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IDM时代,终将过去?

邵逸琦 半导体行业观察 2023-09-19


2014年的台北国际电脑展上,Intel发布了首款采用14nm工艺的CPU。


而在2017年,虽然Intel主力产品依旧在采用14nm工艺,但在某次投资会议中,Intel却展示了一张PPT,表示自己2014年发布的第一代14nm工艺丝毫不逊色于三星和台积电的10nm工艺,整整领先了三年。


这时候的Intel,觉得自己的晶圆制造仍然独步于天下,笑傲于江湖,其他晶圆代工厂成不了什么气候,半导体的未来十年依旧属于Intel。


但现实情况往往不如人员,Intel 10nm 7nm接连延期,而老对头AMD却凭借着台积电的工艺,走出了被压制的阴影,而苹果更是弃Intel处理器而去,换上台积电工艺的自研芯片,短短几年时间,Intel就从“先进”的王座跌落,陷入一个又一个泥潭当中。


经历过这番折腾,Intel再也不敢对晶圆工艺夸下海口,连不懂半导体的小白在媒体的连续“轰炸”下,也都知道Intel在制程上的落后了,而痛定思痛的它终于开始考虑起了寻找其他代工厂、分割旗下代工服务的可能性。


2021年3月,Intel CEO帕特 · 基辛格宣布,Intel将采用IDM 2.0的新业务战略,该战略包括投资200亿美元的亚利桑那新工厂,开发用于计算机的 7nm处理器,同时开放其晶圆代工服务,为其他Fabless厂商代工芯片。



拖了两年多以后,Intel首席财务官David Zinsner在6月的投资者电话会议上表示,Intel晶圆代工服务(IFS)会像对待其他客户一样对待Intel内部产品业务,在财报中单独列出损益。


同时Intel重申了之前的目标,即明年超越三星,成为仅次于台积电的世界第二大晶圆代工厂,预计届时代工收入超200亿美元。


有人说这是壮士断腕,有舍才能有得,也有人说这是对扶不起的阿斗彻底死心了,失去了代工服务的Intel就像一只拔毛凤凰,不过是精装版AMD罢了。


但不论如何,曾经统治半导体市场的先进逻辑IDM走下神坛已成事实,另一种模式在十几年的风雨过后终于证明了自己,筑成的工厂让巨头也为之俯首,它就是Foundry。


英特尔的传奇


早期的半导体产业只相信IDM。


至少在1987年以前,叫得出名字的集成电路企业大半都是IDM模式,包括英特尔、德州仪器、三星、美光在内,都是独自完成芯片设计、生产和封装测试这三个主要流程,虽说这些巨头偶尔也会赚一笔外快,在产线利用率较低的时候,也会向其他企业提供少量的代工服务,但市场中基本不存在把代工当成主营业务的企业。


原因不仅仅是敝帚自珍,早期的集成电路并无专门工具可以依赖,由于芯片复杂度较低,设计人员完全可以通过手工操作完成电路图的输入、布局和布线,后面虽然引入了可编程逻辑设计技术,加入交互图形编辑、晶体管版图设计、规则检查等功能,但芯片设计的自动化程度远不能和今天相比,与其说是技术活,倒不如说是用人力堆出来的苦力活。


手搓出来的芯片,效率和标准根本无从谈起,此时的芯片,就好比在印刷术发明之前,大家都是纯手写,你说是自己手写一本书赚钱,还是帮别人誊抄书赚钱呢?当厂商生产自己的芯片更赚钱时,市场就没Fabless的立锥之地。



而这样的情况,却是被IDM的龙头——英特尔自己亲手打破的,美国著名科技记者马隆所著的《三位一体:英特尔传奇》中有这样一句话:摩尔定律是一个社会契约,是半导体行业和世界其他地区之间的协议,即前者将继续努力,尽可能地保持定律的轨迹,后者将为这种飞速发展的成果买单。


为了打败对手,英特尔就必须拿出更先进的芯片,为了拿出更先进的芯片,那就必须循着摩尔定律的步伐,不选择这条定律,那么市场就不会选择你。


1971年,英特尔推出4004处理器,晶体管数量不过2300个,而制程也是老旧的10 微米,到了1985年推出的80386处理器,制程已经更新到了1.5微米,晶体管数量翻了约120倍,来到了27.5万个,实现了指数级别的增长,而这个规模的处理器已经不能用简单地用人力去填补了。



英特尔现任CEO基辛格,当时486项目的负责人,在2012年发表的论文《应对英特尔微处理器设计的复杂性 — CAD 历史》中提到:


在486处理器上,英特尔引入了更彻底的改变,它采用了全流水线设计,集成了一个大型浮点运算单元,并引入了第一个片上高速缓存——一个高达8K字节的高速缓存。由于可重复利用的设计大幅减少,晶体管数量增加了4倍,这颗处理器在设计生产率上遇到了巨大的阻力。虽然可以追求简单的人力增加,但问题也随之而至:英特尔是否有能力负担这支远超100人的486设计团队......为了执行更有远见的设计流程,英特尔就需要开发更加得心应手的设计工具。


最终设计486的工具被组合到了名为RLS (RTL to Layout Synthesis)的系统当中,这是第一个在主流微处理器开发项目中从RTL到布局的系统......它的成功主要是结合了三个基本要素:CMOS(实现了单元库的使用)、硬件描述语言(提供一个方便的输入机制来捕捉设计意图)、合成(提供从RTL到门和布局的自动转换)……这就是 "神奇而强大的三足鼎立",这些元素中任意一个都不可能彻底改变设计生产力,后来EDA行业对这三个元素进行标准化和整合,最终使其成为所有ASIC行业的基础,也是Fabless行业的共同接口。



可以说,正是英特尔在486处理器研发过程中的改进,推动了后来EDA工具的诞生,而EDA的诞生,也为Foundry+Fabless的模式提供了必要条件,早期的人工抄写迅速蜕变成雕版与活字印刷,半导体行业的设计效率迎来了革命,而摩尔定律的威力终得以展现。


代工厂崛起


IDM被颠覆的苗头出现在了中国台湾。


1973年,时任中国台湾地区的经济部长的孙运璿下决心开始工业技术转型,他在参考了当时美日韩在集成电路上的发展路线,最终决定效仿美国硅谷的产学研模式,将分散在中国台湾各处的联合工业研究所、联合矿业研究所与金属工业研究所几家研究机构合并,以财团法人名义成立,工业技术研究院(工研院)就此诞生。


工研院目的只有一个,就是把当时最新的科技成果下放到企业里,不仅组织委派留学生远赴美国,培养在电路设计、光罩制造、晶圆制作、封装测试等方面的人才,还要再引导他们回到台湾,为初期的半导体企业贡献一份宝贵的力量。


1980年,工研院决定以衍生公司的方式,设立中国台湾第一家半导体制造公司——联华电子(联电),并将所有IC产品线和技术以低价授权生产的方式全部转移给它,让它在拥有研发能力之前就可以开始生产,其早期主要生产电子表、计算器与电视相关半导体,同时也是第一家提供代工服务的台湾半导体公司。



1987 年,工研院电子所与飞利浦合作成立(台湾积体电路制造公司)台积电,张忠谋任董事长,使用的是八年前引进投产的中国台湾第一条3英寸晶圆实验线,虽然规模不能媲美联电,但由张忠谋掌舵的它,却在成立之初就坚定了自己的方向——晶圆代工。


这两家被并称为台湾晶圆代工双雄,虽然早期接的是IDM厂商的残羹冷炙,但在90年代Fabless潮流席卷全球之际,他俩就是许多半导体公司心中的白月光,吃的是设计图纸和硅晶圆,挤出来的却是能卖大几百美金的芯片,这样的代工厂,又有哪家不爱呢?


台积电创始人张忠谋在接受SEMI和计算机历史博物馆的采访时表示:


当我在TI和通用仪器时,我看到很多IC工程师想离开并建立自己的企业,但阻止他们离开这些公司的最大难题是,他们无法筹集足够的资金来组建自己的公司。当时的人们认为每家公司都需要制造,需要晶圆制造,而这恰恰是半导体公司、集成电路公司中最需要资金的部分。我看到了这些工程师想离职创业的念头,最终却因为缺乏筹集大量资金建立晶圆厂的能力而被扼杀在摇篮里。所以我想,也许台积电,一个纯粹的晶圆厂,可以弥补这一缺陷。在我们的帮助下,这些工程师就能实现创办属于自己的芯片公司的梦想,新兴的公司将成为我们的客户,他们将会为晶圆代工厂提供一个稳定和逐年增长的市场。



1996年,台积电在代工制造的基础上,首次提出了“虚拟晶圆厂”(Virtual Fab)的概念,让客户能随时掌握晶圆制造进度,省去经营晶圆厂所需承担的各项支出。在相应时间、机密性、量产弹性与信息的获取上,让客户感觉有如自己开的晶圆厂一样方便;而在技术、质量和成本上,又让客户感觉晶圆代工厂要优于自己的晶圆厂。


台积电这样的代工厂自此打出了三个关键性优势:首先,由于它们本身不会销售IC成品,因此不会与Fabless产生竞争,两个公司永远是合作伙伴的关系;其次,代工厂可以根据Fabless的需求扩充产能,同时灵活调配产能,更贴近客户已有的生产计划;最后,代工厂基于标准EDA工具建立了生产流程,客户能够完全控制从概念到最终设计的过程。


蓝色巨人之殇


蓝色巨人,通常指的是计算机行业的领导者,在IBM失去PC市场的主导权后,掌握x86架构话语权的英特尔理所当然地接过了它的衣钵,成为了新一代的蓝色巨人。


90年代伊始,晶圆代工厂如雨后春笋般兴起,但对于英特尔这样的IDM巨头来说,依旧不值一提,时任AMD CEO的杰里·桑德斯甚至在一次会议上喊出了一句名言:Only real men have fabs(只有真男人才会拥有晶圆厂)。



虽然桑德斯说这话是针对当时另一家Fabless处理器厂商Cyrix,但台积电这样的代工厂不受传统IDM厂商待见也是事实,当时代工厂的技术普遍落后两到三代,只有那些新兴半导体企业才会找上代工厂,更多厂商还是倾向于自建晶圆厂,毕竟制造是半导体的命根子,被别人攥在手里总是有些不踏实。


但时代的变化,超过了所有人的想象,90年代还是个人电脑的时代,但在千禧年过后,世界往移动时代打了左满舵,而伴随2007年iPhone的发布,智能手机掀起了普及浪潮,世界对于半导体的需求呈现出了一个指数级别的增长。


需求变大了,本来对于IDM厂商来说是天大的好事,躺着赚钱的生活,不正是它们梦寐以求的吗,但可惜的是,智能手机这块蛋糕,英特尔这样的IDM厂商,却没吃到最大的一块,甚至作为附属产物的平板电脑,都和它们无缘,高通、联发科、苹果和海思等,统统都是Fabless,它们联手,瓜分掉了一年数亿台移动设备的处理器市场。


而背后最大的受益者,就是台积电这样经过多年技术投入后,掌握了先进制程的代工厂,每年苹果上亿手机里搭载的芯片,均出自台积电的晶圆厂,苹果从移动市场攫取利润,而台积电跟着苹果喝汤,顺势不断升级工艺来满足苹果的需求……


英特尔不是没有过挣扎,Atom这一产品序列就是为了移动市场而生的,但在手机上接连失利,最后甚至想出了补贴硬件厂商这样的昏招,整整70亿美元砸到了搭载Atom处理器的Windows平板上,连个浪花都没翻起来。


而英特尔的老朋友和老对手,90年代的真男人AMD此时早已雄风不再,2009年就把晶圆厂全部卖给了阿布达比的主权基金,成立晶圆代工厂商格芯(GlobalFoundries),自己摇身一变,成为了新的Fabless。


2014年,昔日的蓝色巨人IBM更是以15亿美元的价码,把旗下的微电子部门(含晶圆厂)半卖半送给了独立出来的格芯,它一心所求的,就是为了让晶圆厂能持续生产,从而保障员工的权益。


在这些巨头忙着分割自家曾经的晶圆厂的背后,是成本的飙升,1965年,摩尔定律刚发布时,一家20mm晶圆厂的建设成本约在100万美元左右,到了90年代,200 mm晶圆厂的成本为 7 -13 亿美元,进入21世纪后,300mm晶圆厂的成本更是到了20-30 亿美元,至于7nm先进制程的工厂,光一家工厂就耗资120多亿美元,没有足够的现金流,根本无力支撑起如此巨额的资本投入。


倘若不是英特尔始终占据x86市场的主导地位,在服务器和个人电脑市场拥有绝对的话语权的话,7nm工艺之后的开发根本无从谈起,更不用说更新每年的技术路线图了。


90年代的时候,英特尔背后站的是惠普、康柏、戴尔、NEC等一众PC厂商,还有微软在一旁为它撑腰,2015年后,台积电背后站的是苹果、高通、联发科、AMD、英伟达……而此时英特尔背后的那批人却没什么变动,不论是市值还是产值,都无法与之比拟。



英特尔在2014年时攻克14nm工艺时满是骄傲,因为它在半导体工艺上做到了举世无双,但没过多少年,它再也没有自傲的资本了,因为它心知肚明,工艺优势已经被追平超越,Foundry击败了IDM。


英特尔第三任安迪·格罗夫在《只有偏执狂才能生存》一书中写到:


记得1985年年中的一个时候,在英特尔因为DRAM受到冲击而徘徊了将近一年之后,我和英特尔的董事长兼首席执行官戈登·摩尔在办公室里讨论公司的窘境,两个人的情绪都很低落。我看着窗外远处大美洲游乐园的摩天轮在旋转,然后回头问他:"如果我们被踢出公司管理层,董事会任命的新CEO会怎么做?"戈登毫不犹豫地回答:"他会放弃DRAM业务。"我盯着他然后说:"为什么你和我不走出门,自己来做这件事呢?"


对于英特尔来说,分割代工业务,放弃IDM厂商的身份,就和80年代时舍弃DRAM业务一样,是不亚于自断一臂的痛苦,自己亲手终结曾是世界第一的业务,没有比这更让一家公司受打击的事了,相信经历过辉煌的基辛格在宣布IDM 2.0时,也有过和格罗夫一样的反复犹豫,对格罗夫的痛苦更加能感同身受。


但这位CEO还是在2021年3月做了这个决定,并稳步地推进它。


他知道自己要做的,就是推开眼前这扇门,舍弃掉一部分先进,来走向另一种伟大。


对于IDM而言,如前所述,先进逻辑IDM终将成为历史,但对于像TI这样模拟厂商还有功率器件厂商来说,因为IDM模式对于其所专注的业务具备天然的优势。换句话说,属于他们的时代,才刚刚开始。


但和巅峰时期相比,IDM时代终将过去已成定局,也许在张忠谋刚成立台积电的时候,也并没想到如此结局。



*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


今天是《半导体行业观察》为您分享的第3449期内容,欢迎关注。

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