Fab-Lite模式引領(lǐng)中國半導(dǎo)體制造業(yè)走向“中國智造”

李昂洋

（河南大學(xué)，河南 開封 475000）

一、概念和背景

（一）半導(dǎo)體和集成電路

半導(dǎo)體器件可以通過結(jié)構(gòu)和材料上的設(shè)計(jì)達(dá)到控制電流傳輸?shù)哪康?，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建各種處理不同信號的電路，被廣泛應(yīng)用在當(dāng)前多有電子設(shè)備中。集成電路[1]是把一個(gè)電路中所需的元件及布線互連一起；再以半導(dǎo)體材料為基片, 將元件和互聯(lián)線路集成在基片上;之后的半成品晶圓(Wafer)經(jīng)過劃片、封裝在一個(gè)管殼內(nèi)組成一個(gè)整體,成為具有所需電路功能的產(chǎn)品，又被稱為芯片。集成電路2015年全年產(chǎn)值高達(dá)2753億美元，占所有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)值的81.8%，IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指標(biāo)在一定程度上代表了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（二）無晶圓廠、晶圓代工廠和垂直整合制造商模式

無晶圓廠（Fabless）和晶圓代工廠（Foundry）是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展到20世紀(jì)90年代后由于分工而產(chǎn)生的兩種相互合作的生產(chǎn)模式。無晶圓廠負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)芯片、研發(fā)新架構(gòu)和提供解決方案，設(shè)計(jì)稿交由晶圓代工廠進(jìn)行生產(chǎn)，最后進(jìn)行封裝測試。垂直整合制造商（IDM）是自然的半導(dǎo)體生產(chǎn)方式，往往企業(yè)規(guī)模巨大，有資本運(yùn)營和管理大量的生產(chǎn)線和設(shè)計(jì)所。代表性的無晶圓廠有ARM和Nvidia。晶圓代工以市場占有率高達(dá)59%的TSMC為主。傳統(tǒng)的IDM廠商包括intel和拆分出GLOBALFOUNDRIES生產(chǎn)線之前的AMD。

半導(dǎo)體制造業(yè)和一般加工制造業(yè)相比有巨大的差別，不管是生產(chǎn)線還是提供解決方案的設(shè)計(jì)公司，對前沿技術(shù)要求較高，落后于主流工藝的芯片會(huì)迅速被市場淘汰，一般一款移動(dòng)通信設(shè)備集成的芯片會(huì)在兩年左右更新規(guī)格，而計(jì)算機(jī)平臺的芯片，尤其是消費(fèi)級的核心處理器，最快每一年都會(huì)經(jīng)歷換代的更新。同時(shí)新技術(shù)往往受到嚴(yán)格的專利保護(hù)，在不同國家或經(jīng)濟(jì)區(qū)間甚至存在技術(shù)封鎖，瓦森納協(xié)定限制了締約國向中國出口重要技術(shù)和敏感產(chǎn)品。這些制約了新型半導(dǎo)體企業(yè)發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的90%左右的產(chǎn)值都來自頭部企業(yè)。具體來說，是在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)鏈中的芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和設(shè)備供應(yīng)這三個(gè)環(huán)節(jié)中占壟斷地位的企業(yè)。

二、理論框架和指導(dǎo)精神

來自《中國制造2025》的“中國智造”理論框架?！吨袊圃?025》中提出的“中國智造”是當(dāng)前我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型的理論框架，其中明確提出：

“（大力推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域突破發(fā)展）集成電路及專用裝備。著力提升集成電路設(shè)計(jì)水平，不斷豐富知識產(chǎn)權(quán)（IP）和設(shè)計(jì)工具，突破關(guān)系國家信息與網(wǎng)絡(luò)安全及電子整機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心通用芯片，提升國產(chǎn)芯片的應(yīng)用適配能力?！盵2]

在同一時(shí)刻，世界范圍內(nèi)的制造業(yè)正在經(jīng)歷生產(chǎn)組織方式的巨大變革，主要工業(yè)國家都在尋求發(fā)展方向，以歐洲為例，德國在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，尋找歐洲制造業(yè)轉(zhuǎn)型的方向，美國也曾提出過相似的CPS(Cyber-Physical System)路線，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和在工業(yè)化戰(zhàn)略。這些戰(zhàn)略的密集部署透露出了我們正處于工業(yè)別個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)這一信號。在這一背景下，“中國智造”是實(shí)現(xiàn)中國制造業(yè)彎道超車的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

三、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

（一）尖端科技主導(dǎo)發(fā)展

簡單回顧半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史，是技術(shù)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)升級，最終對社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生翻天覆地變化的歷史。在從1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一支晶體管，到仙童半導(dǎo)體公司（Fairchild Semiconductor）首次將集成電路投入商用，再到如今英特爾集成處理器縮短制程到8nm的速度印證了摩爾定律的發(fā)展歷程中，始終有一條主線，就是重要技術(shù)和關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)的出現(xiàn)是公司占據(jù)市場、產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

（二）半導(dǎo)體制造業(yè)生產(chǎn)組織方式

圖1 泛半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈[3]

圖2 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈[4]

上圖是經(jīng)過浦曉棟[4]簡化后的半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)工藝，依附于這條完整生產(chǎn)流程發(fā)展來的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈目前已經(jīng)成熟，由芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測試以及設(shè)備供應(yīng)商和原材料供應(yīng)商構(gòu)成。

目前半導(dǎo)體生產(chǎn)商可以橫向分為五大類：

1、IDM(Integrated Device Manufacturing)，以英特爾和三星電子為代表，這一類半導(dǎo)體廠商同時(shí)具有芯片設(shè)計(jì)部門和晶圓廠，可以自主生產(chǎn)自有品牌的產(chǎn)品。

2、Fabless，這一類半導(dǎo)體廠商沒有自己的生產(chǎn)線，稱為無晶圓廠。這一類廠商一般掌握當(dāng)前最前沿的知識產(chǎn)權(quán)，或者有設(shè)計(jì)所，如之前提到的Nvidia，或者擁有被廣泛應(yīng)用的架構(gòu)專利，如ARM。

3、Foundry，稱作晶圓代工廠，專門從事制造，沒有相關(guān)尖端技術(shù)或者設(shè)計(jì)能力，但有成規(guī)模的生產(chǎn)線（mega-fab）。

4、半導(dǎo)體設(shè)備與原材料提供商，提供生產(chǎn)資料，如ASML和DNP。

5、封裝測試公司，這些公司將通過測試的晶圓，按照產(chǎn)品型號及功能需求加工得到獨(dú)立的芯片。

四、從制造向“智造”轉(zhuǎn)型

（一）Fab-Lite生產(chǎn)模式介紹

目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)方式可以歸結(jié)為設(shè)計(jì)端（design house）和生產(chǎn)線（fab）兩側(cè)的合作，這一方式從20世紀(jì)90年代至今運(yùn)行了將近三十年，并以臺積電為標(biāo)志進(jìn)入了成熟期。而新的組織方式往往在市場需求滿足一定條件的時(shí)候出現(xiàn)，隨著代工產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能逐漸過剩，專注與生產(chǎn)線的Foundry模式也在失去其意義，于是市場催生Fab-Lite模式的產(chǎn)生。

Fab-Lite，又稱作輕量化晶圓廠模式，將設(shè)計(jì)所和生產(chǎn)線整合，是介于不組織生產(chǎn)線的Fabless和不具備設(shè)計(jì)能力的Foundry模式中間的新型半導(dǎo)體廠商運(yùn)行模式。隨著集成芯片功能逐漸復(fù)雜，以及單芯片系統(tǒng)的推廣，生產(chǎn)和設(shè)計(jì)往往需要同時(shí)或者往復(fù)完成。因此Lab-Lite模式對參與生產(chǎn)的廠商進(jìn)行了功能整合，生產(chǎn)線不在僅僅局限于生產(chǎn)下游環(huán)節(jié)，開始頻繁對設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行反饋和技術(shù)要求。

（二）對Fab-Lite生產(chǎn)模式的具體分析

回顧《中國制造2025》[2]戰(zhàn)略白皮書對我國半導(dǎo)體制造業(yè)轉(zhuǎn)型提出的要求，F(xiàn)ab-Lite生產(chǎn)模式可以從以下三個(gè)方面分別與其對應(yīng)。

1、知識產(chǎn)權(quán)

“著力提升集成電路設(shè)計(jì)水平，不斷豐富知識產(chǎn)權(quán)（IP）和設(shè)計(jì)工具，突破關(guān)系國家信息與網(wǎng)絡(luò)安全及電子整機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心通用芯片，提升國產(chǎn)芯片的應(yīng)用適配能力?！?/p>

Fab-Lite模式和現(xiàn)在普遍發(fā)展的代工模式最大的區(qū)別，在于為廠商配置了相應(yīng)規(guī)模的研發(fā)部門，使具有生產(chǎn)能力的廠商同時(shí)也具備了芯片的自主設(shè)計(jì)能力。將會(huì)從數(shù)量、規(guī)模和分布上提升了我國在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最前端的研發(fā)水平。

2、生產(chǎn)組織方式

“培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平?！?/p>

設(shè)計(jì)廠商擁有自己的生產(chǎn)線的最直接的好處在于降低了試錯(cuò)成本，是從fab側(cè)向design house側(cè)的正反饋。以往，在從研發(fā)到推出一款新的芯片或者感應(yīng)元件的過程中，由于工業(yè)產(chǎn)品對生產(chǎn)線的依賴，設(shè)計(jì)圖在每次修改除了進(jìn)行模擬外必須有實(shí)物生產(chǎn)。而這些測試平均占據(jù)設(shè)計(jì)成本總體的20%。

如果廠商采用Fab-Lite生產(chǎn)方式，每次修改設(shè)計(jì)圖都可以用自己的生產(chǎn)線在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出對應(yīng)測試芯片，極大地縮減了試錯(cuò)成本，這樣半導(dǎo)體廠商可以用自己輕體量的生產(chǎn)線不斷進(jìn)行測試，從而提高設(shè)計(jì)研發(fā)的速度，并且因?yàn)楦哳l的測試而降低了每代產(chǎn)品的次品率。

3、企業(yè)價(jià)值與整體形象

“形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的名牌產(chǎn)品，不斷提升企業(yè)品牌價(jià)值和中國制造整體形象?！?/p>

接近消費(fèi)者的品牌更容易被大眾熟知，比如在消費(fèi)級電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域，往往，Apple Inc、三星電子、Sony Corporation這樣完全控制了設(shè)計(jì)側(cè)的企業(yè)，比生產(chǎn)鏈中游負(fù)責(zé)制造組裝的企業(yè)有更好的整體形象和品牌價(jià)值。

五、結(jié)語

《中國制造2025》行動(dòng)綱領(lǐng)中的“中國智造”部分是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的理論框架，而復(fù)合的Fab-Lite模式是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型的具體途徑。

盡管我們距實(shí)現(xiàn)李克強(qiáng)總理提出的“力爭到2035年我國制造業(yè)躋身到世界制造強(qiáng)國陣營中等水平”目標(biāo)尚有一段路要走，但是如果我們的半導(dǎo)體企業(yè)能在框架內(nèi)把握好發(fā)展的方向，抓住歷史機(jī)遇，從豐富知識產(chǎn)權(quán)、革新生產(chǎn)方式、提升企業(yè)價(jià)值與整體形象三個(gè)方面前進(jìn)，我們就能早日達(dá)成這一戰(zhàn)略目標(biāo)。