1.1　垂直整合制造模式

像英特尔和三星这样的大型芯片公司，传统上被统称为IDM。IDM一般拥有生产芯片所有的资源，包括制造设备、封装设备、测试设备、超净工厂、各种生产工艺、各种设计工具和一切所需的基础设施。IDM又拥有自己的芯片品牌、设计和应用工程团队、市场和销售团队等。

随着技术的不断进步和客户的更高要求，IDM需要经常改进生产工艺。在市场开始变得景气时，IDM需要提前增设厂房，购买设备和增加生产能力；而在行业进入下行周期时，则需要想尽办法让工厂满载运营。不同于传统制造业的机器可以使用相当长时间，芯片制造设备投入既昂贵，折旧费用也极高，因此晶圆厂非得努力把设备运营时间全部排满不可。IDM的运营方针总是围绕一句话：“把产能填满”。可想而知，IDM在研发成本以外，需要很大的运营开支。每位IDM公司的高层领导必然需要多花一点时间思考资本开支的问题，而同时牺牲一点考虑产品路线的时间，或者少花一点与大客户交流的时间。

IDM的规模一般十分庞大，能够在形成规模化经济以后，在制造技术和产品成本上胜过无厂的竞争对手。比如德州仪器，在多个国家都有自己的晶圆制造厂和封测厂（多已转型为先进的12英寸厂），也有一支庞大的工艺团队。德州仪器不像其他IDM必须拥有最先进的制造技术，其他竞争对手只需要使用代工厂的成熟工艺，就可以仿照生产出大量性能接近德州仪器的产品，然而无厂的竞争对手需要付钱给各个环节的供应商，因而在产品成本上还是难以与德州仪器相比，结果就是德州仪器不但可以给出业界最低的价格，同时还能赚取不菲的毛利。对于规模极大的IDM，很少有足够的代工厂可以满足其产量的需求，因此寻找合作对象也并非易事。

硅谷老派的CEO们大都是拥护IDM这种模式的，他们希望拥有自己的物理学家、自己的工艺、自己的制造能力，打造自己的护城河。在20世纪90年代，因台积电的横空出世，无厂模式（Fabless）开始兴起，AMD的创始人Jerry Sanders有次在许多芯片巨子出席的午宴上，用他最有感染力的语气说：“你们好好地听我说：真男人是有厂的！”那天下午不少接着他发言的CEO都是用无厂模式的，被老前辈吓了一跳，于是赶紧在台下偷偷地修改自己的发言稿（来自 Silicon Valley the way I saw it ）。当时AMD在与英特尔竞争处理器业务，整合设计和工厂对AMD是有必要的。但在2009年，AMD将自己的制造部门独立出去，成立了格罗方德，转而向格罗方德和其他代工厂采购晶圆，可想而知维持自己的晶圆厂并保持竞争力是多么困难。英特尔的CEO Pat Gelsinger现在仍然坚持要造更多的厂，资本投入很大，导致英特尔多年以来第一次亏损。

业界从早期大多数公司都是IDM，到兴起大量无厂的芯片设计公司，其中经过了20年以上的发展过程，而且出现了下面几个关键性的变化，才使得IDM开始变得不再是唯一的业务模式。

（1）较早的工厂投资费用不高，但是快速发展的工艺需要更大投资。

如图1.2所示，在1970—1980年，当时先进的晶圆厂只需要数千万美元的投资；然而根据著名的摩尔定理，芯片工艺不断突飞猛进，而工艺复杂度的增加意味着制造成本呈指数级上涨。到2020年时，最先进的晶圆厂需要百亿美元以上的投资，而且需要不断投资以保持竞争力，导致全世界有财力和魄力投入建造最先进晶圆厂的IDM公司已经屈指可数。好比特斯拉非得建成产能很大的厂才能平摊成本，让每辆车的价格有吸引力，先进晶圆厂如果要保证价格能够为客户接受，必须建得规模很大，而大多数IDM即使有资金能够建这样的厂，也很难有足够的生意来填满这些厂。比如，一家需要100亿美元来建的最先进工厂，每年光运营和折旧费用就可能要10亿美元以上，那么就需要每年20亿~30亿美元的销售额才能填满产能而且有一定毛利，这样的销售额如果全靠卖同一家公司的芯片，不太容易。

对于不需要追逐最新工艺的IDM，可以继续使用折旧完毕的老晶圆厂，如果在工艺、服务、良率、质量等方面做得好的话，毛利并不低。许多老的8英寸甚至6英寸厂都能赚钱。

（2）早期的芯片型号少，但是后来的芯片的类型和具体型号增长极快。

AMD早期的公司口号是“为了不断增加的复杂度添砖加瓦”（Building blocks of ever-increasing complexity），芯片工业早期的产品只是呈现极简单功能的逻辑或模拟电路，客户如果要实现略复杂的功能，得买大堆芯片，如使用砖瓦一样搭建出一个很庞大的系统级电路。不过对于IDM来说，因为这时芯片型号很少，只要满产开工就行，生产计划很容易完成。

然而随着产业发展，终于客户不再满足只有砖瓦了！客户希望能把更多功能放在芯片上，让他们的系统设计更加简单，这样逐渐出现了大量不同型号各有特色的芯片，还出现了根据客户需求而打造的特殊芯片如ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成芯片）、ASSP （Application Specific Standards Part，专用标准芯片）、SoC（System on Chip，系统级芯片）等，这可算打开了潘多拉的魔盒。一个只有很少人的设计公司，如果有好的想法、好的设计，就可能比庞大的IDM更满足客户需求。IDM总是倾向于做普适性强而数量很大的芯片，因此IDM与客户诉求未必能完全吻合，英特尔虽然生产总体体量很大，其芯片的具体种类和型号却不如规模大的无厂公司丰富。当某些IDM随自身业务发展，需要增加大量芯片型号以后，仅靠自己工厂较难安排生产。

（3）通用设计工具的兴起。

IDM曾经一直把所有的芯片设计工具掌握在手里，只有限地开放一些知识产权（IP）和工具给客户，比如，英特尔过去授权其处理器架构给其他公司，这些公司只能长期跟随而不能形成太大威胁。然而加州理工学院的Carver Mead教授和Lynn Conway在芯片设计理论上的贡献和其出版的教材使得芯片设计不再是保密知识。随即在20世纪80—90年代，商用的EDA设计软件和芯片IP产业开始兴起，设计公司可以使用第三方的设计软件，开发出的IP完全归自己所有，大大增加了开发的便利度。现在很多客户寻求ARM的授权或使用开源RISC-V，不用重复发明轮子，将自己的创新电路模块整合成为SoC芯片，形成自己独特的产品。

（4）IDM的建厂经验不再保密。

IDM的工厂运营离不开对制造设备的采购，以及与设备制造商共同研发的生产工艺。在20世纪70—80年代，IDM在经济周期进入缓慢增长和衰退期时，IDM的很多人才进入了设备厂、材料厂或工程咨询公司，他们给购买设备的客户提供附加的生产工艺的方案，让建晶圆厂的技术门槛不断降低。此外很多20世纪60—80年代早期移民美国的人也在经济衰退中回流亚洲，给中国台湾和新加坡等地开展代工业务提供了最早的一大批有经验的人士。

（5）IDM不必完全覆盖全生产链。

随着摩尔定律带来的前期建厂和运营成本的急剧增加，IDM开始考虑外包部分制造环节。相对简单的封装和测试工序是IDM为了节约人工费用而最早开始外包到亚洲的业务，其中最早的是在1963年，Fairchild在香港建立封装部门，随后德州仪器、摩托罗拉等跟进。在1968年已经有专做封装的安靠半导体（Amkor）在韩国创业，开始时仅有数台机器，今日已发展到数万员工。在更核心的晶圆制造方面，1987年台积电的横空出世，带动了晶圆代工的整个产业。此前有联电，此后有中芯国际、世界先进、格罗方德等代工厂陆续成立。早期IDM公司的CEO如TJ Rogers、Andy Grove、Ray Stata等群星，几乎都懂得半导体物理和芯片制造工艺。而随后的芯片设计公司的CEO，可能懂得芯片架构和设计、客户的具体应用和系统要求，甚至可能是市场或销售出身。他们考虑得更多是提供解决方案，而把制造的部分放心地交付给代工厂来负责。因此AMD的口号当时就逐渐从“为了不断增加的复杂度添砖加瓦”改变到“高品质的计算正在改变我们的生活”，很显然已经从关注生产到更加关注其终端应用。

最后，IDM要尽量100%占满产能。这是因为晶圆厂的设备和人工极其昂贵，运转成本很高，因此让生产线空着的成本和工厂满载运营的成本相差不大，这好比飞中美航线的飞机无论有没有装乘客，整趟飞行成本都差不多。建起一座新的12英寸芯片厂每周需要加工几万片晶圆才能形成规模效应而盈利，然而IDM即使有资本来兴建，也未必有充足的业务量能够填满这些厂。全球经济不断波动，在经济好时管理层很难遏制建新厂的冲动，而在经济下行时新厂又不可能随时关掉卖掉，要保证满足产能非常困难，这就有很大的财务隐患。

业界发现可以由两类其他业务模式来覆盖IDM模式的不足：芯片设计公司不必建厂，而晶圆代工厂可以专注于制造而不必设计产品，可以去全世界搜集客户来最大限度填满产能，将市场波动和产能供需失衡的风险减到最小。这样的合作方式可能是最为健康而低风险的，因此从20世纪90年代以来，代工厂和设计公司互相协助，使得设计公司的整体销售额已经接近IDM 50%的地步，而且差距在不断缩小，如图1.3所示，而且大多数有厂的IDM都有一定的生产任务交给其他代工厂。代工厂和设计公司的生态系统，在芯片工业历史上的重要性，可能不亚于集成电路的发明本身。

晶圆代工厂（Foundry）。晶圆代工厂的定义是：“100%帮助芯片设计公司生产芯片的工厂”。代工厂是IDM和设计公司之间的微妙角色，其必须采取中立方式，不与任何客户产生直接或间接的竞争。客户可以使用代工厂自身的标准工艺和各种IP来设计自己的产品，也可以借由代工厂的设备员工和采购第三方IP来开发自己的工艺。

在20世纪60—70年代，部分美国和日本的IDM公司在生意下坡，产能无法填满时，曾经将一些自己的产能租给其他公司，算是对代工外包业务开了个头。然而当经济开始转好时，这些产能又可能被收回，而且其中还可能有产品和知识产权上的利益冲突，因此这样的模式只是一时的权宜之计，算不上是创新的变化。在20世纪80年代，中国台湾的工业技术研究院和当时的飞利浦半导体（现在为NXP）合作成立了芯片界第一家纯粹的晶圆代工厂——台积电（联电虽然成立在先，然而当时仍是IDM，后来才切分业务）。

台积电公司创办人张忠谋先生是晶圆代工商业模式最重要的先驱之一。张忠谋先生曾经在德州仪器一路做到负责所有芯片业务的副总经理，后来回到台湾创业。张忠谋先生看到了世界上很多中小规模设计公司虽然没有经验和资金来建设自己的工厂，其产品的思路却很有潜力（1985年，开创纯设计公司的费用估计是500万~1000万美元，而开创IDM则需要10倍的资金）。当时最早的成功芯片设计公司如Xilinx和Chips&Technologies已经成立，虽然作为IDM副业的晶圆代工业务已经存在，但是要建起一座大型晶圆厂只是纯粹为了提供代工服务，可谓是业界非常惊人的举措。晶圆代工厂的英文是foundry，在字典中与金属加工车间同名，其运行的商业原理也是一样。比如，今天我们要把一个金属件车成某种形状，就可以找到加工车间询价，我们自己不用学操作机床，而过段时间就能收到加工好的产品。同样，如果我们需要芯片来卖给客户，可以向晶圆代工厂询价，把自己的设计上传，过几个月就会收到刻印在晶圆上、数量不一的芯片，而不需要太操心芯片到底是怎么做出来的。

张忠谋先生推崇的台积电的核心价值是正直、承诺、创新、合作。他宣布台积电将不在公开市场上销售芯片，绝对不与客户竞争，台积电只处理流程中的制造部分，至于设计及销售则由客户自行负责。张忠谋先生也建立了稳健的IP安全保障的措施，使客户的设计和商业机密不致泄露。张忠谋先生的远见，是认为需要与设计公司建立真正的合作关系，才能经得起时间的考验，而因此揭开了晶圆代工商业模式的序幕。而与代工业建立同样惊人的是整个代工生态系统的建立，除了生产以外，芯片设计公司同样也需要成熟的设计工具，IP和其他服务，才能真正帮到设计公司。几乎与台积电、联电等成立的同时，Cadence也成立了，并逐渐成为当时唯一提供芯片设计工具的EDA大厂。如今设计公司可以购买各类设计工具和现成的IP，设计好芯片再交由台积电生产，设计公司负责的是芯片定义、设计和销售，而代工厂则完全负责晶圆加工，有时还加上测试、封装等部分。张忠谋、李国鼎、曾繁城等前辈的伟大之处，不仅是创立台积电和其他代工厂，而且是作为传道者和助推者，使上下产业链的大量从业者抱有共同信念而建立起晶圆代工的整体行业。

为了保证持续的竞争力，代工厂在“硬”的方面必须持续购入制造设备，扩展生产空间，培养成熟的运营团队，确保水电和各种精细化工耗材的供应来保障工厂能够24小时持续地运营；而在“软”的方面代工厂经常与EDA和IP供应商洽谈以扩大合作伙伴，研发更好的工艺使得自己生产的芯片可以尺寸更小和性能更佳，提供更多验证好的IP以方便客户开发，了解终端市场的普遍需求以更好优化自己的工艺，以及保持一支有经验的客户服务团队以解决各种突发问题。从我与不少代工厂的长期接触来看，拿到投资，花钱买设备是每家厂都会做的，但是这里“软”的部分，才是真正使代工厂成功的关键。比如，许多竞争成熟工艺市场的8英寸晶圆代工厂，可以说其制造成本、产能和价格都差不多，但是有些晶圆厂生意好到未来两年的产能都被一抢而空还可以加价，有些却愿意降到成本价来填产能，这里“软”的竞争力就起到决定性因素。对于芯片设计公司，很难轻易切换代工厂，需要长期而深入的合作关系，因而在硅谷谈到代工厂，往往称其为“代工厂合伙人”（Foundry Partner）而非“供应商”（Supplier），但是我们自己的客户（各大电子厂商）才不会把我们叫作合伙人！

在晶圆代工发展的早期，代工厂有一系列设计规则和器件参数发给设计公司，而设计公司则发回设计文件，其中可能有一些少数标准的器件库可以从第三方IP公司买到，其关系较为简单。而现在的大型芯片已经极为复杂，为了更好地服务设计公司，需要预先准备更多设计工具、IP，甚至设计服务，因此台积电等代工业大厂更加注重建立开放，创新而协作的平台（Open Innovation Platform, OIP），如图1.4所示。代工厂的核心仍然是在基础制造、工艺和器件，培养大量生态系统内的IP、EDA、设计服务等产业伙伴以对接客户。这里的IP在客户开展设计前就已经开发和验证完毕，使得设计公司可以快速迭代而专注于自己的创新。具体的内容，可以参见台积电和中芯国际等网站。

图1.5显示了2015—2025年芯片代工业务的实际和预计成长速度，将从500亿美元增长到1500多亿美元。其中还有一部分是IDM代工，这些IDM仍有特殊工艺或产品，而出售其制好的晶圆，例如，三星就既是IDM，旗下又有代工业务。

在1987年成立时，台积电比主流IDM还落后两个技术节点，随着从业人员的艰苦奋斗，在20世纪90年代初，已经只落后一个节点，客户蜂拥而至，而到了成立10年以后，台积电已经追上了大多数IDM。而多数IDM至少有部分业务转为代工厂生产，而在今天，台积电已经在制造科技上领先，现在对于新兴的AI处理器和手机SoC这样需要最先进制造技术的产品，只能找台积电或三星定制（而且属于遥遥领先）。这点在其他已经成熟的制造业是很难想象的，比如，贴牌加工汽车的公司怎么可能比奔驰和宝马的制造技术还要先进呢？然而在技术飞快进步的芯片产业却能成为现实，因为同一公司很难在产品创新和制造革新方面同时做到世界前列。很有意思的是联电，它在1980年成立时还是IDM，到1995年却转身成为完全的晶圆代工厂，甚至把原来的设计部门还全部独立出去，留下的公司只专心于制造方面。其分家出去的几家设计部门如联发科、联咏都相当成功。类似的著名案例还有AMD与格罗方德分家，同样都是将设计和制造互相分离。

到2020年，几乎所有IDM都或多或少地需要代工服务。除了台积电以外，其他多数代工厂在较成熟的工艺节点上已经有不亚于IDM自己的制程。代工厂的另一发展途径是不追求先进工艺，而关注于模拟、电源、微机电、简单处理器、传感器等所需的成熟工艺，对这些器件一般制程28nm以上足够，而55nm、90nm、130nm和180nm等各个技术节点可能都有足够大的市场。如以色列的高塔、中国台湾地区的世界先进、韩国的东部高科和美格纳等都是这样的典型，对于大多数的芯片类型，只需要够用的工艺就好。中国大陆晶圆厂在成熟工艺上增长很快，如中芯国际、华虹等，市场占有率稳步增加，未来前景非常光明。尽管是成熟工艺，因为其建立和运营成本不高而市场广阔，如果在“软”的方面建设较好，那么毛利相当可观。晶圆厂未见得一定要做3~7nm等先进工艺才能非常成功。对设计公司来说，很简单的准则是在产品成本可接受的前提下，选择更先进的工艺；而在满足基本性能需求的前提下，选择成本更低的工艺，从中取得平衡。

如今硅谷的半导体从业者感受到了危机，正在推动重新投资芯片的国家法案，不但要维护IDM的声誉，而且放下身段，要从代工业者手里抢市场。Atmel（现被Microchip Technology收购）前CEO John East曾经讲了一个很有趣的故事，是关于他如何向英特尔前CEO Andy Grove请求借用产能而被拒绝。而今英特尔却拼命招兵买马，准备利用计划中的多家新建工厂来大踏步进入晶圆代工业务。晶圆代工产业有很多值得浓墨重彩来描述的关键人物和发展节点，代工厂1.0和2.0模式也有值得书写之处，然而本书的重点是在芯片设计公司方面，因此只能简单说明。晶圆代工产业距今发展还不到40年，也许再下一代的代工业从业人员，可以写一本很有趣的历史书。

到2023年，全球晶圆代工厂市场占有率前五位分别是台积电、三星、格罗方德、联华电子、中芯国际，其中台积电一家就占了60%，前五家公司以外的其他公司加起来只有市场的10%。

图1.6显示了泛电子产业历年来一些标志性的进化历程。1947年晶体管发明，1956年肖克利半导体实验室的建立，代表了芯片技术从实验室开始走向商业社会，随即飞兆半导体（又称仙童半导体）、德州仪器、摩托罗拉、英特尔等芯片公司相继成立，这一路的公司开始都是IDM，在随后的道路上有一部分如英特尔、德州仪器、美光等仍然沿袭IDM模式直到现在。与此同时，西门子、飞利浦、IBM、东芝、索尼等系统公司纷纷进入电子业时代，从20世纪70年代开始，IDM开始将封装和测试工序以自营或外包的方式搬迁到东亚和东南亚，今天在欧美日韩已经鲜见大规模的此类业务。1987年台积电建立，标志着晶圆代工业和芯片设计公司行业开始大规模兴起。20世纪90年代以后，EDA和IP业开始大规模兴起。