計(jì)發(fā)送到擁有制造它們的“晶圓廠”的“代工廠”
• 他們可能會(huì)在自己的設(shè)備中專門使用這些芯片，例如蘋果啸臀、谷歌届宠、亞馬遜……。
• 或者他們可能會(huì)將芯片出售給所有人乘粒，例如 AMD豌注、Nvidia、高通灯萍、博通……
• 他們不擁有晶圓制造設(shè)備或使用特殊材料或化學(xué)品
• 他們確實(shí)使用芯片 IP 和電子設(shè)計(jì)軟件來設(shè)計(jì)芯片

集成設(shè)備制造商 (IDM)

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• 集成設(shè)備制造商 (IDM) 設(shè)計(jì)轧铁、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——見這里。）
  • IDM 分為三類——內(nèi)存（例如Micron旦棉、SK Hynix）齿风、邏輯（例如Intel）、模擬（TI绑洛、Analog Devices）
• 他們有自己的“晶圓廠”救斑，但也可能使用代工廠
  • 他們使用芯片 IP 和電子設(shè)計(jì)軟件來設(shè)計(jì)他們的芯片
  • 他們購(gòu)買 Wafer Fab Equipment 并使用專門的材料和化學(xué)品
• 流片新的領(lǐng)先芯片（3nm）的平均成本現(xiàn)在是 5 億美元

芯片代工廠

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• 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(gòu)買和集成設(shè)備
  • 晶圓廠設(shè)備和專用材料和化學(xué)品
• 他們使用這種設(shè)備設(shè)計(jì)獨(dú)特的工藝來制造芯片
• 但他們不設(shè)計(jì)芯片
• 臺(tái)灣臺(tái)積電邏輯領(lǐng)先，三星第二
• 其他晶圓廠專門制造用于模擬诊笤、電源系谐、射頻、顯示器、安全軍事等的芯片纪他。
• 建新一代芯片（3nm）制造廠耗資200億美元

晶圓廠

• Fabs 是制造廠的簡(jiǎn)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鄙煤。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茶袒。

• 將 Fab 想象成類似于書籍印刷廠（見下圖）

  
  
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1. 就像作者使用文字處理器寫書一樣梯刚，工程師使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具設(shè)計(jì)芯片
2. 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)送到印刷廠薪寓。工程師選擇適合其芯片類型（內(nèi)存亡资、邏輯、射頻向叉、模擬）的晶圓廠
3. 印刷廠購(gòu)買紙張和墨水锥腻。晶圓廠購(gòu)買原材料；硅母谎、化學(xué)品瘦黑、氣體
4. 印刷廠購(gòu)買印刷機(jī)械、印刷機(jī)奇唤、粘合劑幸斥、修邊機(jī)。晶圓廠購(gòu)買晶圓廠設(shè)備咬扇、蝕刻機(jī)甲葬、沉積、光刻懈贺、測(cè)試儀经窖、包裝
5. 一本書的印刷過程使用膠印、拍攝隅居、剝離钠至、藍(lán)圖、制版胎源、裝訂和修整棉钧。芯片是在復(fù)雜的過程中制造的，使用蝕刻機(jī)涕蚤、沉積宪卿、光刻來操縱原子。將其視為原子級(jí)膠印万栅。然后切割晶片并封裝芯片
6. 該工廠生產(chǎn)出數(shù)百萬本同一本書佑钾。該工廠生產(chǎn)出數(shù)百萬個(gè)相同芯片的副本

雖然這聽起來很簡(jiǎn)單，但事實(shí)并非如此烦粒。芯片可能是有史以來制造的最復(fù)雜的產(chǎn)品休溶。下圖是制作芯片所需的*1000多個(gè)步驟的簡(jiǎn)化版本代赁。

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外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試 (OSAT)

• 封裝和測(cè)試代工廠和 IDM 制造的芯片的公司
• OSAT 公司采用代工廠制造的晶圓，將它們切成小塊（切割）成單獨(dú)的芯片兽掰，測(cè)試它們芭碍，然后將它們封裝并運(yùn)送給客戶

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晶圓廠問題

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• 隨著芯片變得越來越密集（單個(gè)晶圓上有數(shù)萬億個(gè)晶體管），建造晶圓廠的成本飆升——現(xiàn)在一個(gè)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(tái)先進(jìn)光刻機(jī)就耗資 1.5 億美元
  • 一個(gè)工廠有大約 500 多臺(tái)機(jī)器（并不都像 ASML 那樣昂貴）
  • 晶圓廠的建筑非常復(fù)雜孽尽。制造芯片的潔凈室只是一組復(fù)雜管道的冰山一角窖壕，這些管道在正確的時(shí)間和溫度將氣體、電力杉女、液體全部輸送到晶圓廠設(shè)備中
• 保持領(lǐng)先地位的數(shù)十億美元成本意味著大多數(shù)公司已經(jīng)退出瞻讽。2001 年有 17 家公司生產(chǎn)最先進(jìn)的芯片。今天只有兩家——韓國(guó)的三星和臺(tái)灣的臺(tái)積電熏挎。

下一步是什么——技術(shù)

制造密度更大速勇、速度更快、功耗更低的芯片變得越來越難婆瓜，那么下一步是什么快集？

• 邏輯芯片設(shè)計(jì)人員沒有讓單個(gè)處理器完成所有工作，而是將多個(gè)專用處理器放入芯片內(nèi)部
• 存儲(chǔ)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(jì)變得越來越復(fù)雜廉白，這意味著更大的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和更長(zhǎng)的上市時(shí)間，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司正在嵌入人工智能來自動(dòng)化部分設(shè)計(jì)過程
• 晶圓設(shè)備制造商正在設(shè)計(jì)新設(shè)備乖寒，以幫助晶圓廠制造具有更低功耗猴蹂、更好性能、最佳面積成本和更快上市時(shí)間的芯片

接下來是什么 - 業(yè)務(wù)

英特爾等集成設(shè)備制造商 (IDM) 的商業(yè)模式正在迅速變化楣嘁。過去磅轻，垂直整合具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，即擁有自己的設(shè)計(jì)工具和工廠逐虚。今天聋溜，這是一個(gè)劣勢(shì)。

• 鑄造廠具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化叭爱。他們不必自己發(fā)明撮躁，而是可以利用生態(tài)系統(tǒng)中的整個(gè)創(chuàng)新堆棧。只專注于制造
• AMD已經(jīng)證明买雾，從 IDM 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o晶圓代工廠模型是可能的把曼。英特爾正在嘗試。他們將使用臺(tái)積電作為自己芯片的代工廠漓穿，并建立自己的代工廠

接下來是什么——地緣政治

在 21 世紀(jì)控制先進(jìn)的芯片制造很可能被證明就像在 20 世紀(jì)控制石油供應(yīng)一樣嗤军。控制這種制造業(yè)的國(guó)家可以扼殺其他國(guó)家的軍事和經(jīng)濟(jì)實(shí)力晃危。

• 確保芯片的穩(wěn)定供應(yīng)已成為國(guó)家的優(yōu)先事項(xiàng)叙赚。（按美元計(jì)算，中國(guó)最大的進(jìn)口是半導(dǎo)體——比石油還大）
• 如今，美國(guó)和中國(guó)都在迅速嘗試將其半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)彼此脫鉤震叮。中國(guó)正在投入 100 多億美元的政府激勵(lì)措施來建設(shè)中國(guó)晶圓廠沿量，同時(shí)試圖創(chuàng)造本土供應(yīng)的晶圓廠設(shè)備和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件
• 在過去的幾十年里，美國(guó)將大部分晶圓廠轉(zhuǎn)移到了亞洲冤荆。今天朴则，我們鼓勵(lì)將晶圓廠和芯片生產(chǎn)帶回美國(guó)

以前只對(duì)技術(shù)人員感興趣的行業(yè)現(xiàn)在是大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)中最大的部分之一。