半导体生态系统
原文：https://steveblank.com/2022/01/25/the-semiconductor-ecosystem/
半导体生态系统——解释
发表于2022 年 1 月 25 日，作者：史蒂夫·布兰克
去年有大量关于半导体行业的文章：芯片短缺、CHIPS 法案、我们对台湾和台积电、中国大陆的依赖等。
但是，尽管有这么多关于芯片和半导体的讨论，但很少有人了解这个行业的结构。我发现理解复杂事物的最佳方法是逐步绘制图表。因此，这里有一个关于该行业运作时的各类公司构成图。
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半导体生态系统
我们正在看到一切的数字化转型。半导体——处理数字信息的芯片——几乎无处不在：计算机、汽车、家用电器、医疗设备等。半导体公司今年将销售价值 6000 亿美元的芯片。
看下图，这个行业似乎很简单。半导体生态系统中的公司制造芯片（左侧的三角形）并将其出售给公司和政府机构（右侧）。然后，这些公司和政府机构将芯片设计成系统和设备（例如 iPhone、PC、飞机、云计算等），并将它们出售给消费者、企业和政府。包含芯片的产品的收入价值数十亿美元。
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然而，考虑到它的规模，这个行业对大多数人来说仍然是个谜。如果你真的想到了半导体行业，你可能会想象在工厂洁净室（芯片工厂）里穿着厚重的全包裹工作装的工人拿着 12 英寸晶圆。然而，这是一个一次操作一个原子的材料的企业，其工厂的建造成本高达数十亿美元。（顺便说一句，那个晶片上有两万亿个晶体管。）
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如果您能够查看代表半导体行业的简单三角形内部，而不是一家制造芯片的公司，您会发现一个拥有数百家公司的行业，所有公司都相互依赖。总体而言，它非常庞大，所以让我们一次描述生态系统的一部分。（警告——这是一个非常复杂的行业的简化视图。）
半导体行业细分
半导体行业有七种不同类型的公司。这些不同的行业细分中的每一个都将其资源沿价值链向上输送到下一个，直到最终芯片工厂（“Fab”）拥有制造芯片所需的所有设计、设备和材料。从下往上看，这些半导体行业细分市场是：
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- 芯片知识产权 (IP) 内核
- 电子设计自动化 (EDA) 工具
- 专业材料
- 晶圆厂设备 (WFE)
- “无晶圆厂”芯片公司
- 集成设备制造商 (IDM)
- 芯片代工厂
- 外包半导体组装和测试 (OSAT)
以下各节提供了有关这八个半导体行业细分市场的更多详细信息。
芯片知识产权 (IP) 内核
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- 芯片的设计可能归一家公司所有，或者
- 一些公司许可他们的芯片设计——作为软件构建模块，称为 IP 内核——以供广泛使用
- 有超过 150 家公司销售芯片 IP 核
- 例如，Apple 授权ARM的 IP 核作为其 iPhone 和计算机中微处理器的构建块
电子设计自动化 (EDA) 工具
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- 工程师使用专门的电子设计自动化 (EDA) 软件设计芯片（在他们购买的任何 IP 内核之上添加自己的设计）
- 该行业由三个美国供应商主导——Cadence、Mentor（现为西门子的一部分）和Synopsys
- 使用这些 EDA 工具的大型工程团队需要 2-3 年的时间来设计一个复杂的逻辑芯片，例如在电话、计算机或服务器中使用的微处理器。（见下图设计过程。）
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- 今天，随着逻辑芯片变得越来越复杂，所有电子设计自动化公司都开始插入人工智能辅助工具来自动化和加速流程
特殊材料和化学品
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到目前为止，我们的芯片仍处于软件阶段。但要将其转化为有形的东西，我们将不得不在一家名为“晶圆厂”的芯片工厂实际生产它。制造芯片的工厂需要购买专门的材料和化学品：
- 硅晶片——制造它们需要晶体锻造炉
- 使用了 100 多种气体——散装气体（氧气、氮气、二氧化碳、氢气、氩气、氦气）和其他外来/有毒气体（氟、三氟化氮、砷化氢、磷化氢、三氟化硼、乙硼烷、硅烷等等）
- 流体（光刻胶、面漆、CMP 浆料）
- 光罩
- 晶圆搬运设备、切割
- 射频发生器
晶圆厂设备 (WFE) 制造芯片**
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- 这些机器物理地制造芯片
- 五家公司在行业中占据主导地位——应用材料、KLA、LAM、东京电子和ASML
- 这些是地球上一些最复杂（也是最昂贵）的机器。他们取一片硅锭，并在其表面上下操纵其原子
- 稍后我们将解释如何使用这些机器
"无晶圆厂" 芯片公司
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- 以前使用现成芯片的系统公司（Apple、Qualcomm、Nvidia、Amazon、Facebook 等）现在设计自己的芯片。
- 他们创建芯片设计（使用 IP 内核和他们自己的设计）并将设计发送到拥有制造它们的“晶圆厂”的“代工厂”
- 他们可能会在自己的设备中专门使用这些芯片，例如苹果、谷歌、亚马逊……。
- 或者他们可能会将芯片出售给所有人，例如 AMD、Nvidia、高通、博通……
- 他们不拥有晶圆制造设备或使用特殊材料或化学品
- 他们确实使用芯片 IP 和电子设计软件来设计芯片
集成设备制造商 (IDM)
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- 集成设备制造商 (IDM) 设计、制造（在自己的晶圆厂中）和销售 自己的芯片
- 他们有自己的“晶圆厂”，但也可能使用代工厂
- 他们使用芯片 IP 和电子设计软件来设计他们的芯片
- 他们购买 Wafer Fab Equipment 并使用专门的材料和化学品
- 流片新的领先芯片（3nm）的平均成本现在是 5 亿美元
芯片代工厂
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- 代工厂在他们的“晶圆厂”中为其他人制造芯片
- 他们从各种制造商那里购买和集成设备
- 晶圆厂设备和专用材料和化学品
- 他们使用这种设备设计独特的工艺来制造芯片
- 但他们不设计芯片
- 台湾台积电逻辑领先，三星第二
- 其他晶圆厂专门制造用于模拟、电源、射频、显示器、安全军事等的芯片。
- 建新一代芯片（3nm）制造厂耗资200亿美元
晶圆厂
- Fabs 是制造厂的简称——制造芯片的工厂
- 集成设备制造商 (IDM)和代工厂都拥有晶圆厂。唯一的区别是他们是制造芯片供他人使用或销售，还是制造芯片供自己销售。
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将 Fab 想象成类似于书籍印刷厂（见下图）
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- 就像作者使用文字处理器写书一样，工程师使用电子设计自动化工具设计芯片
- 作者与专门研究其流派的出版商签订合同，然后将文本发送到印刷厂。工程师选择适合其芯片类型（内存、逻辑、射频、模拟）的晶圆厂
- 印刷厂购买纸张和墨水。晶圆厂购买原材料；硅、化学品、气体
- 印刷厂购买印刷机械、印刷机、粘合剂、修边机。晶圆厂购买晶圆厂设备、蚀刻机、沉积、光刻、测试仪、包装
- 一本书的印刷过程使用胶印、拍摄、剥离、蓝图、制版、装订和修整。芯片是在复杂的过程中制造的，使用蚀刻机、沉积、光刻来操纵原子。将其视为原子级胶印。然后切割晶片并封装芯片
- 该工厂生产出数百万本同一本书。该工厂生产出数百万个相同芯片的副本
虽然这听起来很简单，但事实并非如此。芯片可能是有史以来制造的最复杂的产品。下图是制作芯片所需的*1000多个步骤的简化版本。
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外包半导体组装和测试 (OSAT)
- 封装和测试代工厂和 IDM 制造的芯片的公司
- OSAT 公司采用代工厂制造的晶圆，将它们切成小块（切割）成单独的芯片，测试它们，然后将它们封装并运送给客户
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晶圆厂问题
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- 随着芯片变得越来越密集（单个晶圆上有数万亿个晶体管），建造晶圆厂的成本飙升——现在一个芯片工厂的成本超过 100 亿美元
- 原因之一是制造芯片所需的设备成本飙升
- 仅来自荷兰公司ASML的一台先进光刻机就耗资 1.5 亿美元
- 一个工厂有大约 500 多台机器（并不都像 ASML 那样昂贵）
- 晶圆厂的建筑非常复杂。制造芯片的洁净室只是一组复杂管道的冰山一角，这些管道在正确的时间和温度将气体、电力、液体全部输送到晶圆厂设备中
- 保持领先地位的数十亿美元成本意味着大多数公司已经退出。2001 年有 17 家公司生产最先进的芯片。今天只有两家——韩国的三星和台湾的台积电。
下一步是什么——技术
制造密度更大、速度更快、功耗更低的芯片变得越来越难，那么下一步是什么？
- 逻辑芯片设计人员没有让单个处理器完成所有工作，而是将多个专用处理器放入芯片内部
- 存储芯片现在通过堆叠 100 多层高而变得更密集
- 随着芯片的设计变得越来越复杂，这意味着更大的设计团队和更长的上市时间，电子设计自动化公司正在嵌入人工智能来自动化部分设计过程
- 晶圆设备制造商正在设计新设备，以帮助晶圆厂制造具有更低功耗、更好性能、最佳面积成本和更快上市时间的芯片
接下来是什么 - 业务
英特尔等集成设备制造商 (IDM) 的商业模式正在迅速变化。过去，垂直整合具有巨大的竞争优势，即拥有自己的设计工具和工厂。今天，这是一个劣势。
- 铸造厂具有规模经济和标准化。他们不必自己发明，而是可以利用生态系统中的整个创新堆栈。只专注于制造
- AMD已经证明，从 IDM 转变为无晶圆代工厂模型是可能的。英特尔正在尝试。他们将使用台积电作为自己芯片的代工厂，并建立自己的代工厂
接下来是什么——地缘政治
在 21 世纪控制先进的芯片制造很可能被证明就像在 20 世纪控制石油供应一样。控制这种制造业的国家可以扼杀其他国家的军事和经济实力。
- 确保芯片的稳定供应已成为国家的优先事项。（按美元计算，中国最大的进口是半导体——比石油还大）
- 如今，美国和中国都在迅速尝试将其半导体生态系统彼此脱钩。中国正在投入 100 多亿美元的政府激励措施来建设中国晶圆厂，同时试图创造本土供应的晶圆厂设备和电子设计自动化软件
- 在过去的几十年里，美国将大部分晶圆厂转移到了亚洲。今天，我们鼓励将晶圆厂和芯片生产带回美国
以前只对技术人员感兴趣的行业现在是大国竞争中最大的部分之一。
