集成电路产业发展新特征:群聚、虚拟垂直、整合

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原标题:集成电路产业发展新特征:群聚、虚拟垂直、整合
1950年代,随着德州仪器和仙童半导体发明集成电路后,随着硅平面技术的发展,1960年代双极和MOS电路的出现,标志着由于电子管和晶体管制造电子产品的时代发生了量和质的变化,开创了一个新兴的集成电路产业。
一、全球集成电路产业链变革历程
60多年来,集成电路产品从小规模集成电路(SSI)逐步发展到特大规模集成电路(ULSI),经历了从板上系统(SystemonBoard)到芯片级系统(SystemonChip)的过程。在这漫长的发展历程中,集成电路产业链已经发生了三次重大变革。这三次变革的重要原因都包含“为了解决系统设计或IC设计上的问题”,所以在技术上有了相应的对策,而在产业分工上也相对地产生了结构性的改变。
第一阶段:系统厂商主导阶段
主导厂商:及航空航天公司
1960年代,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。从产品设计技术、设备生产技术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。因此,任何企业要想进入集成电路领域,唯一的途径就是自身掌握包括产品设计、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、日本的早期集成电路企业仙童半导体(FairchildSemiconductor)、摩托罗拉(Motorola)、国际商业机器(IBM)、日电(NEC)、索尼(Sony)等公司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下,从事产品的设计与生产,而产业内的组织结构也主要表现为水平整合,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。
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。不过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。
第一次变革:微处理器与存储器的诞生催生IDM企业出现
第二阶段:IC产业处于以生产为导向的初级阶段
主要厂商:英特尔、德州仪器、摩托罗拉
集成电路产业的第一次变革是从1970年代开始,随着微处理器与存储器的诞生,原来由系统公司独揽系统与IC设计的垂直整合时代,转变为系统公司与IC公司的分业体制。
1960年至1970年,系统厂商包办了所有的设计和制造,随着电脑的功能要求越来越多,整个设计过程耗时较长,使得部分系统厂商产品推出时便已落伍,因此,有许多厂商开始将使用的元件标准化,1970年左右,微处理器、存储器和其他小型IC元件逐渐标准化,也由此开始区分系统公司与专业集成电路制造公司。
此一阶段,IDM企业在集成电路市场中充当主要角色,IC设计是作为附属部门而存在。这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主,CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。
IDM公司被垂直整合,从概念到消费者,从原材料到产品;IDM公司在内部控制所有过程、材料和供应。在这种垂直整合中,从设备定制到使用新材料进行实验的创新都是很常见的,一家公司控制工艺并雇用创新者。芯思想
当垂直整合和研发成本太高而无法在全球市场上竞争时,在整个过程中即兴创作和创新的能力就丧失了很多。IDM公司一直在承受降低成本、保持和提高质量的压力。
第二次变革:ASIC技术的诞生催生Fabless+Foundry模式出现
第三阶段:IC产业开始进入以客户为导向的阶段
主要厂商:台积电、赛灵思
第二次变革是在1980年代,由于ASIC和ASSP的出现,使得门阵列和标准单元的设计技术成熟,催生了Foundry+Fabless的运营模式。
虽然有部分集成电路标准化,但在整个电脑系统中仍有不少独立IC,过多的IC使得运行效率不如预期,ASIC技术应运而生,同时系统工程师可以直接利用逻辑门元件资料库设计IC,不必了解晶体管线路设计的细节部分,设计观念上的改变使得专职设计的Fabless公司出现,专业晶圆代工厂Foundry的出现填补了Fabless公司需要的产能。芯
随着微处理器和PC机的广泛应用和普及,虽然有部分集成电路标准化,但已经难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求。因为在整个电脑系统中仍有不少独立IC,过多的IC使得运行效率不如预期。同时整机客户则要求不断增加IC的集成度,减小芯片面积,使系统的体积缩小,降低成本,提高产品的性能价格比,从而增强产品的竞争力,得到更多的市场份额和更丰厚的利润;同时,由于IC制程技术的进步,软件硬件化已成为可能。
为了改善系统的速度和简化程序,ASIC技术应运而生,工程师可以不必了解晶体管线路设计的细节部分,直接利用逻辑门设计门阵列(CPLD)、可编程逻辑器件(FPGA)、标准单元、全定制电路等。设计观念上的改变使得专业设计的Fabless公司出现。
而让Fabless模式发扬光大的主要得益于三个重要因素。
一是LynnConway和CarverMead合著的《超大规模集成电路系统导论IntroductiontoVLSISystems》在1980年出版。书中提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想。
二是EDA(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,集成电路逻辑仿真、功能验证的工具的日益成熟,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,工程师们可以设计出集成度更高且更加复杂的芯片。明导电子、新思科技、楷登电子等EDA巨头在此阶段相继成立。
三是Foundry出现,弥补了Fabless公司需要的产能空缺。1987年台积电成立,开创了Foundry+Fabless模式运营的新时代。台积电创始人张忠谋也因此获得2011年度IEEE荣誉勋章(IEEEMedalofHonor)。目前纯晶圆代工提供商有台积电、联电、中芯国际、华虹集团等。
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