半導體産業的生態系統
巴西的大草原上，一眼望去一堆堆紅褐色的土丘。令人不解的是，為何每堆土丘上和其周圍都長滿了一種叫洋茄的植物。據專家們的觀察，原來這都是草原上鬃狼們幹的好事。洋茄樹結滿了綠色的果實，果皮堅厚，但果實有毒。若没鬃狼來吃，洋茄無法繁殖。但鬃狼為何要吃有毒的果實呢？原來這果肉可以殺死鬃狼體內的寄生蟲，否則牠們會活得很痛苦。
鬃狼們吃了果實後在土丘上拉屎，來標明他的地界。糞便落在肥沃鬆軟土丘上，暴露在地表的種子會被陽光曬死，但這些帶種子的糞便被白蟻帶入土丘裡餵食幼蟻，於是種子便在鬆軟的土丘四周長出更多洋茄幼苖。這奇妙的三角關係，充滿了自然界的智慧，這一切豈不都是造物者精心的傑作嗎？
(一)半導體產業的鬃狼們
鬃狼就是接單生産的半導體晶片的廠商，如台積電、三星、格羅方德、美光和英特爾等。他們之間有的合作，有的競爭。其中不少有自己的果實，但還要搶食别人的果實。
1960年，半導體產業在美國興起，如今這陣地已逐漸轉移到亞洲。2012年，全球年營收前10名半導體廠商之中，美國占了5名，韓國三星名列第2 [1]。兩年後，台積電晉升第3名。誰知數年後，或許會有中國公司冒出來。
從半導體產業演進的角度來看，起初大部分的公司無論大小都是各自為陣，從設計、生産、包裝到測試，一手包辦。在這種垂直整合的情況下，造成大者恆大，小者便一家家地被合併或關門。因為光是購買和維護半導體生産設備就已經是一筆很可觀的開銷，而且每年還要苟延殘喘地追上那要命的「摩爾定律」腳步。
半導體產業的商業模式看似簡單，其實卻頗複雜。它的生態環環相扣，有的彼此相依為命，採取分工合作的模式。有的必須在競爭中和對手合作。在競合之間爭取最大的效益，是半導體產業維持生存的生存法則。以下介紹三種不同的鬃狼:
(1) 晶圓代工模式 ( IC
Foundry)
1980年中期以後，半導體生產技術逐漸成熟，不但製程漸標準化，而且晶片設計也走向電子自動化。自1987年，全球第一家晶圓代工廠 ~ 台積電落成，開工後，晶圓代工和純設計公司的分工合作模式終於落實。
2014年，全球年營收前10名代工廠商之中台灣占了4名，包括: 台積電(1)、聯電(2)、力晶(6)、世界先進(8)
[2]。有人比喻晶圓代工有如中央廚房，自己没有設計，也無産品。利用生產設備和製程技術專心地為客户製造他們自己設計出來的晶片。只要訂單充裕，按食譜把菜燒出來就足以賺錢。中央廚房的本領是同時要能燒出各種不同食譜的菜，如台積電有先進的12寸晶圓廠，此外還有8寸及6寸廠。原則上只要按照規格，合乎經濟成本，無論是高檔菜或是家常菜都值得燒。
(2)
垂直整合的公司
半導體公司如英特爾、三星、美光、IBM……等，自己擁有頂尖的IC設計、生産、包裝、測試技術，希望能借著技術「垂直整合」掌握產品的良率 (Yield) 和品質。良率便是晶圓上通過測試晶片的比率，良率越高生產成本就越低。因此提高良率是設計及生產晶片的最高目標，若新產品的良率差，有時不知道是製程上或是設計上出了問題，對垂直整合的公司而言，比較易容找到毛病。
(3) 技術聯盟
幾隻狼採取聯盟的方式，共同投資開發先進(又昂貴)的半導體生產技術。如2007年 IBM 和三星、英飛凌、飛思卡爾、查特等公司結盟，共同開發32奈米技術。2012年 IBM又約了三星和格羅方德，三家公司成立「下世代晶片技術開發平台」 (Common Platform)。其實背後的動機包括：(1) 節省研發資源；(2) 分享研發結果；(3) 為IBM即將退出半導體領域鋪路。果真，2014年4月，IBM 轉型退出半導體晶圓代工領域。由格羅方德接收老大哥在紐約上州的財產，包括技術、廠房和大批技術人員。
2011年10月，台積電的技術率先從 32奈米升級進入 28 奈米，在產量、品質及良率各方面都一度領先群雄，是草原上一隻得意的鬃狼。曾幾何時英特爾加碼，從 28 奈米闖入 20 奈米，又於2014年底，開始量産 14 奈米技術。此時台積電的技術好不容易從28奈米，升級到了20奈米後，卻發生了一件不幸的事。高通驍龍810晶片托台積電代工，不料這洋茄的果實太毒了，發生晶片過熱的問題。此時哀鴻遍野，受害者有宏達電、索尼、夏普、富士通、樂金、小米……等一堆手機廠商。此時另一隻兇悍的鬃狼三星，早已決定設計自己的晶片，使用自家先進的14奈米技術來生產，結果完全沒有過熱(中毒)的現象。台積電因一時技術落後，讓煮熟的鴨子(高通)飛了!
(二)半導體產業的洋茄
半導體產業之所以可以拼命往前衝，背後主要的動力，就是那些將晶片設計發包給替他們生產晶片的公司。他們有如洋茄，將設計好的晶片果實餵給鬃狼們吃，鬃狼們要各顯神通才可搶得到果實，否則無法生存。洋茄的種類也是很多，有純設計晶片的、為自己計晶片的、提供設計單元的、電子設計自動化公司等，分別介紹如下:
(1) 純設計公司 (Fabless
Design House)
純設計公司則是自己有晶片産品，按設計規格 (Design Rules) 將晶片設計好後，取得中央厨房提共該規格技術的元件模型
(Device models)來進行模擬驗證 (Simulation)，驗證成功，晶片設計才告完成，將其提交 (Tape Out) 給中央厨房去燒去煮。最後，雙方都必須負責進行各階段的測試，篩選通過測試的晶片送去封裝。這様的分工，直接了當，各盡所長，各取所需。
按排名全球前五大純設計公司是：高通，NVIDIA, 博通, ATI Technogies, 和賽靈斯。如今IBM 和AMD也加入隊伍。2013年，全球年營收前25名純設計公司之中美國公司就占了14家，台灣也占了5家，包括: 聯發科、聯詠、晨星……等 [3]。
(2) 提供智慧產權保護的設計單元廠商 (IP
Core Provider)
從晶片設計的角度來看，他們專門供應可以重覆使用的設計單元。這具有知識產權保護的設計單元，基本上包含兩大類別: (1) 特殊用途積體線路單元 (ASIC) ~ 如各式半導體記憶、射頻接收、微處理器等單元，只能直接使用; (2) 邏輯可程式化的積體線路單元 (FPGA) ~ 可調整客製化的邏輯單元。使用重組軟體程式來快速組合成客製化的邏輯線路。
安謀公司 (ARM) 數位微處理器架構設計，便是屬於後者。這原始來自英國的無名小卒，起初和蘋果合作只提供低耗電、少元件、低性能、低價位、可以客制化的嵌入式微處理器核心 (Embedded μP) 切入市場。藉著這些特殊簡單食譜，讓客户們能輕易地藉以發揮。誰知無心插柳的安謀，如今在全球竟有超過千家合作伙伴，讓人驚訝的是安謀每年至少出貨500億顆微處理器!
安謀廣受歡迎的原因：(a) 節省設計時間 ~ 客戶不必自己從頭設計，抓下安謀現成的微處理器便可以直接使用；(b) 由生產者驗證 ~ 安謀和各中央厨房合作，由中央厨房來驗證製造出來處理器的性能是否合乎規格，也由他們來收取授權金額; (c) 授權費低 ~ 直接包含在製造費用內；(d) 可用在不同的産品領域 ~ 安謀本身不斷地研發，ARM-11 後，提供高、中、低階處理器核心，不斷改進。
高通為了讓其處理器能快速地進入64位元，驍龍 810 也採用現成安謀的架構。晶片過熱後，驍龍820不得不改用自己的 kyro架構，藉三星14奈米技術生產，晶片過熱的問題才獲得解決。
(3) 電子設計自動化公司 (Electronic Design Automation,
EDA)
提供設計積體線路及電路板的軟體工具的廠商，簡稱為電子設計自動化 (EDA) 公司。自1970年代引入，到1980年代這技術漸趨成熟。這些軟體工具的主要功能是利用電腦來協助設計，執行半自動或全自動化線路布局 (Layout)。主要的模擬程式語言包括VHDL和 Verilog兩種。全球前幾名EDA公司包括: Synopsys、Cadence、Mentor Graphics和SpringSoft。
中央廚房提供客戶各種規格 (如20奈米或14奈米的Ground Rules)，以及他們按該規格可以製造出來的各種硬體元件的種類
(Component Library) 及對應的模型 (Device Model)，供設計者利用EDA軟體進行設計及模擬驗證。根據阿Y過去的經驗，模擬驗證的準確性非常高，若模擬驗證時沒有完全達到良率的標準，就草草付諸生產，硬體的量率就會低落，得不償失。此時要不斷修改設計直到達到預定的門檻為止。一般而言，設計類比單元
(Analog Unit) 如接收/發射器及電源管理等，要較數位邏輯 (Digital Logic) 如記憶體和微處理器等困難，公司中有經驗的類比設計師是值得珍惜的。
(三)半導體產業的白蟻
半導體設備製造、晶片封裝和测試、製程材料等廠商，是服務晶圓廠的白蟻們。講難聽些，他們靠晶圓廠的生意而存活，他們的食物便是鬃狼的糞便。最後這些晶片，洋茄的種子被帶入鬆軟的土裡，將晶片裝置在各家的手機或電子產品中，推銷上市。有如新生的洋茄在各個土堆上爭相成長、開花、結實累累，再次經歷下一回合激烈的競爭。白蟻默默不停地工作，它們是半導體的幕後英雄。
(1) 封裝測試公司
晶圓製好後進行晶圓測試 (Wafer Test)，通過測試進行晶片切割，好的晶片送給封裝公司來進行符合各式規格的封装及再測試，完成後才出貨给客戶。這些封裝測試公司，分散在世界各地，台灣有名的封裝測試白蟻是日月光和矽品，他們具備有最先進的技術和設備。
(2) 導體材料及設備公司
半導體最重要的材料就是矽晶圓 (Wafer)。還有一些特殊的廠商使用較貴的III-V 族晶圓，來製造高速射頻通訊産品。此外，材料還包括各式化學溶液(劑)用來作光阻、洗滌、蝕刻、溶解、成相……；各式氣體使用在離子植入、摻雜、擴散、製造電晶體製程；及高分子材料及各種金屬用在沉積、製造導缐、絕緣層……等方面。這些材料共通點是高純度、穩定、耐高温，所以都十分昂貴。
半導體廠的設備，從無塵室(Clean Room)、通風、過濾的廠房，大型的光罩量測儀器、晶圓曝光設備、化學氣相沈積器，到磊晶機、離子布植機、烤箱、乾或濕法蝕刻、洗滌槽、檢驗晶圓的顯微鏡……等，種類繁多不勝枚舉。
半導體生產線作業全都已程式化、自動化、流程化。晶圓一盒盒從第一道關卡進入，中間或有人員進行抽檢，或自動監控量測，經過幾百道手續，直到前端流程
(Front End of Line, FEOL)结束。再進行一連串過程，包括平坦化、多層金屬連線等手續，完成後端流程
(Back End of Line, BEOL)。前後多則經過二三十道精密的光罩曝光顯像的過程，直到全程結束。其中若是廠房供應的電流稍有一絲不穩，或空氣純度失控，粒子含量稍偏高，就可能造成慘重的損失。
前五名設備商包括：應用材料公司 (Applied Material), ASML, Lam Research, 東京威力科創 (Tokyo Electron), 科磊 (KLA)。他們年營收在 20 ~60 億美元之間。設備廠商主要分布歐、美、日三個地區，光是荷蘭一國就占了設備市場约 1/5。2015 年到 2020 年之間，據估計半導體設備市值將從 302 億增美元到 500 億美元。
各設備廠商多是按著摩爾定律做為他們生産設備的路標(Roadmap)。背後三大主要驅動力 (Driving Force) 是:
(a) 線寬逐年缩減
～ 比如説目前生産是以 20 奈米為主，2 ~ 2.5年將以14奈米，再下去10 奈米。那麽能産出該線寬的光刻及相關技術就得超前推出。如20奈米多使用193 nm ArF鐳射雙重曝光及浸潤式光刻技術，到了10奈米以下就得使極限紫外缐 (EUV) 技術，是完全不同的設備。
(b) 晶圓尺寸和晶片面積逐年增大～為了降低成本，及增加生産力 (Productivity) , 每10 ~15 年晶圓直徑增加1.5倍。如今生産直徑 300mm 晶圓的通量 (Throughput) 约每小時 250片，明年將增加到 275片。
(c) 生産技術逐年提升，如使用鳍式場效應電晶體，需要用EUV曝光系統、低温原子層次沉積 (ALD)、原子層次蝕刻 (ALE) 等技術。如今半導體零件進入 3維 (3D-IC) 製造領域，如將處理器、記憶體、圖像傳感器、微機電系統、射頻前端及濾波元件等晶片，利用3維立體堆疊以減少體積並降低成本。
根據
IC Insight 雜誌的公布，半導體産業在 2014年投入研發的經費 [4]，英特爾115億美元，比第 2 名高通多出 1 倍，幾乎是第 3 名三星的 4 倍！台積電和聯發科都在10名之內。若從產品銷售額排名來看，則是: 英特爾、三星、台積電、高通和美光。顯然，半導體產業要投入一分耕耘，才會有一分收穫。
◎
摩爾定律
1965年4月9，英特爾共同創辦人戈登‧摩爾 (Gordon E. Moore)，發表了一篇論文，預測未來50年半導體科技產業發展的趨勢。簡言之，摩爾定律就是晶片每單位面積上製造出來的電晶體
(Transistors) 數目每隔2年將會增加1倍。據專家估計，從1971年到現在，藉著電晶體 (Transistor) 體積不斷地縮小其性能增加了9萬倍，同時價格或製造成本也便宜了6萬倍!
一般而言，半導體性能增加是指操作速度增加，同時耗能減低。
年復一年，半導體線路和元件的關鍵尺寸 (Critical Dimension) 越做越細小，晶片設計也越做越複雜。為了降低成本，晶圓直徑也越來越大。時間一到，逼著前代昂貴的生産設備就要被汰舊換新。2015年，14奈米（奈米是1×10−9 米，是指線寬，越細則技術越高明）已開始量產。預計再10年半導體製程將進入5奈米，因為製程控製的精確度已到原子等級，需要涉及十分昂貴的曝光、沈積及蝕刻等關鍵技術，專家們認為縱使做得出來，但是否仍具經濟效益? 摩爾定律恐怕就將壽終正寢。
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_industry
[2] https://zh.wikipedia.org/wiki/晶圓代工
[3] https://zh.wikipedia.org/zh-tw/無廠半導體公司
沒有留言:
張貼留言