集成電路產業(yè)發(fā)展新特征：群聚、虛擬垂直、整合

1950 年代，隨著德州儀器和仙童半導體發(fā)明集成電路后，隨著硅平面技術的發(fā)展，1960 年代雙極和 MOS 電路的出現(xiàn)，標志著由于電子管和晶體管制造電子產品的時代發(fā)生了量和質的變化，開創(chuàng)了一個新興的集成電路產業(yè)。

一、全球集成電路產業(yè)鏈變革歷程

60 多年來，集成電路產品從小規(guī)模集成電路（SSI）逐步發(fā)展到特大規(guī)模集成電路（ULSI），經歷了從板上系統(tǒng)（System on Board）到芯片級系統(tǒng)（System on Chip）的過程。在這漫長的發(fā)展歷程中，集成電路產業(yè)鏈已經發(fā)生了三次重大變革。這三次變革的重要原因都包含“為了解決系統(tǒng)設計或 IC 設計上的問題”，所以在技術上有了相應的對策，而在產業(yè)分工上也相對地產生了結構性的改變。

第一階段：系統(tǒng)廠商主導階段

主導廠商：軍用及航空航天公司

1960 年代，集成電路剛剛誕生時，作為一項新興技術，生產涉及到的技術僅為少數(shù)企業(yè)所掌握，而生產所用的設備、材料、制造工藝技術等又具有高度的專業(yè)性，是過去其他產品生產中從未曾涉及、使用過的。從產品設計技術、設備生產技術到原材料生產技術到加工工藝技術，都無法作為成熟產品從市場上直接獲得。因此，任何企業(yè)要想進入集成電路領域，唯一的途徑就是自身掌握包括產品設計、加工制造在內的全套技術，擁有半導體材料制備和生產設備，也就是我們通常所說的“全能企業(yè)”。

美國、日本的早期集成電路企業(yè)仙童半導體（Fairchild Semiconductor）、摩托羅拉（Motorola）、國際商業(yè)機器（IBM）、日電（NEC）、索尼（Sony）等公司都是依附于大型企業(yè)集團的，在本集團戰(zhàn)略思想的統(tǒng)一指導下，從事產品的設計與生產，而產業(yè)內的組織結構也主要表現(xiàn)為水平整合，集整機產品和集成電路的設計、制造、封裝和測試等生產過程于一身。

主要是為自身制造的電子整機產品（電子設備、通信設備、家用電器等）服務的，以此增加其整機產品的附加值，提升產品的質量和功能，降低生產成本，爭奪市場。不過當時的電路產品主要是雙極器件電路和簡單功能的 MOS 電路，用于替代成本較高的晶體管器件。

第一次變革：微處理器與存儲器的誕生催生 IDM 企業(yè)出現(xiàn)

第二階段：IC 產業(yè)處于以生產為導向的初級階段

主要廠商：英特爾、德州儀器、摩托羅拉

集成電路產業(yè)的第一次變革是從 1970 年代開始，隨著微處理器與存儲器的誕生，原來由系統(tǒng)公司獨攬系統(tǒng)與 IC 設計的垂直整合時代，轉變?yōu)橄到y(tǒng)公司與 IC 公司的分業(yè)體制。

1960 年至 1970 年，系統(tǒng)廠商包辦了所有的設計和制造，隨著電腦的功能要求越來越多，整個設計過程耗時較長，使得部分系統(tǒng)廠商產品推出時便已落伍，因此，有許多廠商開始將使用的元件標準化，1970 年左右，微處理器、存儲器和其他小型 IC 元件逐漸標準化，也由此開始區(qū)分系統(tǒng)公司與專業(yè)集成電路制造公司。

此一階段，IDM 企業(yè)在集成電路市場中充當主要角色，IC 設計是作為附屬部門而存在。這時的 IC 設計和半導體工藝密切相關。IC 設計主要以人工為主，CAD 系統(tǒng)僅作為數(shù)據(jù)處理和圖形編程之用。

IDM 公司被垂直整合，從概念到消費者，從原材料到產品；IDM 公司在內部控制所有過程、材料和供應。在這種垂直整合中，從設備定制到使用新材料進行實驗的創(chuàng)新都是很常見的，一家公司控制工藝并雇用創(chuàng)新者。芯思想

當垂直整合和研發(fā)成本太高而無法在全球市場上競爭時，在整個過程中即興創(chuàng)作和創(chuàng)新的能力就喪失了很多。IDM 公司一直在承受降低成本、保持和提高質量的壓力。

第二次變革：ASIC 技術的誕生催生 Fabless+Foundry 模式出現(xiàn)

第三階段：IC 產業(yè)開始進入以客戶為導向的階段

主要廠商：臺積電、賽靈思

第二次變革是在 1980 年代，由于 ASIC 和 ASSP 的出現(xiàn)，使得門陣列和標準單元的設計技術成熟，催生了 Foundry+Fabless 的運營模式。

雖然有部分集成電路標準化，但在整個電腦系統(tǒng)中仍有不少獨立 IC，過多的 IC 使得運行效率不如預期，ASIC 技術應運而生，同時系統(tǒng)工程師可以直接利用邏輯門元件資料庫設計 IC，不必了解晶體管線路設計的細節(jié)部分，設計觀念上的改變使得專職設計的 Fabless 公司出現(xiàn)，專業(yè)晶圓代工廠 Foundry 的出現(xiàn)填補了 Fabless 公司需要的產能。芯

隨著微處理器和 PC 機的廣泛應用和普及，雖然有部分集成電路標準化，但已經難以滿足整機客戶對系統(tǒng)成本、可靠性等要求。因為在整個電腦系統(tǒng)中仍有不少獨立 IC，過多的 IC 使得運行效率不如預期。同時整機客戶則要求不斷增加 IC 的集成度，減小芯片面積，使系統(tǒng)的體積縮小，降低成本，提高產品的性能價格比，從而增強產品的競爭力，得到更多的市場份額和更豐厚的利潤；同時，由于 IC 制程技術的進步，軟件硬件化已成為可能。

為了改善系統(tǒng)的速度和簡化程序，ASIC 技術應運而生，工程師可以不必了解晶體管線路設計的細節(jié)部分，直接利用邏輯門設計門陣列（CPLD）、可編程邏輯器件（FPGA）、標準單元、全定制電路等。設計觀念上的改變使得專業(yè)設計的 Fabless 公司出現(xiàn)。

而讓 Fabless 模式發(fā)揚光大的主要得益于三個重要因素。

一是 Lynn Conway 和 Carver Mead 合著的《超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)導論 Introduction to VLSI Systems》在 1980 年出版。書中提出了通過編程語言來進行芯片設計的新思想。

二是 EDA（電子設計自動化）工具的發(fā)展，PCB 設計方法引入 IC 設計之中，如庫的概念、工藝模擬參數(shù)及其仿真概念等，集成電路邏輯仿真、功能驗證的工具的日益成熟，設計開始進入抽象化階段，使設計過程可以獨立于生產工藝而存在，工程師們可以設計出集成度更高且更加復雜的芯片。明導電子、新思科技、楷登電子等 EDA 巨頭在此階段相繼成立。

三是 Foundry 出現(xiàn)，彌補了 Fabless 公司需要的產能空缺。1987 年臺積電成立，開創(chuàng)了 Foundry + Fabless 模式運營的新時代。臺積電創(chuàng)始人張忠謀也因此獲得 2011 年度 IEEE 榮譽勛章（IEEE Medal of Honor）。目前純晶圓代工提供商有臺積電、聯(lián)電、中芯國際、華虹集團等。

不過，在 Fabless 剛萌芽時，AMD 創(chuàng)始人兼董事長 Jerry Sanders 對此表示懷疑，曾發(fā)出“Real men have fabs”的言論。不過也確實有 Fabless 成功轉型 IDM，比如美信（Maxim）、巨積 LSI Logic。

第三次變革：SoC 設計方法學的誕生催生 IP 與設計服務公司出現(xiàn)（芯片設計簡化成搭積木）

第四階段：半導體產業(yè)進入完全專業(yè)分工階段，IDM 轉型 Fab-lite

主要廠商：ARM、高通

第三次變革在 1990 年中后期，工藝制程推進到了 180 納米，芯片上集成的晶體管已經遠超過 1000 萬個。這時可重復使用的硅知識產權（Silicon Intellectual Property，SIP）出現(xiàn)了，某一功能可以使用某一 SIP 核來管理，使得設計更有效率。

1994 年摩托羅拉（Motorola）發(fā)布了用來設計基于 68000 和 PowerPC 定制微處理器的 FlexCore 系統(tǒng)，1995 年 LSI Logic 為索尼（Sony）的 PlayStation 設計的 CPU（集成了一個 32 位 RISC 微處理器，JPEG 視頻解碼器和 3D 圖形引擎），應該是第一代基于 SIP 核完成 SoC 設計的最早產品。當時的 SoC 相對簡單，包含處理器、存儲器和邏輯芯片，如 LSI Logic 為索尼（Sony）的集成了一個 32 位 RISC 微處理器、JPEG 視頻解碼器和 3D 圖形引擎。

由于 SoC 可以充分利用已有的設計積累，顯著地提高了 ASIC 的設計能力，因此發(fā)展非常迅速。隨著 RF 電路模塊和數(shù)?；旌闲盘柲K集成在單一芯片中，SoC 集成的內容越來越多，現(xiàn)在 SoC 中包含一個或多個處理器、存儲器、模擬電路模塊、數(shù)?；旌闲盘柲K以及可編程邏輯。

高度復雜的系統(tǒng)功能和愈來愈快速的產品進入市場時間（Time to Market）要求，不允許芯片設計者公司一切從零開始，必須借鑒和使用已經成熟的設計為自己的產品開發(fā)服務，決定了 SoC 的設計必須采用與傳統(tǒng)單片集成電路設計不同的方法。

SoC 設計方法學應運而生，其包含三個內容，一是系統(tǒng)設計方法；二是 IP 核的設計和使用；三是深亞微米集成電路設計。

隨著 SoC 設計方法學的普遍采用，芯片設計公司購買第三方公司的 IP，組合成 SoC，整個過程就跟拼積木一樣，芯片的規(guī)模呈指數(shù)級增長，從百萬門級發(fā)展到今天的數(shù)十億門級。

SIP 概念的興起，將具有某種特定功能的電路固定化，當 IC 設計需要用到這項功能時，可以直接使用這部分電路，隨之而來的是專業(yè)的 IP 與設計服務公司的出現(xiàn)。芯思想

在此階段，還有一個有趣的現(xiàn)象就是 IDM 公司紛紛轉型 Fab Lite。面對密集智力和龐大資金的壓力，IDM 廠商開始了悄然轉型，有的轉型 Fab Lite，有的變身 Fabless。在 Fabless 剛萌芽時，AMD 創(chuàng)始人兼董事長 Jerry Sanders 對此表示懷疑，曾發(fā)出“Real men have fabs”的言論，不過到時 2009 年時，AMD 也不得不通過戰(zhàn)略剝離其 FAB 制造，從而變身 Fabless，還好現(xiàn)在 AMD 的主事人是位華裔女性。

集成電路產業(yè)發(fā)展至此階段，專業(yè)分工已經初步形成，隨著 SIP 設計、EDA 工具、芯片設計、晶圓制造、封裝、測試等環(huán)節(jié)逐步成熟，在各個專業(yè)環(huán)節(jié)涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的公司。

二、半導體產業(yè)進入新時代

戴爾的虛擬垂直整合供應鏈

工業(yè)革命造就了偉大公司，以及創(chuàng)新（innovation）和專利（patents）的沖擊（onslaught）。杜邦（DuPont）、陶氏化學（Dow Chemical）等公司從 19 世紀末到 20 世紀都呈指數(shù)增長。

垂直整合的模式被戴爾計算機（Dell Computer）進一步發(fā)展了。創(chuàng)始人邁克爾·戴爾（Michael Dell）將供應鏈的傳統(tǒng)垂直整合與虛擬組織的特殊特征相結合，創(chuàng)建了一種稱之為“虛擬整合”的運營模式。其最重要的一點就是：專注于自己最擅長的環(huán)節(jié)，把不擅長的環(huán)節(jié)交給行業(yè)中做得最好的人去做，然后通過采購把最具性價比的產品買回來，自己做最后的整合。

實際上，戴爾模式最重要的是超一流的速度（Speed）、絕佳的體驗（Experience）和更低的成本（Cost）。

第四次變革：Chiplet 和異構集成

第五階段：集群虛擬垂直集成階段

主要廠商：臺積電+高通+日月光；中芯國際+華為海思+長電科技

集成電路產業(yè)發(fā)展的四個階段（系統(tǒng)廠商主導階段、生產導向階段、客戶導向階段、專業(yè)分工階段）中，各種類型的公司一直相互存在，時至今日，各種類型的公司都有存在的價值和意義。

前文提到，當垂直整合和研發(fā)成本太高而無法在全球市場上競爭時，在整個過程中即興創(chuàng)作和創(chuàng)新的能力就喪失了很多。IDM 公司一直在承受降低成本、保持和提高質量的壓力。芯思想

大型公司不太可能恢復完全的垂直整合，但是通過深化供應商與客戶（購買者）之間的關系，已經出現(xiàn)了成功產生新創(chuàng)新的成功案例。虛擬垂直整合可以通過共享增長愿景的供需雙方之間的關系以及為創(chuàng)造創(chuàng)新機會的信息來實現(xiàn)。

隨著集成電路產業(yè)形態(tài)的成熟，集成電路產業(yè)已經進入了集群虛擬垂直整合（Clustered Virtual Vertical Integration，CVVI）模式發(fā)展階段。也是集成電路第五階段。集群、虛擬垂直、整合是該階段的精髓。芯思想

集群起源于共同生活。延伸到集成電路產業(yè)，就是讓專精于不同領域的公司，彼此以結盟或戰(zhàn)略伙伴關系互補，以達到快速布局的戰(zhàn)略目的，進而達到有效的垂直整合。在集成電路產業(yè)里，為了縮短芯片設計周期，產業(yè)鏈各公司必須彼此溝通合作，透過廠商間的鏈接和 IP 整合，讓業(yè)者界跟上客戶的需求和市場的變動，讓彼此的效益可以發(fā)揮到最大，實現(xiàn)最佳競爭優(yōu)勢。

美國硅谷、日本九州島、中國臺灣新竹（含新竹、桃園、苗栗）的發(fā)展模式，就是集成電路集群的例子。這些地方聚集了集成電路產業(yè)鏈上下游的企業(yè)，公司之間即互相競爭，又互相合作。

相比較而言，中國臺灣新竹、桃園、苗栗在虛擬垂直方面整合得更好、更徹底。晶圓代工（Foundry）有臺積電（TSMC）和聯(lián)電（UMC）；封測代工（Out Sourced Assembly and Testing，OSAT）有日月光（ASE）/ 矽品精密（SPIL）、力成（PTI）；設計公司幾乎全集中于此，包括聯(lián)發(fā)科（MTK）、聯(lián)詠（Novatek）等；設計服務公司有創(chuàng)意電子（GUC）、智原（Faraday）等；IP 提供商有力旺（eMemory）。發(fā)展至今，中國臺灣晶圓代工（Foundry）占有全球 75%的份額，僅僅臺積電就占有超過 50%的份額；封測代工（OSAT）也占有 50%以上的市場份額，日月光控股（包括日月光和矽品精密）占有全球超過 30%的份額。

現(xiàn)在來看中國大陸的情況。中國大陸在集成電路領域最具規(guī)模的是以上海為核心的長三角地區(qū)。晶圓代工（Foundry）領域有中芯國際、華虹集團、華潤上華等；封測代工（OSAT）領域有長電科技、通富微電、華天昆山、晶方半導體等；設計公司有紫光展銳、格科微、兆芯等；設計服務公司有芯原；設備有中微半導體、上海微電子等；材料有安集、新陽等；EDA 工具有廣立微、芯和等。根據(jù)芯思想研究院的調研數(shù)據(jù)，長三角地區(qū)占有中國大陸 51%的規(guī)模；晶圓代工領域占有中國大陸本土晶圓代工的 85%；封測代工領域占有中國本土封測代工的 80%。

小結

而隨著“異質集成”、“Chiplet”成為集成電路產業(yè)未來發(fā)展趨勢時，新的商業(yè)模式必將出現(xiàn)?，F(xiàn)在，單打獨斗的模式已經勢微，集群、虛擬垂直、整合已經是大勢所趨。