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看美国芯片三巨头发展史,谈中国半导体自主创新路

时间:2021-09-06 作者:顾正书 阅读:
上周有两则半导体业界新闻引起了我的关注,由此促使我花时间深入了解美国三家芯片巨头的发展演化历程,同时思索中国半导体企业怎样可以借鉴美国半导体公司的成功经验和失败教训,从而探索出国产半导体在全球新变局下的自主创新之路。
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上周有两则半导体业界新闻引起了我的关注,由此促使我花时间深入了解美国三家芯片巨头的发展演化历程,同时思索中国半导体企业怎样可以借鉴美国半导体公司的成功经验和失败教训,从而探索出国产半导体在全球新变局下的自主创新之路。

第一则新闻是ADI完成对Maxim的并购,其实这个新闻对半导体界人士来说并不惊奇,我感兴趣的是整合后的ADI对其未来发展的规划。这家名字就叫“模拟器件公司”的企业年营收将接近100亿美元,越来越逼近全球模拟老大TI(单从名称来看,TI是德州的仪器,而ADI是真正的模拟器件公司,未来谁是模拟市场的老大还真说不准呢)。

这张图简要展示了并购Maxim之后的ADI主要服务的应用市场及收入构成。消费电子市场仅占其整体营收的13%;而工业应用是ADI的最大市场(占比49%);汽车电子占比20%;面向连接和数据中心市场的通信业务营收占比18%。

新的ADI将拥有35个全球分支机构;2.3万名员工(其中工程师超过1万人);产品种类高达7.5万个,服务客户12.5万家;研发方面,在全球有70个设计中心,6500项专利,年研发投入超过15亿美元;年营收将达91亿美元,毛利率约70%,约有50%的营收来自生命周期超过10年的产品。

另一则新闻是中芯国际(SMIC)将与上海临港新片区管委会合作投资88.7亿美元,在临港集成电路产业基地兴建一座月产能10万片的12吋晶圆厂,主要提供28nm及以上工艺节点的芯片晶圆代工与技术服务。这是中芯国际自去年底以来第三次扩大28nm及以上成熟工艺产能。

去年12月,中芯国际宣布与大基金二期和亦庄国投合资成立中芯京城集成电路制造(北京)有限公司,计划总投资497亿元,建设一座12吋晶圆厂,专注于28nm及以上成熟工艺。该项目计划于2024年完工,建成后将达到每月10万片12英寸晶圆的产能。今年3月份,中芯国际宣布和深圳市政府拟投资23.5亿美元扩建中芯深圳工厂,用于生产28nm及以上成熟工艺的晶圆并提供技术服务,最终实现每月4万片12吋晶圆的产能,预期将于2022年开始生产。

再加上最新宣布的临港项目,中芯国际目前在建的28nm及以上成熟工艺产能已达每月24万片12吋晶圆。SMIC为何在短时间内启动多项28nm成熟工艺的重大投资项目呢?由于SMIC及其部分子公司已经被列入美国“实体清单”,已无法获得7nm及以下先进工艺所需的半导体设备,而国内半导体设备在短时间内仍难以达到先进工艺要求。因此,中芯国际只能通过获得成熟工艺设备供应的许可来发展成熟晶圆工艺。

而在全球芯片短缺和成熟工艺产能吃紧的当下,中芯国际将投资重心转向28nm成熟工艺也是迎合市场和客户需求的明智举措。即便到2023年全球半导体供应恢复正常,国产IC设计公司的强劲需求也会持续,SMIC陆续释放的28nm工艺产能也能够获得足够的客户订单。此外,在当前疫情、中美科技冷战和半导体供应紧张的“完美风暴”变局下,中国各地政府和产业资本都比较青睐半导体投资项目,与中芯国际合作自然是最佳选择。中芯国际分别与北京、深圳和上海市政府合作,在中国三大集成电路产业集散地投资建厂也符合其未来发展规划。

美国芯片三巨头发展简史

计算机CPU巨头英特尔的转型与并购

以电脑CPU发家的英特尔(Intel)至今仍是美国最大的半导体公司(采用IDM模式的半导体厂商),现拥有员工超过11万人,2020年营收高达778.7亿美元,净利润为209亿美元。英特尔主要为联想、惠普和戴尔等计算机制造商提供微处理器芯片(CPU),同时还研发和生产主板芯片组、通信和网络接口芯片、存储器、图形芯片、FPGA、嵌入式处理器,以及汽车、物联网和新兴AI应用所需要的通信和计算相关器件。

英特尔于1968年由半导体先驱Gordon Moore (摩尔定律因其而得名) 和Robert Noyce(最早的IC发明人之一)创立,并在Andrew Grove(《只有偏执狂才能生存》的作者)的协助和领导下得以发展成为全球最大的计算机CPU芯片供应商。据说该公司的英文名称(Intel)是集成(integrated)和电子(electronics)两个词的组合,另外“Intel”也有情报信息(intelligence)的意思,成为信息技术(IT)时代的代言者也是实至名归。

英特尔早期以SRAM和DRAM 内存芯片开发为主,上世纪80年代初存储器是其主要营收来源。1987年英特尔曾经是全球第10大半导体厂商。但日本存储器厂商快速崛起并占据大部分市场,迫使英特尔转向微处理器开发和生产。其在微处理器设计上的投入促进了计算机行业的快速发展,也让英特尔转型成为最大的PC微处理器供应商。从1992年直到2017年,英特尔一直是全球最大的半导体芯片厂商,AMD、三星、东芝、TI、ST和TSMC都难望其项背。

2018年,由于全球对存储器芯片的需求强劲让三星的营收大幅增长,从而超越英特尔而成为全球第一大半导体厂商。由于在10nm晶圆工艺上的一再延迟,英特尔在最先进制造工艺的竞赛中被台积电和三星甩在后面。与此同时,采用TSMC最新工艺的AMD在PC处理器市场直追英特尔。尽管英特尔仍然是全球最大的半导体公司,在财务出身的CEO Bob Swan领导下营收和利润都在稳步增长,但因为无法赶上晶圆制造技术的快速发展而饱受投资人和业界诟病。

英特尔于今年2月份聘请原CTO Pat Gelsinger担任CEO,并启动IDM 2.0战略,在加速研发下一代晶圆制造工艺的同时开始对外提供晶圆代工服务。为配合美国政府振兴半导体制造产业的号召,英特尔计划投资200亿美元在亚利桑那州兴建新的晶圆厂,TSMC和三星也紧随其后计划在该州兴建新的晶圆厂。

下表列出了英特尔自2009年至今的并购案例,其中影响比较大的并购包括:

1. 2009年以8.84亿美元收购嵌入式系统厂商Wind River Systems;

2. 2010年以76亿美元收购安全软件厂商McAfee,同年以14亿美元收购英飞凌旗下的无线业务;

3. 2014年以6.5亿美元收购Avago旗下的通信处理器业务;

4. 2015年以167亿美元收购FPGA厂商Altera;

5. 2016年分别收购AI和新技术公司Nervana Systems, Movidius和Soft Machines;

6. 2017年以150亿美元收购以色列自动驾驶技术公司Mobileye;

7. 2019年收购网络交换机厂商Barefoot Networks,同年以20亿美元收购以色列AI芯片初创公司Habana Labs。

模拟巨头TI是如何炼成的?

德州仪器(TI)的2020年财报数据显示,2020全年营收为144.61亿美元,同比增长0.54%;毛利为92.69亿美元,毛利率约64%;净利润55.95亿美元,同比增长11.52%。在营收组成方面,TI主要有六大业务版块。其中工业市场占37%;汽车占20%;个人电子产品占27%;通信占8%;企业系统占6%;其它占2%。

在IC Insights每年发布的全球十大模拟芯片厂商排行榜上,TI已经多年稳居第一,2020年也不例外。2020年TI的模拟器件业务营收为108.86亿美元,利润高达49.12亿美元。根据芯思想整理的数据,2020年TI在中国的营收占比高达55.32%。

排名第二的ADI与第七名Maxim合并后,模拟业务总营收超过70亿美元,进一步逼近龙头老大TI,但仍需几年的时间才有可能赶上甚至超过TI,因为模拟芯片的应用广泛,增长相对比较稳定,短时间内很难有大的飞跃。

德州仪器于1951年由一家地震测量设备和国防电子公司重组而成,于1954年制造出世界上第一个商用硅晶体管,并于同年设计并制造了第一台晶体管收音机。Jack Kilby于1958年在 TI 的中央研究实验室发明了集成电路,并因此获得诺贝尔奖(英特尔的Robert Noyce在同期也发明了IC,但因为诺贝尔奖提名时已经过世而没有获奖)。TI还在1967年发明了手持计算器,并于1970年推出了第一款单芯片微控制器MCU(将所有计算单元集成到一块硅片上)。

1987 年,TI 发明了数字光处理器(DLP),该技术是大屏幕投影和影院DLP Cinema的基础。TI于1997年将其国防业务出售给雷神公司(Raytheon),从而使 TI 能够专注于DSP等数字解决方案。2011年收购 National Semiconductor 后,TI拥有了45,000种模拟产品种类和客户设计工具组合。在股市上,TI通常被视为半导体和电子行业的风向标,因为其芯片产品几乎渗透到了所有电子产品领域。

自1996至2011年,TI的并购案例汇总如下:

1. 1996收购Tartan公司;

2. 1997年以3.95亿美元收购Amati Communications;

3. 1998收购GO DSP,并收购Harris半导体旗下的标准逻辑业务

4. 1999年以3.65亿美元收购以色列公司Libit Signal Processing;5000万美元收购Butterfly VLSI;4.57亿美元收购Telogy Networks;以及Unitrode公司;

5. 2000年以76亿美元收购Burr-Brown;

6. 2006年以2亿美元收购Chipcon;

7. 2009年收购CICLON和Luminary Micro;

8. 2011年以65亿美元收购National Semiconductor。

德州仪器在2011年超过ST而成为模拟老大,占据整个模拟市场份额的15.4%。过去10年来,全球半导体并购跌宕起伏,而TI是前10大厂商中唯一一个没有大型并购的厂商,但却一直稳坐模拟芯片市场头把交椅。

2012年,TI开始战略性地退出手机基带处理器领域,将模拟和嵌入式处理作为重点业务,紧紧抓住汽车电子和工业电子市场,实现营收66亿美元,并以16.7%的市场占有率继续稳居模拟市场首位。

德州仪器是最早在300mm晶圆上制造模拟芯片的公司之一。与200mm晶圆相比,在300mm晶圆上制造模拟IC可使每个裸片的成本降低40%。2017年,TI模拟业务收入约50%都来自300mm晶圆。2018年TI的模拟业务营收为108亿美元,市场份额为18%,几乎是排名第二的ADI营收的两倍。2019年,TI模拟收入下降至102亿美元,市场份额增至19%。至今其模拟半导体市场龙头地位仍然固若金汤,无人能够撼动。

今年7月份,TI宣布出价9亿美元收购美光位于犹他州的一座300nm晶圆厂,这座工厂的65nm和45nm工艺生产线将进一步增强TI在模拟器件和嵌入式处理器芯片方面的产能。

模拟器件公司ADI

ADI的2020财年营收为57.94亿美元,净利润为12.2亿美元。其主要技术和产品包括:模拟和混合信号(转换器、放大器、接口);电源管理(调压器、PMIC、监控);RF射频(DC-100GHz、微波、毫米波);边缘处理器和传感器(DSP、MCU、惯性、光学)。

ADI公司全称为Analog Devices, Inc. (ADI),于1965年由两位MIT毕业生Ray Stata 和 Matthew Lorber创立。该公司第一款产品是101 型运算放大器,并于1973 年率先推出激光修整晶片和第一个CMOS 数模转换器。 最近几年在CEO Vincent Roche带领下,ADI并购动作频繁,2016年以148 亿美元收购Linear Technology,2020年又以200亿美元高价收购Maxim,从而成为销售额仅次于TI的模拟巨头。

ADI公司总部位于马萨诸塞州威尔明顿,区域总部分别位于中国上海、德国慕尼黑、爱尔兰利默里克和日本东京。ADI在美国和爱尔兰设有晶圆工厂,其封装测试工厂位于菲律宾。ADI的设计中心遍布澳大利亚、加拿大、中国、埃及、英国、德国、印度、以色列、日本、苏格兰、西班牙、中国台湾和土耳其。

在50多年的发展历史上,ADI并购了很多公司,现按时间顺序梳理如下:

1. 1969年:Pastoriza Electronics

2. 1971年:Nova Devices

3. 1978年:Computer Labs

4. 1984年:International Imaging Systems

5. 1990年:Precision Monolithics, Inc.

6. 1991年:Edsun Laboratories的技术资产

7. 1996年:Mosaic Microsystems Ltd.

8. 1997年:Medialight Inc.

9. 1999年:Edinburgh Portable Compilers

10. 2000年:BCO Technologies PLC, Signal Processing Associates, Integrated Micro Instruments Inc., Chiplogic Inc. 和Staccato Systems Inc.

11. 2006年:AudioAsics A/S, Integrant Technologies和TTPCom部分资产

12. 2011年:Lyric Semiconductor, Inc.

13. 2014年:Hittite Microwave Corporation

14. 2016年:Linear Technology, Sypris Electronics和Cyber Security Solutions Business

15. 2018年:Symeo GmbH

16. 2019年:Test Motors

17. 2020年:Maxim Integrated。

美国这三家芯片巨头都有超过50年的历史,而且在发展历程中都进行了多次并购,经过融合和调整,并适应市场和时代的发展而成就现今的辉煌。从总部所在地来看,位于硅谷心脏的英特尔是与硅谷同步成长起来的,附近有斯坦福和加州大学伯克利分校为其源源不断地输送工程技术人才;位于德州达拉斯的德州仪器尽管在地域上不是高科技集散地,但德州大学和德州首府奥斯汀为TI提供了很多高质量的工程技术人才(2011年并购National Semiconductor之后在硅谷也占据了一席之地);ADI发源于MIT,自然不愁顶尖的工程技术人才,麻省和波士顿区域的高科技地带也是半导体等高科技创新的沃土。

中国半导体企业的自主创新之路

自台积电上世纪90年代开创晶圆代工模式以来,全球半导体供应链的分工越来越明细。晶圆代工造就了很多fabless巨头,比如高通、英伟达和联发科。多年来一直挣扎在英特尔阴影下的AMD剥离其晶圆制造业务而转型为fabless之后,其技术研发和市场竞争力越来越强,在PC市场甚至有实力跟英特尔正面对决了。

中国的半导体产业也得益于这种晶圆制造、封测和IC设计分工的发展模式。中芯国际不但是中国晶圆代工的龙头,也是中国整个半导体行业的领头羊,其战略布局和未来发展线路对中国半导体产业有着举足轻重的影响力。本文开头提及的临港28nm晶圆项目也将进一步推动临港新片区往中国新一代集成电路产业基地的方向发展。中芯国际同时在上海、北京和深圳的晶圆制造布局也代表着中国半导体产业的均衡分布和发展格局。

在整个半导体产业供应链上,国产IC设计公司的数量最多(去年底统计数据显示为2000多家,今年仍在飞速增长中),供应链上游的晶圆代工、封装测试、EDA和IP都要围绕fabless公司展开研发、服务和市场竞争。在中国国产IC设计公司中,最近刚刚科创板上市的格科微有一定的代表性。这家耕耘CMOS图像传感器市场18年,凭借自主研发的技术创新模式,以及主导中低端CIS市场的发展策略,成为CIS领域国产替代的先锋。格科微计划通过上市和其它融资渠道募集资金,预计投资22亿美元在临港新片区启动12英寸CIS 集成电路特色工艺研发与产业化项目,拟通过 “自建产线、分段加工”来实现生产工艺的自主可控。这是国产Fabless公司尝试转向集设计、研发、制造、测试为一体的Fablite模式的探索,以保障供应链安全和企业长期稳健发展。(编者注:格科微董事长兼CEO赵立新将在9月14日举行的临港半导体产业发展高峰论坛上发表主题为“中国半导体发展机遇”的演讲,欢迎半导体业界人士报名参会

中芯国际放缓7nm及以下先进工艺的研发而转向28nm等成熟工艺,高端晶圆制造设备受到美国政府的限制是一个主要原因。其实中国半导体真正被“卡脖子”的地方在于高端半导体制造设备。中国半导体设备行业的龙头,中微半导体设备公司董事长兼CEO尹志尧对此颇有感触。中微公司在刻蚀领域和薄膜沉积领域深耕已久,并曾制造出中国第一台电解质刻蚀机。其等离子体刻蚀设备已被广泛应用于国际一线客户从65纳米到14纳米、7纳米和5纳米的集成电路加工制造及先进封装,芯片介质刻蚀设备占据了中芯国际50%以上的新增采购额。在客户方面,中微半导体已成功进入海内外主流半导体制造企业,例如其刻蚀设备客户包括台积电、中芯国际、联华电子、华力微电子、海力士、长江存储等;其MOCVD设备客户包括三安光电、璨扬光电、华灿光电、乾照光电等LED芯片及功率器件制造商。

近日,中微半导体在临港的产业化基地项目开工,该项目规划总建筑面积约18万平方米,项目基础建设总投资约15亿元。项目建成后将满足中微公司集成电路设备、泛半导体设备的研发、测试和产业化需求。中微临港产业化基地计划于2022年底建成并投入使用。(编者注:中微公司董事长尹志尧将出席临港半导体产业发展高峰论坛,并发表《打造全方位高质量、有国际竞争力的半导体设备公司》的主题演讲

国产IC设计公司进行IC设计所采用的EDA工具市场也主要被美国三大EDA公司所垄断,国产EDA开发商华大九天近日首发申请获深交所通过,将登陆深交所创业板上市。华大九天通过上市募集的资金将主要用于电路仿真及数字分析优化 EDA 工具升级项目、模拟设计及验证 EDA 工具升级项目、面向特定类型芯片设计的 EDA 工具开发项目、数字设计综合及验证 EDA 工具开发项目等。

最近,国内四家最大的EDA企业相继申请IPO并获受理,分别是:2021年6月21日,深交所正式受理华大九天的创业板IPO申请;6月25日,上交所正式受理概伦电子的科创板IPO申请;6月30日,深交所正式受理广立微的创业板IPO申请;8月24日,上交所正式受理国微思尔芯的科创板IPO申请。通过上市融资来加强EDA技术研发以提升市场竞争力,这是国产EDA开发商的可行之路。

2009年,刘伟平带领原华大电子EDA事业部创立华大九天,主要从事 EDA 工具软件的开发、销售及相关服务,其主要产品包括模拟电路设计全流程 EDA 工具系统、数字电路设计 EDA 工具、平板显示电路设计全流程 EDA 工具系统和晶圆制造 EDA 工具等 EDA 工具软件,并围绕相关领域提供技术开发服务。截至2020年底,华大九天共有477位员工,其中研发与技术人员共322人,占比达68%。此外,该公司拥有已授权专利144项,以及已登记软件著作权50项。(编者注:华大九天董事长刘伟平将参加临港半导体产业发展高峰论坛,并发表主题为《自主EDA发展之路》的演讲

当然,除以上介绍的IC设计、晶圆代工、半导体设备和EDA之外,中国半导体产业的健康发展还需要IP、封测和各种半导体材料等环节。为加速国产半导体的快速发展,探讨中国半导体企业的自主创新之路,上海临港新片区管委会将于9月14日举办第二届半导体产业发展高峰论坛,本届论坛以“新变局下的全球半导体合作与机遇”为主题,邀请晶圆制造、封测、EDA/IP、IC设计、分销、EMS全产业链公司近百位高层参会,交流集成电路产业发展机会,分享最前沿的技术趋势及科研成果。

责编:Amy Guan

  • 笔误“提供微处理器芯片(CPU)”,应为:提供中央处理器芯片(CPU)
本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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