【我們為什麼挑選這篇文章】IC 產業是拖動台灣經濟前進的重要領域,不過就連本科生可能都很難明確地描繪出現在世界 IC 產業的關係圖。更別說分層分級的敘述 Intel、高通、台積電、三星 …… 有什麼不一樣與不同擅長的領域。作者非常認真,從文章到圖片都非常有條理,況且他都保證了「這將會是你最容易看懂的 IC 產業介紹之一」,非常值得一讀!(責任編輯:陳君毅)

文、圖:寫點科普,請給指教StockFeel 股感,來自生活

我敢保證,這將會是你最容易看懂的 IC 產業介紹之一。

先前,我們講完了晶圓代工爭霸戰的故事,看台積電、三星、Intel 等廠商間的競爭優勢 ……

等等!但我們只講了晶片的代工製造過程,還是沒說到底 IC 晶片是怎麼被設計出來的呀?況且製造完,後又是誰要負責賣這些晶片呢?

換個說法,這或許也該解讀成、那到底是誰委託晶圓代工廠代工做這些晶片呢?

聽說 …… Intel 的經營模式屬於 IDM 廠商、高通和發哥叫 Fabless,而他們兩種模式都會賣 IC 晶片?但台積電不賣晶片?這些 IC 產業新聞一天到晚出現的專業術語到底是什麼意思呢?

藉由理解這幾家廠商不同的定位與利基點,我們將能進一步瞭然這些廠商彼此間的競合策略。

所以在我們開始進入《IC 設計》專題之前,在本篇先為大家做個小概覽,讓讀者能夠完全理解 IC 產業會用到的專業名詞和產業鏈關係。

IC 的中文叫「積體電路」,在電子學中是把電路(包括半導體裝置、元件)小型化、並製造在半導體晶圓表面上。所以半導體只是製作 IC 的原料。

因為是將電路縮小化,你也可以叫它「微電路 (microcircuit)」、「微晶片 (microchip)」、「晶片 (chip)」。也就是說,台灣媒體常稱的半導體產業鏈,正確一點來說應該叫 IC 產業鏈,包括「IC 設計」、「IC 製造」、「IC 封裝」。

因為在 IC 設計和封裝的環節,都不會碰到半導體啊!重點是那顆 IC!

IC 設計的廠商包括發哥 (MTK)、聯詠、高通,也就是 PTT 鄉民常稱的豬屎屋 (Design House)。

IC 製造有台積電、三星、Intel;封裝則有日月光和矽品等廠商。

我們上一篇從頭到尾僅僅在介紹「半導體大廠」等晶圓代工廠在做的事,包括如何把電路縮小化、和晶圓代工的製程。

今天就讓我們回溯上游,看看 IC 設計大廠在做那些事呢?

什麼是 IC 設計廠?

晶片根據功能有很多種類,比如電腦的 CPU、手機的 CPU 等等。就連電子手錶、家電、遊戲機、汽車… 等電子產品中也有自己的 CPU 晶片

可以說 IC 晶片是當仁不讓的數位時代基石啊!

等等,你說你不清楚什麼是 CPU?CPU (Central Processing Unit) 又稱中央處理器、處理器,是驅動整台電腦運作的中心樞紐,就像是電腦的大腦;若沒有CPU,電腦就無法使用。

我們平常看到的電腦或手機介面只是「螢幕」,實際上真正運行的是 CPU 。它會執行完電腦的指令、以及處理電腦軟體中的資料後、再輸出到螢幕上面顯示出來。(手機就是一台小電腦)

IC 設計公司的營運重心,包括了晶片的「電路設計」與「晶片銷售」的部分。

比如高通設計完晶片電路、命名為「Snapdragon」後,再交由三星代工晶圓製造、再交由日月光代工封裝晶片與測試。

待成品完工後,再送回高通進行產品銷售,和小米或三星等手機廠商洽談新一代的手機機種、有哪些要使用 Snapdragon 晶片。

最後你身為消費者,就會看到小米推出紅米 Note 4X手機,搭載了高通 Snapdragon 625 晶片、或三星的 S8 搭載了 Snapdragon 835 晶片了。

台灣的 IC 設計的廠商包括了聯發科 (MTK, 發哥)、威盛、矽統。聯發科專門設計手機的通訊晶片,威盛、矽統則專攻電腦晶片組市場。

這些 IC 設計廠商由於沒有自己的晶圓廠,也被稱為 Fabless、或無廠半導體公司。這究竟是什麼意思呢?

還記得我們在《晶圓代工爭霸戰:半導體知識》一文中,提到的 IC 產業歷史嗎?

『早期,半導體公司多是從 IC 設計、製造、封裝、測試到銷售都一手包辦的整合元件製造商(Integrated Device Manufacturer, 俗稱 IDM)。

IDM 廠包含了如英特爾 (Intel)、德州儀器 (TI)、摩托羅拉(Motorola)、三星 (Samsung)、菲利普 (Philips)、東芝 (Toshiba),以及國內的華邦、旺宏。

然而,由於摩爾定律的關係,半導體晶片的設計和製作越來越複雜、花費越來越高,單獨一家半導體公司往往無法負擔從上游到下游的高額研發與製作費用。

因此到了 1980 年代末期,半導體產業逐漸走向專業分工的模式──有些公司專門設計、再交由其他公司做晶圓代工和封裝測試。

其中的重要里程碑,莫過於 1987 年台積電 (TSMC) 的成立。

由於一家公司只做設計、製程交給其他公司,容易令人擔心機密外洩的問題 (比如若高通和聯發科兩家彼此競爭的IC設計廠商若同時請台積電晶圓代工,等於台積電知道了兩家的秘密),故一開始台積電並不被市場看好。

然而,台積電本身沒有出售晶片、純粹做晶圓代工,更能替各家晶片商設立特殊的生產線,並嚴格保有客戶隱私,成功證明了專做晶圓代工是有利可圖的。』

──節錄自《晶圓代工爭霸戰:半導體》

因此,我們可以根據上面提到的歷史淵源與產業發展,將現有的半導體產業鏈的廠商分成幾種主要的模式:

1. IDM (整合元件製造商) 模式

(1) 領導廠商

>  Intel、德州儀器 (TI)、三星

(2) 特點

>  集晶片設計、製造、封裝、測試、銷售等多個產業鏈環節於一身。

>  早期多數晶片公司採用的模式。

>  需要雄厚的運營資本才能支撐此營運模式,故目前僅有極少數的企業能維持。比如:

三星雖有自己的晶圓廠、能製造自己設計的晶片,然而因建廠和維護產線的成本太高,故同時也為 Apple 的 iPhone、iPad 的處理器提供代工服務

近日 Intel 由於自身出產的行動處理器銷售不佳,也有轉向晶圓代工廠的趨勢。

(3) 優勢

> 能在設計、製造等環節達到最佳優化,充分發揮技術極限。

比如你就會看到 Intel 常常技術領先。

> 能有條件率先實驗並推行新型的半導體技術。

Intel 獨排眾議採用 Gate-Last 技術、鰭式場效電晶體 (FinFET),後才引起其他廠商爭相複製。

2. FOUNDRY (代工廠模式

(1) 領導廠商

> 台積電 (TSMC)、聯電、日月光、矽品

(2) 特點

> 只負責製造、封裝或測試的其中一個環節。

> 不負責晶片設計。

> 可以同時為多家設計公司提供服務,但受制於公司間的競爭關係。

比如產線若沒做到完全的獨立性,則有相當風險會外漏客戶的機密。

(3) 優勢

> 不承擔商品銷售、或電路設計缺陷的市場風險。

IC 設計商才是做品牌行銷、賣晶片產品的。

> 做代工,獲利相對穩定。

(4) 劣勢

> 仰賴實體資產,投資規模甚鉅、維持產線運作的費用高。

台積電對於 10 奈米級的投資金額約達台幣 7,000 億元,對 3奈米、5奈米等級的投資金額亦已達 5,000 億元、後續尚在增加中。可見得想做晶圓代工,沒有一定資本額玩不起。

進入門檻高。除了製程上的技術突破不稀奇,良率才是關鍵的 Know-how。

晶圓代工與 IC 設計的電路有關、不同的客戶有不同的電路結構,相當複雜。中國的中芯半導體做晶圓代工十幾年,良率還是不高、問題多多

一般能將良率維持在八成左右已經是非常困難的事情了,台積電與聯電的製程良率可以達到九成五以上,可見台灣晶圓代工的技術水平。

> 需要持續投入資本維持工藝水平,一旦落後、則追趕難度相當大。

想想聯電當初是如何因為技術投入方向錯誤和廠房大火,才輸台積電的 ……。

台積電和 Intel 現在在砸大錢力拼奈米製程、生怕輸給對方也是因為如此。

3. FABLESS (無廠 IC 設計商模式

(1) 領導廠商

> 高通(Qualcomm)、聯發科(MTK)、博通(Broadcom)

(2) 特點

> 只負責晶片的電路設計與銷售。

> 將生產、測試、封裝等環節外包。

(3) 優勢

> 無龐大實體資產,創始的投資規模小、進入門檻相對低,以中小企業為主。

台灣的 IC 設計廠商共約 250 家、其中有上市櫃的公司約 80 家,數量眾多。中國當地小型 IC 設計廠超過 800 間。

> 企業運行費用低,轉型靈活。

(4) 劣勢

> 與 IDM 企業相比,較無法做到完善的上下游工藝整合、較高難度的領先設計。

代工廠會將製作完成的晶片送回 IC 設計公司、繼續進行測試與分析。

若與預期不符,則 IC 設計公司得再修改電路設計圖,接著修改光罩圖形、製作新的光罩與晶片,再送回來測試。如此反覆進行至少三次以上,才能量產上市。

有鑑於晶圓代工廠和 IC 設計公司兩者須相當密切的合作,兩者間有強烈的產業群聚效應。

> 與 Foundry 相比,需要進行品牌塑造、市場調研,並承擔市場銷售的風險。一旦失誤可能萬劫不復。

聯發科原先的主力市場為中國的中低階白牌手機廠。雖在 2016 年推出高階晶片 Helio X25 力圖轉型,然而卻幾無客戶採用。

原有的市場又被高通推出的中低階晶片 Snapdragon 625/626 搶市,價格戰打得相當辛苦。

聯發科的去年 (2016) 獲利僅 240.31 億元,創近四年來的最低數字。今年三月,聯發科了延攬「擅長數字管理」的前中華電信董事長蔡力行擔任共同執行長,準備實行開支撙節和裁員 (Cost Down)

但你以為 IC 設計公司只要直接設計出 IC 就行了嗎?當然,他們會需要一些工具、與協作廠商的輔助。

現在的晶片開發,可能是由分布在全球的一百多人團隊、合作至少六個月,最後寫下共約數百萬行的 Spec。這麼龐大的工程,一定會有其他的輔助廠商或工具商。但這又有誰呢?包括了:

(1) 「矽智財提供商」─ ARM:

>  純出售智慧財產權(IP),又稱矽智財(SIP),包括了電路設計架構、或已驗證好的晶片功能單元。

比如希望晶片上能有一個浮點運算功能時,可以不用自己花時間從頭開發、向矽智財公司購買一個已經寫好的功能即可。

(2) 「EDA 工具廠商」─ CADENCE與新思科技:

> IC 設計工程師會先利用程式碼規劃晶片功能;而 EDA 工具能讓程式碼再轉成實際的電路圖。

(3) 「設計服務公司」─智原科技、巨有科技、創意電子、芯原微電子:

> 又稱為「沒有晶片的公司」 (Chipless),沒有晶圓廠、也沒有自己晶片產品;為 IC 設計公司提供部分流程的代工服務。

許多人數不足的小型 IC 設計廠商會將設計的某些環節委外,使得人力與成本的調整彈性也較高。

所以這又衍生出了第四種服務模式:

4. DESIGN SERVICE (晶片設計服務提供商) 模式

(1) 領導廠商

> ARM、Imagination、Synopsys (新思科技)、Cadence

(2) 特點

> 不設計和銷售晶片。

> 為晶片設計公司提供相應的工具、完整功能單元、電路設計架構與諮詢服務。

> 由於沒有實體產品、而是販賣智慧財產權「設計圖」,又稱矽智財(SIP)。

(3) 優勢

> 無龐大實體資產。公司規模較小、資金需求不高,但對於技術的要求非常高。

> 不必負擔產品銷售的市場風險。

(4) 劣勢

> 市場規模較小且容易形成壟斷,後進者難以打入。

目前全球的 CPU 架構,以 Intel 的 X86 架構和 ARM 的 ARM 架構為兩大要角。

前者多用於 PC 和伺服器上,後者則幾乎壟斷了所有的行動通訊晶片、市佔率高達 95% 的智慧型手機。

後續的 IC 設計和製程的部分都必須根據該 CPU 架構量身打造。既然整個產業鏈是圍繞在這個架構上去製造晶片,則易形成壟斷。

> 技術門檻較高、累積技術的時間較長。

根據上面的介紹後,我們已經大致上對 IC 從最上游的設計、到最下游的消費者販售的整個產業鏈流程,有一個全盤的掌握了!

為大家簡單畫個示意圖:

有了這樣的產業鏈認知後,就可以瞭解到各廠商間的競合策略為什麼這麼制定,並藉此來討論一些有意思的產業消息啦!(可以把上面提過的資訊一一代入來進行分析,並搭配之前的晶圓代工戰爭系列的知識服用)

舉個例子好了,比如說 Intel 現在的處境

本來是自己設計、製造、銷售,一手包辦上中下游所有流程,同時幾乎壟斷處理器市場的 Intel ,由於在 PC 往行動裝置的轉型速度甚緩,導致現在的行動處理器市場幾乎被「ARM+高通」、也就是「ARM的電路架構加上高通設計的 Snapdragon 系列晶片」的模式壟斷。

(我們在本文前半部分的 Foundry 介紹提到過)晶圓代工廠的斥資和實體廠房龐大,為了不讓原先龐大的產線與產能閒置,現在的 Intel 正在積極搶攻 ARM 晶片的晶圓代工業務、與台積電搶攻 10 奈米製程。

對於代工廠來說,需要持續投入資本維持工藝水平。若能即早上市,則代表當時的市場尚無競爭者、可在一時之間壟斷市場。待競爭對手上市後、再用降價的方式逼迫對手出局,同時發布更新一代的技術。

故若代工廠的技術一旦落後、後續要追趕上競爭者的難度會相當大。當初台積電和聯電之所以拉開差距,便是如此情形。

因此 Intel 和台積電可以說是磨拳霍霍;尤其 Intel 還有晶片銷售等業務,但台積電的本業是完全地仰賴代工,可知此時正是危急存亡之秋。

目前台積電預定今年第二季發布 10 奈米製程、英特爾則要等到今年第四季。然而目前外界仍看好 Intel 的技術更甚台積電一籌。

(我們在本文前半部分的 IDM 介紹提到過)由於 IDM 廠能從上游設計到下游製造的過程中緊密協同合作,使其能在設計、製造等環節達到最佳優化,充分發揮技術極限。也能提早測試並推行最新型的技術。

因此你可以看到 Intel 常常技術領先,包括了當初的 Gate-Last 戰爭。知名科技網站 VentureBeat 便指稱, 根據電晶體的數量和密度看來,Intel的 10 奈米技術是超越台積電的。

(補充一下我們在《晶圓代工爭霸戰:台積電VS三星》的一文中提到的,大家原先都老老實實的用統一標準命名,直到 FinFET 製程上的命名慣例被三星打破,廠商們開始灌水行銷。

事實上,三星的 14 奈米和台積電的 16 奈米在 Intel 的標準之下,都只有在Intel 20 奈米製程而已…)

看起來好像 Intel 勝券在握?不過事實上,技術在市場上並不是唯一的競爭考量。

台積電之所以能成功,是因為保密方案做的很到家──高通和聯發科假若同時都交給台積電代工,台積電會開獨立產線、讓兩方的設計資訊在生產過程中隔開來,讓客戶不用擔心其商業機密被盜取。

Intel 販賣自己的處理器,和高通等同樣是販賣自己的處理器的 IC 設計大廠,彼此間存在的是相互競爭的關係。因此對於高通來說,就算製程技術有差、找台積電代工的風險仍小於找 Intel。

鹿死誰手,尚未可知。且讓我們靜靜觀戰吧。

我們今天介紹了 IC 產業鏈中, IDM、Foundry、Fabless 與 Design Service 四種模式的企業,並根據這些企業的優勢和劣勢,來推測其在市場上的競爭策略。希望您今天已對各廠商間的競合關係有個大略上的瞭解。

接下來,我們將開啟《IC 設計爭霸》系列的第一篇文,談談 Intel 如今的窘境,是如何與矽智財 ARM 這家公司脫不了關係。

該篇文章後,將繼續討論 IC 設計的具體流程、和廠商在之中扮演的關係。就讓我們在接下來的日子中繼續動動腦筋吧!

(本文由 寫點科普,請給指教 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為:《一看就懂的 IC 產業結構與競爭關係》,文中圖片由:寫點科普,請給指教StockFeel 股感,來自生活 共同製作)

——

延伸閱讀

【晶圓雙雄爭霸】放話兩年幹掉台積電,一把火燒毀聯電稱霸晶圓代工的夢
為何數十年前的台灣是國際上的科技龍頭,現在卻得面臨慘澹代工命運?
台灣如何從低價代工轉型成 IP 大國?《富比世》作者點出連台灣人都不知道的創新優勢