半导体制造业的发展趋势

半导体制造业的发展趋势半导体是所有电子装置的基础。制造工艺和材料的发展推动了电路密度的提高，从而使芯片速度更高、面积更小、成本更低。今天，整块半导体可能不到第一枚硅晶体管的1/5。2000年8月推出的英特尔奔4处理器含4200万个晶体管，Nvidia的GeForceFX图形处理器有1.25亿个晶体管，比20世纪70年代初英特尔的第一个处理器进步了一大块，当时的4004大约含2300个晶体管。半导体加工工艺由许多复杂工序组成。半导体公司拥有各个领域的专家，包括冶金学家、化学家、物理学家和工程师。整个工艺一般为1～3个月，涉及晶片加工和测试，芯片封装以及最终测试。鉴于研制周期和批量加工性质，成本一般取决于每批启动的晶片数量和产品加工的成品率。除了工艺技术外，半导体制造中的其他关键因素包括晶片尺寸和线宽。线宽越小，速度越快。每一块晶片要容纳无数个半导体芯片。许多新的加工厂目前都采用8英寸晶片，但行业发展趋势是12英寸或300毫米晶片。据SEMI分析，半导体行业大约需要30～40个生产300毫米晶片的工厂。尽管向12英寸晶片发展要求巨额设备投资，但这将有助于降低成本，因为300毫米晶片容量一般是200毫米晶片的2.5倍。2001年3月，英特尔推出了其第一个全功能300毫米晶片，采用0.13微米技术。每一块晶片上的芯片增加240%，每一个芯片成本下降30%、水电成本下降40%。（一）设计和加工半导体的设计越来越复杂，每块电路的设计工作量不断增加。芯片设计采用自动化工具如CAD程序和EDA（电子设计自动化）。芯片的大部分功能和成本在设计阶段决定。设计能力曾阻碍了半导体的发展，但目前最终设计的测试能力成为主要瓶颈。应对这一危机的领先EDA工具销售商包括CadenceDesighSystems、Synopsys和Mentor。作为一般规律，设计对资本要求不高，但需要大量人才，而制造要求大量资本，但不要太多人才。晶片加工工艺极其复杂，设备和工具投资要几十亿美元。因此进入壁垒很高。领先晶片加工商包括英特尔、东芝、日立、三星、Micron以及纯委托加工厂如中国台湾的TSMC和UMC。晶片加工前道工序包括取向生长、光致抗蚀和光刻工艺、酸蚀、脱模、离子植入/扩散、CMP等。由于线宽越来越小，需要专门的激光装置进行深度紫外线（DUV）光蚀。此外，掩模的价格也越来越高。TSMC称，2002年1月用于0.13微米设计的空白光掩模每套成本大约为65万美元。用于0.10微米设计的掩模大约每套为150万～200万美元。后道工序包括测试、组装和封装。随着先进的封装技术如在GHz范围内有2000多个插脚和输入输出的倒装BGA的出现，封装设计成为一大问题。SynopsysVP的一位资深人员指出，有可能出现“10美元的芯片，50美元封装”的情况。此外，随着半导体产品的复杂性不断提高，日益上升的测试成本成为行业的一大忧虑。有人提出，今后10年测试成本将超过加工成本。LSTLogic认为不会发生这种情况，因为半导体行业将开始用测试器进行测试，并将其放在芯片上。作为自然发展，行业一体化瓦解，封装功能更多地向远东低成本地区外包。领先IC封装公司包括AmkorTechnology、STAssembly、ASETest以及ChipPAC。封装业务是低附加值的，其单位价格和利润都低于半导体制造业的其他领域。（二）技术发展趋势随着产品生命周期和收益高峰期的缩短，投放市场的时间成为市场制胜的关键因素。具有先发优势的企业不仅在市场上的时间更长，而且有更大的能力来影响标准，获得关键的设计地位和合作主动权。为了满足OEM的要求，目前半导体制造业的主要技术趋势为：1.晶片尺寸更大半导体工业正在向300毫米（12英寸）的晶片转换。尽管最近两年行业设备投资大大下降，但仅有的设备投资可能都投入了300毫米晶片厂的建设。摩托罗拉半导体产品部称，目前全球计划中的300毫米晶片厂大约有30个。2．线宽更小1989年推出的英特尔486处理器采用1微米工艺技术。目前领先半导体工艺平均为0.15和0.13微米。为实现这样的过渡，在R&D和新制造工具上要投入几十亿美元。目前已经在开发0.07微米（70纳米）技术，英特尔计划最早在2003年初展示其0.09微米工艺技术。在接近摩尔定律极限的同时，科学家们正在研究分子晶体管的可能性。制造商通过缩小线宽缩短电流流经的距离，提高芯片速度，降低功耗和散热。3.新材料大部分半导体采用硅，随着速度要求的提高，许多新材料得到应用，其中包括常用的GaAs、SiGe、InPh，还有一些不太常用的材料，如锑、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）。COMS可提供高水平的集成，在一定时期内仍将是最常用的工艺。特定应用如光学接口和功率放大器将采用新材料。目前，半导体中的大部分连接正逐步从铝向铜过渡，以提高芯片速度。SOI（SilicononInsulator）是另一种新技术，可改善芯片性能，降低成本。SOI在硅晶片上采用一层绝缘层，以降低漏电，可大大降低功耗。4.新的封装技术封装对于降低成本和功耗非常重要。芯片制造商继续通过封装技术创新使其产品微型化。封装的关键性能要求包括插脚数目、电路板空间密度的最大化，以及散热效果。有些技术如芯片比例封装（CSP），提供的封装仅为芯片尺寸的120%。由于提高速度通常意味着更容易发热，所以散热非常重要。5.技术要求范围扩大PC工业曾经主导了半导体的发展前景，所以微处理器设计实力和批量生产能力成为成功的关键。随着通信的发展，半导体工业涉及的技术范围更广，包括信号处理、模拟、功率管理和集成。混合信号技术（模拟和数字）和混合工艺技术（如将存储器和逻辑电路放在同一块芯片上）的实力也越来越重要凇５凸β室笠嗪苤匾乇鹗鞘只DA和笔记本电脑，这些产品的多媒体功能和彩色显示都要消耗大量的功率。6.模块方案模块方案可提高集成度，降低成本，缩短投放市场的时间。这种集成对手机和PDA等更为重要。但人们担心将更多系统放在一块芯片上（即单片系统SOC）的产品发展，将对分立半导体形成压力。现在将过去一般采用的4个半导体都塞入一块芯片，但这并不能产生4倍的收入。所以希望从新增应用中得到补偿。7.向标准产品转换目前的IC市场大部分涉及专用集成电路。尽管专用集成电路对于特定用途是最佳的，但其设计周期较长，固定成本较高。行业正向更加标准化和可编程的产品发展，以更快进入市场，提高灵活性。专用标准产品设计周期较短，可更快投入市场。2002年10月PMCSierra提出，多业务交换市场已经有60%采用专用标准产品。8.IC功能集成由于强调更小、更便宜、更快和更低功率，因此能否提供集成度更高的方案是IC供应商的主要区别。集成可以是水平的或垂直的。所谓水平集成，是提供更多的相同特性，从而提高密度。比如4个和8个端口的芯片。所谓垂直集成，是将独立功能组合成一个方案，例如集成成帧器和PHY。许多传统的独立PHY与FEC、网络处理器、地址处理器和交换结构集成在一起。因此，独立的PHY市场将缩小。（三）经营模式的调整1.垂直一体化瓦解竞争加剧、资本密集度的迅速提高以及其他生存方式的涌现，迫使一体化元器件制造商(IDM)逐步缩小核心业务。在过去几十年，IDM从完全一体化向更多的外包发展。2000年，摩托罗拉半导体部有27个前道和12个后道加工厂。到2003年年中该数字估计减少到10个：8个晶片加工厂和2个组装测试厂。这有助于摩托罗拉将年收益平衡点从72亿美元降到49亿美元。摩托罗拉在削减工厂的同时加快了外包，希望到2003年年底将50%的半导体生产外包。这种趋势孕育了独立的测试、封装、委托加工、设计公司。2.独立的纯委托加工厂和无工厂公司兴起目前的晶片加工厂大概要几十亿美元的投资。能够负担得起这种投资水平的企业不多，所以出现了无工厂半导体公司。无工厂公司利用其知识产权资本，而不需要巨额的制造投资。无工厂公司设计和推销产品，将制造留给委托加工厂。委托加工厂接受无工厂公司的“处方”或设计并提供制造服务。自1987年中国台湾的TSMC投产以来，几家亚洲委托加工厂的发展非常突出，包括TSMC、UMC和Chartered。它们的利润逐步提高，2002年TSMC成为最大的独立委托加工厂，跻身于十大半导体厂商行列。当然，有些IDM也提供委托加工服务。半导体公司的外包水平取决于涉及的工艺和技术。领先技术作为企业的竞争优势通常保留在公司内部。但外包趋势正在加速，Conexant、Agere、LSILogic和摩托罗拉等对委托加工厂的利用都在增加。无工厂公司还面临OEM内部设计团队的竞争，但由于设计下一代产品的负担很重，所以外包将更多。尽管无工厂公司的发展势头强劲，但无工厂公司仍然仅占晶片总需求的一小部分。据Semico研究公司的数据，2002年无工厂公司的晶片需求占晶片总需求的比例不足9%，1995年为4.5%。领先的无工厂公司包括Qualcomm、Xilinx、Nvidia等。2002年前十大无工厂IC供应商几乎增长20%，增长势头明显高于2002年持平的整个行业。表6前十大无工厂IC供应商单位：百万美元公司名称2002年销售额2001年销售额增长（±，%）Qualcomm1942139539Nvidia1915127550Xilinx11251149－2Broadcom108396213MediaTek85444791ViaTechnologies7291009－28Altera712839－15ATI64548034Conexant627646－3SanDisk49331756合计10125851919资料来源：ICInsights，2003年23.专业化的IP销售半导体设计的复杂性不断提高，为IP标准组件提供了市场。MIPS、ARMHoldings和VirageLogic等向一些公司发放其IP许可证，允许将其技术融入半导体元器件。估计ARM的CPU目前被嵌入70%以上的无线基带方案。无芯片公司如Rambus从IP许可获得大量的使用费。IP许可业务模式是R&D密集型4.合作由于巨大的资本要求和技术挑战加剧，企业正在探索新的风险分担方式。许多公司与技术设计公司、软件公司和过去的竞争者展开合作。如为了进军3G和因特网家电市场，AnalogDevices和英特尔共同开发一种称为Blackfin的数字信号处理(DSP)新结构。此外，Agere和摩托罗拉共同开发一种称为StarCore的DSP平台。摩托罗拉还就开发兼容的90纳米和65纳米工艺技术与飞利浦半导体和STMicroelectronics签署了5年协议。该协议还包括绝缘体硅（silicon－on－insulator）和磁阻存储器技术的研究。