赛迪顾问-信息产业研究-中外半导体产业发展模式研究

1、赛迪顾问股份有限公司信息产业研究CCID Consulting& 本期主题：中外半导体产业发展模式研究全球半导体产业发展演变研究自1947年12月23日第一块晶体管在贝尔实验室诞生，人类从此步入了飞速发展的电子时代。1958年美国德州仪器公司发明集成电路，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，从而揭开了集成电路产业不断发展壮大的序幕，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量与质的飞跃。经过60年的飞速发展，半导体产业技术水平飞速发展，产业规模不断壮大，产业链、产业模式不断演进。产业发展历程周期波动中规模迅速扩大产业规模迅速扩大世界第一块集成电路诞生于1

2、958年。至今先后经历了小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）、特大规模集成电路（ULSI）几个发展阶段，现正迈向巨大规模集成电路（GSI）和系统集成或片上系统（SOC）时代（整个电子系统的功能由一片集成电路所代替）。由于集成电路产品的大量使用，推动了计算机、程控交换机、网络设备、家电产品、航空航天、工业自动化、IC卡、汽车电子、国防武器等各个领域的飞快发展，并带动了整个社会生产力水平的不断提高。2000年之前，全球半导体产业规模快速增长。1985年到1999年15年间，全球半导体产业销售额的年均增长率达到16.2%。自200

3、0年以来，全球半导体产业开始步入一个平稳增长的周期，1999年到2006年7年间，其年均增幅为7.5%。但总体来看，1985年到2006年21年间，全球半导体产业销售额的年均增幅仍达到12.3%。到2008年，全球半导体产业规模已经达到2486.03亿美元。图119852007年全球半导体产业销售收入规模增长情况数据来源： WSTS 产品内涵日趋复杂全球半导体工业一直遵循“摩尔定律”向前发展，摩尔定律是指：IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18到24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。该定律是由英特尔(Intel)名誉董事长戈登摩尔（Gordon Moore）经过长期观察发现得出。自提出以来，摩

4、尔所阐述的趋势一直延续至今，且仍不同寻常地准确。人们发现摩尔定律不光适用于对存储器芯片的描述，也精确地说明了处理器能力和磁盘驱动器存储容量的发展。该定律成为电子信息工业对于性能预测的基础。在摩尔定律提出后40多年的时间里，芯片上的晶体管数量增长惊人，从1971年推出的第一款4004 CPU的2300只晶体管，增加到酷睿二4核CPU的8亿只晶体管，芯片上的晶体管数量增加了近40万倍。由于集成度越高，芯片上晶体管的价格越便宜，这样也就引出了摩尔定律的经济学涵义，在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着芯片上晶体管越来越小，每个晶体管的价格只有十万分之一美分。图2摩尔定律的演进数据来源

5、：INTEL在存储器领域，随着各种专门应用不断提出新的要求，新的存储器技术也层出不穷。DRAM已经由SDRAM发展到DDR SDRAM，以及DDR II、DDR。其容量也由最初的1K一路提升至2G。除DRAM之外，闪存作为半导体存储器中的另一大产品门类也在迅速发展。目前采用50纳米工艺制造的闪存其容量已经达到2G，此外，包括铁电介质存储器（FRAM或FeRAM）、磁介质存储器（MRAM）、奥弗辛斯基效应一致性存储器（OUM）以及聚合物存储器（PFRAM）等在内的众多非易失性存储器也开始得到不同程度的应用。在CPU、存储器等传统半导体产品遵循摩尔定律不断向前发展的同时，SoC(System on

6、 Chip，系统集成芯片)在近几年开始出现。由于SoC可以提高整体系统的性能，降低功率消耗及芯片的面积，并缩短产品上市时间，因此全球各个主要国家都积极地投入研究。目前SoC已经广泛应用于多个方面。在通信领域的电信交换系统、个人数字助理/掌上电脑、GSM/CDMA手机、GPS定位仪等便携式数字移动通信设备，在消费电子领域的MD机、CD机、收音机等音频类产品，录像机、摄像机、DVD播放机、HDTV/STB等视频产品和电视游戏机、数码相机、电子玩具等个人电子产品，以及在控制、测试、医疗设备领域的工控设备、机器人、电子测试设备、医疗电子设备，这些产品的核心芯片都已经开始由SoC所替代。产业发展周期波动

7、全球集成电路产业一直保持周期性的上升与下降，人们称这种周期性的变化为“硅周期”。供求关系的变化是硅周期存在的主要原因。整个行业产能扩大太猛会导致市场供大于求，库存量剧增，价格急速下降。硅周期的存在还表明，集成电路的发展不仅对电子设备有强烈的影响和渗透性，而且还对其有强烈的依赖性，电子设备市场的繁荣与衰退都将直接影响到集成电路市场。此外，集成电路的发展对社会经济状况有强烈的依赖性。如：七十年代初的石油危机，八十年代中的日元升值，九十年代末的东南亚金融危机都导致世界集成电路市场的衰退。世界硅周期曲线分析：繁荣期（19801981）：克服第二次石油冲击，第一次录像机、办公自动化设备繁荣。低迷期（19

8、82）：美国市场不景气、录像机不振。繁荣期（19831984）：美国市场景气，第二次市场繁荣。低迷期（19851986）：美国市场不景气，PC机不振。繁荣期（19871989）：内外市场景气，文字处理系统、办公自动化设备繁荣。低迷期（19901991）：美国市场不景气、日本泡沫经济破灭。繁荣期（19921995）：PC机、互联网市场的繁荣，美国市场景气。低迷期（19961998）：东南亚金融危机、整机市场衰退。繁荣期（19992000）：东南亚经济复苏、移动通讯设备的快速发展。低迷期（20012003）：网络泡沫破灭，伊拉克战争、SARS病毒爆发等。繁荣期（2004-2006），全球经济复苏，

9、iPod、数码相机等消费类电子产品热销，低迷期（2007至今），石油价格大幅波动，美国次贷危机引发全球性金融危机。产业重心不断转移集成电路具有当今高技术产业的典型特点。由于是中间产品，它具有很高的渗透性和高附加值特性，其应用可以产生10倍甚至于百倍的倍增效益，因此，发达国家和许多新兴工业化国家和地区竞相发展集成电路，世界在这一领域的竞争非常激烈。从1982年至2006年按公司总部所在地划分的全球集成电路销量（包括代工厂销量）的变迁情况来看，2006年，总部在美洲地区的IC公司销量占全球总销量近半，与21年前即1985年的比例大致相同。欧洲公司在IC行业的市场份额也保持稳定。自1982年以来，欧

10、洲公司占全球IC市场份额始终保持在8%到11%之间。过去20多年里，日本IC产业走过了一段蓬勃向上，再由顶峰下落的历程。日本IC厂商在全球市场中所占的份额继1988年创下51%的辉煌记录后就不断下降。2006年日本公司的IC市场份额下降到只有17%。预计未来日本厂商在全球集成电路市场中所占份额仍将有所下滑。亚太IC厂商市场部分主要由中国台湾、韩国和中国内地公司组成。2006年亚太公司占IC市场份额已由1985年的2%提高至26%。事实上，2006年亚太公司的IC市场份额几乎与日本和欧洲公司的市场份额之和相等同。由于晶圆代工行业正在快速发展，预计未来亚太厂商在全球IC市场中所占的份额还将不断提高

11、。图3按公司总部所在地划分的全球集成电路销量数据来源：赛迪顾问整理从全球半导体市场的厂商结构来看，20世纪60年代，世界十大半导体厂商由美国一统天下；70年代基本上被美国占据；80年代日本半导体的崛起，导致世界十大半导体厂商由日美两国平分；90年代世界十大半导体厂商开始出现多极化，由日本、美国、欧州瓜分。近年来，全球半导体市场格局进一步多极化，2007年世界前二十大半导体厂商中，美国拥有7家，日本有6家，欧洲4家，亚太3家（含代工厂商）。由此可以看出，世界半导体产业的产业重心不断转移。产业发展模式的变迁综合向专业的演变集成电路产业是目前世界上发展最快、最具影响力的产业之一，集成电路产业本身经历

12、了几十年的不断的发展与演变，从最初的以“全能型”企业为主体的产业结构转变为产业集群与专业垂直分工越来越清晰的产业结构，这也是从综合发展模式向专业发展模式的演变，这种产业结构的变化是为了适应激烈的竞争、实现最大价值的内在要求。设计、制造和封装测试集一身集成电路刚刚诞生时，作为一项新兴技术，生产涉及到的技术仅为少数企业所掌握，而生产所用的设备、材料、制造工艺技术等又具有高度的专业性，是过去其他产品生产中从未曾涉及、使用过的。因此，无论从产品设计技术、设备生产技术还是到原材料生产技术到加工工艺技术，都无法作为成熟产品从市场上直接获得，在这种情况下，企业要想介入集成电路领域，唯一的途径就是自身掌握包括

13、产品设计、加工制造在内的全套技术，拥有半导体材料制备和生产设备，也就是我们通常所说的“全能企业”。美国的综合型电子企业最早开始投资集成电路产业，如德州仪器、仙童、Motorola、IBM、DECD等。这些美国公司参与到集成电路产业中主要是为自身制造的电子整机产品（电子设备、通信设备、家用电器等）服务的，以此增加其整机产品的附加值，提升产品的质量和功能，降低生产成本，争夺市场。当时的电路产品主要是双极器件电路和简单功能的MOS电路，用于替代成本较高的晶体管器件。事实上，包括美国、日本的早期集成电路企业都是依附于大型企业集团的，在本集团战略思想的统一指导，从事产品的设计与生产，而产业内的组织结构也

14、主要表现为水平整合，即综合型IDM，集整机产品和集成电路的设计、制造、封装和测试等生产过程于一身。材料、设备业的分离随着工业技术的提升和市场规模的扩大，专业化分工的优点日益体现出来，于是，产品形态明晰的设备业、材料业最先从这些“全能企业”中分离出来，作为独立的行业发展起来。这样，整个产业系统就分化成为集成电路业、设备业和材料业三个细分子产业。在这种大背景下，应用材料公司于1967年在美国成立，现已成为世界最大的半导体设备厂商。材料、设备制造业从集成电路产业中分离的较早，加之开发技术难度大，属于基础科学类，开发费用高，因此，进入门槛高。到目前为止，半导体设备制造被应用材料、日本东京电子、荷兰AS

15、ML等美国、日本、欧盟三家企业垄断。同样的情况也发生在材料业，美国、日本、欧盟掌握着控制权。封装、测试业的分离二十世纪70年代，集成电路产业结构发生了一次重大调整，那就是，封装、测试业逐渐从整个产业中分离出来，作为一个独立的产业发展。这一阶段，后道封装、测试技术己基本上物化到了设备仪器技术和原材料技术之中。也就是说，集成电路的后道封装具有较高技术的部分已集中体现在设备仪器技术和原材料技术之中。后道封装、测试生产工序实际上己经转化为劳动密集型工作，而发展中国家劳动力成本低廉，在发展劳动密集型产业上具有发达国家难以达到的成本优势。因此，这一时期，发达国家开始将封装转移到本土以外的其他地区生产，单独

16、的封装测试业开始出现。到了20世界70年代末，美国的绝大多数集成电路制造公司为了降低其部分生产成本，开始将纵向生产链中技术含量最低的封装、测试工序大量移向海外，主要是马来西亚、菲律宾、韩国和中国台湾地区。恰巧这些地区的政府或当局也正将集成电路作为本地区的支柱产业发展。目前，台湾企业在全球封装测试产业中所占的比重最大，全球前5大封测厂家已占3席，不仅是收入，盈利表现也相当好，先进封装和测试的专业厂商几乎全部集中在台湾。设计业的分离二十世纪七十年代，集成电路设计是通过直接画版图完成的，当时只能设计到几百门的复杂度，设计技术主要与特定的技术人员联系在一起；八十年代Daisy公司首先实现了计算机辅助工

17、程(CAE)，使得工程师可以通过画逻辑图、自动布局布线的方式完成设计，CAE不仅使设计水平由原有的几百门迅速上升到一万门左右的水平，而且，自动布局布线降低了对设计人员的技术要求，集成电路设计技术开始部分物化到设计工具中。随着EDA工具（电子设计自动化工具）的发展，PCB设计方法引入IC设计之中，如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等，设计开始进入抽象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在，为集成电路的扩大应用奠定了基础。随着微处理器和PC机的广泛应用和普及（特别是在通信、工业控制、消费电子等领域），IC产业已开始进入以客户为导向的阶段，产品的差异化不断加大，这些使得集成电路产业从一个标准产

18、品（如DRAM、标准逻辑电路等）竞争时代进入到一个定制产品的时代，因此大量专门从事集成电路设计公司出现。于是，集成电路产业组织状况发生了新的变化，在集成电路产业内明显出现了垂直分工和产业集聚的现象。自1982年世界上第一家专业化的集成电路设计公司美国LSILogic公司成立以来，集成电路设计公司便以其经营模式灵活、注重创新设计和与应用市场结合紧密而实现了超常发展。2006年世界IC设计公司收益较2005年增长34%，远高于整个半导体行业8.9%的增长率，占半导体工业总体收益的20%。在这期间，由于制造工艺水平的提高，对生产线投入的资金要求越来越大，多数IDM中小企业已无力承担这些费用所带来的经

19、营风险，高额的建线费用也限制了许多试图进入IC业的人，于是只专注于芯片制造的代工企业（Foundry）出现了。1987年，全球第一家集成电路制造专业代工服务公司台积电（TSMC）成立。时至今日，身为业界专业代工模式创始者的台积电已成为全球规模最大的专业集成电路制造公司，提供业界最先进的工艺技术及拥有专业晶圆制造服务领域最完备的组件数据库、知识产权、设计工具及设计流程。在半导体代工阵营中，TSMC、联电（UMC）、中芯国际（SMIC）、特许（Chartered）属于前四大企业，占据着绝大部分代工市场，而以X-Fab、Jazz Semiconductor为代表的企业以提供特殊Foundry服务（如

20、RF、Analog）而拥有自己的一席之地。大量无生产线的IC设计公司的出现，为专业代工厂的发展提供了巨大的发展空间；反之，代工厂的出现也降低了设计公司进入IC领域的门槛，大量的设计企业也随着诞生。无生产线的IC设计公司（Fabless）与IC代工制造公司（Foundry）相配合的方式成为集成电路产业发展的重要模式。从下图可以看到，Fabless公司在11年间公司数量增加4倍，营业收入增长40倍，年均增长率达22%，远高于全行业8%的速度和IDM 7%的速度。综合型IDM向专业型半导体企业的转变专业型IDM公司，即专门从事半导体产业设计、制造、封装测试，基本上不从事整机业务的公司。这种形式起始于

21、上世纪60年代后期的美国，比如Intel、AMD、Zilog等若干公司。1987年，综合电子企业法国汤姆逊公司的半导体部门分离出来与意大利半导体公司合并为STM半导体公司。专业型IDM公司相对于综合型IDM公司的高效运作具有典型的示范意义。二十世纪90年代后期，随着Internet的普及，IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段，国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争，“快鱼吃慢鱼”的现象十分醒目。2000年前后几年，Motorola、Siemens、Philip等欧美综合型IDM公司迫于竞争压力，将半导体业务单独剥离出来，分别成立了Freescale、Infineon、N

22、XP等专业型IDM公司。日本的综合电子企业NEC、日立（也是综合型IDM公司）剥离其存储器部门成立存储器大厂Elpida，后三菱公司也加入，日立、三菱的非存储器业务部门又分离出来联合成立瑞萨半导体公司，成为业界相当瞩目的现象。综合型IDM厂商转型为专业型IDM厂商最为典型的是Motorola。其2003年时共拥有各类半导体厂共39个。经过关闭，兼并及重组，最后仅存下8家盈利最高的工厂，在天津花费了18亿美元建成的MOS 17工厂在维持试运行3年后，最终以股权转让方式，售予中芯国际。其2004年结构重组后，新公司飞思卡尔一年之内即迅速上市，并实现扭亏为盈。从上述情况还可以看到，专业型IDM公司在

23、产品种类的问题上采取了更加“专注”的策略。事实上，早在1985年，美国以Intel为代表，为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁，主动放弃DRAM市场，大搞CPU和逻辑电路，作了重大结构调整，又重新夺回了世界半导体霸主地位。后来，同样的情况也发生在AMD身上，为了更具竞争力，2003年AMD剥离了存储器业务，集中精力从事CPU业务，而其存储器业务与富士通合资成立了Spansion闪存公司，由Spansion独立发展存储器业务。图4集成电路产业结构演化路线资料来源：赛迪顾问整理在产业发展过程中人们认识到，跨越太长产业链的集成电路公司体系并不一定有利于企业发展，“细分”才能精，“联合”才成优势，不少综

24、合型IDM公司，特别是美国欧洲企业，纷纷改制成为专业型IDM公司。综上所述，集成电路产业从诞生至今的50年中，随着技术和市场的不断变化，经历了多次结构调整之后，已经逐渐由原来“大而全”形式的产业演化成目前“专而精”的多个细分子产业。在IDM公司继续发挥重大作用的基础上，IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面。即使在设计业自己内部慢慢地也出现了细分，如专门从事提供IP的设计服务公司，及第三方设计公司；制造业内部分为IDM制造与专业代工制造企业两种形式。正是这些具有不同特征的细分子产业间相互作用、相互推动、相互制约，越来越影响着整个集成电路产业

25、体系的发展。近年来，全球IC产业的发展也越来越显示出产业链细分和模式多元化的活力。近期的产业发展模式变化新环境下的新模式IDM模式向Fab-lite模式转移在全球代工业刚兴起时，由于工艺技术水平落后两代以上，所以IDM厂商利用Foundry厂商的部分产能，最初的目的在于平衡淡季与旺季，使自身制造线产能利用率保持在高位。当产业分工向专业化、细分化发展时，产业链向附加值更高端发展已成为必然趋势，半导体产业也必须遵循此法则。另外非常重要的方面由于Foundry厂商在立足脚跟后加大了研发投入，工艺技术水平大幅提高，使得IDM和Foundry之间的工艺差距越来越小，直至处于同一水平。另外，当半导体工业逐

26、渐逼近摩尔定律极限，工艺技术由65纳米向45纳米转移时，工艺研发费用、建厂费用等呈火箭状上升，致使单一公司很难单独承担。所以国际IDM大厂纷纷向Fab-lite转移，寻求代工厂商外协合作，共同开发新工艺，或委托代工企业开发新技术。实际上，多层次的垂直分工也有利于Fablite策略的发展，集成电路厂商将专注于市场提供更具有设计差异化（Design Differentiation）的产品。从IDM大厂直接向Fab-lite过渡，最为典型的是全球第三大芯片制造商德州仪器，德州仪器采取了Fab-lite的策略，就是为了在未来的产品开发中投入更多的技术力量来实现产品设计的差异化，把重心放在增加更多的附加

27、价值上。目前向Fab-lite策略发展动作较大的公司包括TI、Atmel、NEC、Agilent、Cypress、Sony和Sanyo等。有消息称意法半导体将在未来的两、三年关闭三座晶圆厂，调整策略。就在国际IDM大厂纷纷采取“Fab-lite”策略的同时，为了进一步规避高阶制程研发风险，纷纷寻找代工外协与建立技术联盟。2007年1月，从Philips半导体剥离出出来的NXP宣布退出Crolles 2联盟的开发，转而依靠与TSMC(台积电)的合作来推进工艺开发；集设计、制造一体化的制造商(IDM)TI也改变了初衷，宣布到45nm时，将与联电、台积电(TSMC)公司联手Freescale半导体公

28、司，合作推进32纳米技术的研发进程；而特许半导体、Freescale以及IBM公司联盟起来，共同致力于32纳米CMOS技术的研发。为了避免对代工厂的依赖性，国际IDM大厂在选择代工厂商外协的时候，并不是选择单一的合作伙伴，而是选择两家以上，如TI与主要代工厂商都有合作。赛迪顾问相信，随着进入65纳米以下制程技术的开发费用与设备成本太过昂贵，更多的国际大厂将采用与代工企业共同开发的道路。表1国际IDM大厂寻求代工厂商协作案例纯代工厂/IDM合作伙伴IDM/代工技术联盟台积电TI、NXP、Freescale、ST、SpansionCrolles2NXP、Freescale、ST、TSMC联电TI，

29、FreescaleIBM的fab clubAMD，Freescale，sony，特许，三星，东芝特许TI，Freescale，AMD，Infineon日本的fab club1日立，瑞萨，东芝中芯国际TI，Elpida，Qimonda日本的fab club2东芝，Sony，NEC合作创新是发展之路市场经济本来是排它性的，总是千方百计将竞争对手压下去，以期求得最大的利润回报。然而，目前半导体企业相互合作的现象比比皆是，尤其在向摩尔定律进军过程中的研发阶段。原因十分清楚，因为处在全球一流阵容中的半导体企业，不能有丝毫停顿，或者暂时减缓的思维，否则将迅速掉队。众所周知，从工艺制程65纳米以下，其工艺研

30、发和IC产品研发费用似火箭式上升，要依靠单个公司来承担是十分困难，唯一方法走合作开发，共担风险的道路。如开发45纳米制程，其工艺研发需要投人24亿美元，单个产品的设计成本高达2000至5000万美元，一套掩模的费用达900万美元；再往前到32纳米制程时，其各项费用迅速高耸，所以要依靠单个公司来承担是十分困难，唯一方法走合作，共担风险的道路。目前合作研发费用共担，共担风险共享成果己成趋势，除英特尔比较独立行事外，纷纷组织研发联盟，如IBM与三星、AMD及特许的联盟；TI与TSMC的合作；NXP与TSMC的合作；以及台湾力晶与茂德分别与Elpida及Renesas合作等。表2设计、制造与研发费用45nm节点32nm节点建厂费用30亿美元50-100亿美元工艺研发24亿美元30亿美元设计费用2-5千万美元$7.5千万美元掩膜费用9百万美元NA数据来源：EETimes.VLSI.2007 AprilMegafab道路Megafab，超级工厂，虽无确切的定义，但是业界共识，12英寸工厂，月产能在10至15万片及投资金额在70至80亿美元的均被称作是超级工厂。推动建超级Fab的原因，首先是成本效应，因为Fab的产能大至15