浙大微电子

发展和变化中的集成电路产业浙江大学微电子与光电子研究所韩雁2008年3月15日2019/8/5浙大微电子（共68页）21.概述集成电路产业是一门充满创新和变数的产业–1958年第一块集成电路（IC）诞生，半个世纪的历程演绎了令人兴奋不已的快速进步。–IC产业既是一个令世人惊羡钟爱的产业，又是一个使人呕心沥血、欲罢不能、不断面对挑战的产业。–集成电路具有当今高技术产业的典型特点，它是中间产品，其应用可以产生十倍甚至于百倍的倍增效益，因此，世界在这一领域的竞争非常激烈。2019/8/5浙大微电子（共68页）3IC技术发展沿革：微米－亚微米－深亚微米－纳米集成电路的技术进步一般用微细加工精度和芯片的集成度来衡量。2007年：–65纳米CMOS工艺为主流的集成电路技术已进入大生产。–45纳米先导性生产线也开始投入运转。–CPU上的晶体管数已达到8亿只。集成电路产业作为典型的高技术产业，高投入、搞收益、高风险的特征更加突出。2019/8/5浙大微电子（共68页）4摩尔定律（1965年提出）GordonMoore－Intel名誉董事长•IC上可容纳的晶体管数目，每18个月(或24个月)便会增加一倍，性能也将提升一倍。•这一定律还意味着IC的成本每18个月(或24个月)降低一半。•集成电路自诞生以来，一直戏剧性地遵循着这一定律。这样的变化速度是其它产业的产品难于比拟的。•该定律成为电子信息产业对于其技术发展前景预测的基础。2019/8/5浙大微电子（共68页）5摩尔定律的演进数据来源：INTEL2019/8/5浙大微电子（共68页）6半导体产业发展历史大事记（I）第一只晶体管问世FairchildSemiconductors公司成立（仙童－飞索）第一块集成电路问世仙童（半导体工艺）和德州仪器公司（电路形式）共同推出了第一颗商用集成电路（双极型模拟电路）TTL逻辑电路问世（双极型数字电路）仙童公司推出第一块CMOS集成电路1英寸硅晶圆出现GordonMoore提出Moore’slaw（摩尔定律）专业半导体制造设备供应商—美国应用材料公司成立2019/8/5浙大微电子（共68页）7半导体产业发展历史大事记（I）1947第一只晶体管问世1957FairchildSemiconductors公司成立（仙童－飞索）1958第一块集成电路问世1961仙童（半导体工艺）和德州仪器公司（电路形式）共同推出了第一颗商用集成电路（双极型模拟电路）1962TTL逻辑电路问世（双极型数字电路）1963仙童公司推出第一块CMOS集成电路19641英寸硅晶圆出现1965GordonMoore提出Moore’slaw（摩尔定律）1967专业半导体制造设备供应商—美国应用材料公司成立2019/8/5浙大微电子（共68页）8Intel成立；NEC制作出日本第一颗IC商用的BiCMOS技术开发成功5英寸的硅晶圆出现8英寸硅晶圆开始使用；台湾台积电开创专业IC制造代工模式专业EDA工具开发商Cadence公司成立.12英寸硅晶圆出现中芯国际IC制造公司（SMIC）在中国大陆成立Intel建成首个12英寸生产线半导体产业发展历史大事记(II)2019/8/5浙大微电子（共68页）91968Intel成立；NEC制作出日本第一颗IC1973商用的BiCMOS技术开发成功19795英寸的硅晶圆出现19858英寸硅晶圆开始使用；1987台湾台积电开创专业IC制造代工模式1988专业EDA工具开发商Cadence公司成立.199612英寸硅晶圆出现2000中芯国际IC制造公司（SMIC）在中国大陆成立2002Intel建成首个12英寸生产线半导体产业发展历史大事记(II)2019/8/5浙大微电子（共68页）10硅含量半导体价值在电子产品价值中所占的百分比196519751985199520052010电子产品中的硅含量2％6％7％21％23％硅片直径（mm）502”1004”1506”2008”30012”半导体产值（亿美元）15402501440227430562019/8/5浙大微电子（共68页）11硅周期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”2019/8/5浙大微电子（共68页）12世界硅周期曲线数据来源：MorganStandley2019/8/5浙大微电子（共68页）13硅周期存在的原因供求关系的变化是硅周期存在的主要原因–行业发展过快、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。–集成电路的发展不仅对电子设备有强烈的影响和渗透，而且反过来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。2019/8/5浙大微电子（共68页）141985-2007年全球半导体产业销售收入规模增长情况数据来源：WSTS2019/8/5浙大微电子（共68页）151986-2007年全球半导体产业销售收入增长率变动情况数据来源：WSTS2019/8/5浙大微电子（共68页）162007年全球半导体厂商Top20排名厂商销售额百万美元排名厂商销售额百万美元1Intel（美）3397311AMD（美）57922Samsung（韩）2013712Qualcomm（美）56033Toshiba（日）1259013NEC（日）55554TI（美）1217214Freescale（美）53495ST（欧）999115Micron（美）49436Hynix（韩）961416Qimonda（欧）41867Renesas日）813717Matsushita（日）39468Sony（日）804018Elpida（日）38369NXP（欧）603819Broadcom（美）373110Infineon（欧）586420Sharp（日）3584数据来源：iSuppli美国7家，日本7家，欧洲4家，亚太2家2019/8/5浙大微电子（共68页）17微电子、IC、半导体三者关系•微电子－学科名称•对应的产业－集成电路(IC)产业•外延包括－整个半导体产业半导体产业的主要产品分为四大类：集成电路，分立器件，光电器件、传感器05-07年全球半导体产品销售比例200520062007集成电路IC84.8％84.5％85.4％分立器件Disc.7.1％6.7％6.4％光电器件Opto.6.1％6.6％6.3%传感器Sensors2.0％2.2％1.9％2019/8/5浙大微电子（共68页）18按公司总部所在地划分的全球IC销量数据来源：iSuppli2019/8/5浙大微电子（共68页）19世贸规则的影响•世贸规则约束着WTO缔约方的经贸活动•反倾销规则–对每一外国的产品销售到本国的比例进行限制•原产地规则–以扩散工艺所在地为该IC产品的原产地•《半导体芯片保护法》–对集成电路布图提供特别的权力保护2019/8/5浙大微电子（共68页）202.集成电路产业结构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。为了适应激烈的竞争、实现最大价值的内在要求，产业结构发生了很大的变化：–最初以“全能型”企业为主体–现在为垂直分工越来越清晰的“专业型”企业为主体2019/8/5浙大微电子（共68页）21集成电路产业链整机生产IC设计设计工具软件开发IC制造材料制备IC封装设备制造IC测试2019/8/5浙大微电子（共68页）22早期的集成电路产业结构早期的IC产业以全能型企业为主，称为IDM:集整机产品和IC设计、制造、封装和测试等生产全过程于一身。最早开始投资IC产业的IDM多为美国电子企业德州仪器、仙童、Motorola、IBM、DECD等这些公司投资IC产业主要为自身整机产品服务提升产品质量，降低成本，争夺市场2019/8/5浙大微电子（共68页）23材料、设备业分离后的集成电路产业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。•整个产业系统分化为集成电路业、半导体设备业和半导体材料业三个子产业。•材料、设备业开发技术难度大，属于基础科学类，开发费用高，因此进入门槛高。•半导体设备制造业被应用材料、日本东京电子、荷兰ASML三家企业垄断。•国内材料业公司有：有研院、海纳、新傲等。2019/8/5浙大微电子（共68页）24材料、设备业分离后的IC产业链整机生产IC设计设计工具软件开发IC制造材料制备IC封装设备制造IC测试2019/8/5浙大微电子（共68页）25封装、测试业分离后的集成电路产业二十世纪70年代，封装、测试业逐渐从整个产业中分离出来。•封装、测试（后道）技术已物化到了设备技术和原材料技术之中。•剩下的生产工序转化为劳动力密集型工作。•发达国家将封装测试转移到本土以外的其他地区–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大封测厂占3席）2019/8/5浙大微电子（共68页）26封装、测试业分离后的IC产业链整机生产IC设计设计工具软件开发IC制造材料制备IC封装设备制造IC测试2019/8/5浙大微电子（共68页）27设计业分离后的集成电路产业•八十年代Daisy公司首先实现了计算机辅助工程技术（CAE）集成电路设计技术开始部分物化到设计工具中。•随着EDA工具的发展，库的概念、工艺模型参数及其仿真概念的引入IC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。•随着PC机的广泛应用，IC产业已进入以客户为导向的阶段，集成电路产业从一个标准产品竞争时代进入到一个用户定制产品的时代。专门从事IC设计的公司开始大量出现。•1982年世界上第一家专业的IC设计公司―美国LSILogic公司成立。•处于产业链前端的设计业被认为地位最稳固并可控制整个产业链。•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%。2019/8/5浙大微电子（共68页）281994-2005年集成电路设计公司数量与收入变化情况数据来源：FSACAGR－年均增长率2019/8/5浙大微电子（共68页）29设计业分离后的IC产业链整机生产IC设计设计工具软件开发IC制造材料制备IC封装设备制造IC测试2019/8/5浙大微电子（共68页）30加工业分离后的集成电路产业•制造工艺水平的不断提高，对生产线的投入越来越大，多数IDM无力承担如此之高的费用。于是只专注于芯片制造的代工企业出现了。–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。–半导体代工阵营中的前四大企业为：台积电（TSMC）、联电(UMC)、中芯国际(SMIC)、特许(Chartered)–以X-Fab、JazzSemiconductor为代表的企业以提供特殊Foundry服务(RF、Analog)而拥有自己的一席之地。•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IC产业发展的重要模式。2019/8/5浙大微电子（共68页）31加工业分离后的IC产业链整机生产IC设计设计工具软件开发IC制造材料制备IC封装设备制造IC测试2019/8/5浙大微电子（共68页）32整机业务分离后的集成电路产业“IDM公司”从”综合型IDM公司”中剥离出来专门从事半导体产业的设计、制造、封装测试，不从事整机业务。专业型IDM公司具有更高的运作效率。–Motorola、Siemens、Philip等欧美综合型IDM公司将半导体业务单独剥离出来，分别成立了Freescale、Infineon、NXP等专业型IDM公司。–日本的综合电子企业NEC和日立公司，剥离其存储器部门联合成立存储器大厂Elpida。–日立、三菱的非存储器部门又分离出来联合成立瑞萨半导体公司这些都成为2000年后半导体业界相当瞩目的现象。2019/8/5浙大微电子（共68页）33集成电路产业结构演化路线2019/8/5浙大微电子（共68页）34产业集群•集成电路产业已逐渐由原来“大而全”形式的产业演化成目前设备商、材料商、EDA工具开发商等“专而精”的多个细分子产业，形成