全球半导体产业发展演变研究

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集成电路产业是目前世界上发展最快、最具影响力的产业之一,集成电路产业本身经历了几十年的不断的发展与演变,从最初的以“全能型”企业为主体的产业结构转变为产业集群与专业垂直分工越来越清晰的产业结构,这也是从综合发展模式向专业发展模式的演变,这种产业结构的变化是为了适应激烈的竞争、实现最大价值的内在要求。
设计、 制造和封装测试集一身

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。因此,无论从产品设计技术、设备生产技术还是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,在这种情况下,企业要想介入集成电路领域,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”。

美国的综合型电子企业最早开始投资集成电路产业,如Motorola、IBM、DECD等。这些美国公司参与到集成电路产业中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。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。事实上,包括美国、日本的早期集成电路企业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,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,即综合型IDM,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。

材料、设备业的分离

随着工业技术的提升和市场规模的扩大,专业化分工的优点日益体现出来,于是,产品形态明晰的设备业、材料业最先从这些“全能企业”中分离出来,作为独立的行业发展起来。这样,整个产业系统就分化成为集成电路业、设备业和材料业三个细分子产业。
在这种大背景下,应用材料公司于1967年在美国成立,现已成为世界最大的半导体设备厂商。材料、设备制造业从集成电路产业中分离的较早,加之开发技术难度大,属于基础科学类,开发费用高,因此,进入门槛高。到目前为止,半导体设备制造被应用材料、日本东京电子、荷兰ASML等美国、日本、欧盟三家企业垄断。同样的情况也发生在材料业,美国、日本、欧盟掌握着控制权。

封装、测试业的分离

二十世纪70年代,集成电路产业结构发生了一次重大调整,那就是,封装、测试业逐渐从整个产业中分离出来,作为一个独立的产业发展。这一阶段,后道封装、测试技术己基本上物化到了设备仪器技术和原材料技术之中。也就是说,集成电路的后道封装具有较高技术的部分已集中体现在设备仪器技术和原材料技术之中。后道封装、测试生产工序实际上己经转化为劳动密集型工作,而发展中国家劳动力成本低廉,在发展劳动密集型产业上具有发达国家难以达到的成本优势。因此,这一时期,发达国家开始将封装转移到本土以外的其他地区生产,单独的封装测试业开始出现。

到了20世界70年代末,美国的绝大多数集成电路制造公司为了降低其部分生产成本,开始将纵向生产链中技术含量最低的封装、测试工序大量移向海外,主要是马来西亚、菲律宾、韩国和中国台湾地区。恰巧这些地区的政府或当局也正将集成电路作为本地区的支柱产业发展。目前,台湾企业在全球封装测试产业中所占的比重最大,全球前5大封测厂家已占3席,不仅是收入,盈利表现也相当好,先进封装和测试的专业厂商几乎全部集中在台湾。

设计业的分离

二十世纪七十年代,集成电路设计是通过直接画版图完成的,当时只能设计到几百门的复杂度,设计技术主要与特定的技术人员联系在一起;八十年代Daisy公司首先实现了计算机辅助工程(CAE),使得工程师可以通过画逻辑图、自动布局布线的方式完成设计,CAE不仅使设计水平由原有的几百门迅速上升到一万门左右的水平,而且,自动布局布线降低了对设计人员的技术要求,集成电路设计技术开始部分物化到设计工具中。随着EDA工具(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,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,为集成电路的扩大应用奠定了基础。

随着微处理器和PC机的广泛应用和普及(特别是在通信、工业控制、消费电子等领域),IC产业已开始进入以客户为导向的阶段,产品的差异化不断加大,这些使得集成电路产业从一个标准产品(如DRAM、标准逻辑电路等)竞争时代进入到一个定制产品的时代,因此大量专门从事集成电路设计公司出现。于是,集成电路产业组织状况发生了新的变化,在集成电路产业内明显出现了垂直分工和产业集聚的现象。

自1982年世界上第一家专业化的集成电路设计公司——美国LSILogic公司成立以来,集成电路设计公司便以其经营模式灵活、注重创新设计和与应用市场结合紧密而实现了超常发展。2006年世界IC设计公司收益较2005年增长34%,远高于整个半导体行业8.9%的增长率,占半导体工业总体收益的20%。

在这期间,由于制造工艺水平的提高,对生产线投入的资金要求越来越大,多数IDM中小企业已无力承担这些费用所带来的经营风险,高额的建线费用也限制了许多试图进入IC业的人,于是只专注于芯片制造的代工企业(Foundry)出现了。1987年,全球第一家集成电路制造专业代工服务公司——台积电(TSMC)成立。时至今日,身为业界专业代工模式创始者的台积电已成为全球规模最大的专业集成电路制造公司,提供业界最先进的工艺技术及拥有专业晶圆制造服务领域最完备的组件数据库、知识产权、设计工具及设计流程。在半导体代工阵营中,TSMC、联电(UMC)、中芯国际(SMIC)、特许(Chartered)属于前四大企业,占据着绝大部分代工市场,而以X-Fab、Jazz Semiconductor为代表的企业以提供特殊Foundry服务(如RF、Analog)而拥有自己的一席之地。

大量无生产线的IC设计公司的出现,为专业代工厂的发展提供了巨大的发展空间;反之,代工厂的出现也降低了设计公司进入IC领域的门槛,大量的设计企业也随着诞生。无生产线的IC设计公司(Fabless)与IC代工制造公司(Foundry)相配合的方式成为集成电路产业发展的重要模式。从下图可以看到,Fabless公司在11年间公司数量增加4倍,营业收入增长40倍,年均增长率达22%,远高于全行业8%的速度和IDM 7%的速度。

综合型IDM向专业型半导体企业的转变

专业型IDM公司,即专门从事半导体产业设计、制造、封装测试,基本上不从事整机业务的公司。这种形式起始于上世纪60年代后期的美国,比如Intel、AMD、Zilog等若干公司。1987年,综合电子企业法国汤姆逊公司的半导体部门分离出来与意大利半导体公司合并为STM半导体公司。专业型IDM公司相对于综合型IDM公司的高效运作具有典型的示范意义。

二十世纪90年代后期,随着Internet的普及,IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段,国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争,“快鱼吃慢鱼”的现象十分醒目。

2000年前后几年,Motorola、Siemens、Philip等欧美综合型IDM公司迫于竞争压力,将半导体业务单独剥离出来,分别成立了Freescale、Infineon、NXP等专业型IDM公司。日本的综合电子企业NEC、日立(也是综合型IDM公司)剥离其存储器部门成立存储器大厂Elpida,后三菱公司也加入,日立、三菱的非存储器业务部门又分离出来联合成立瑞萨半导体公司,成为业界相当瞩目的现象。综合型IDM厂商转型为专业型IDM厂商最为典型的是Motorola。其2003年时共拥有各类半导体厂共39个。经过关闭,兼并及重组,最后仅存下8家盈利最高的工厂,在天津花费了18亿美元建成的MOS 17工厂在维持试运行3年后,最终以股权转让方式,售予中芯国际。其2004年结构重组后,新公司飞思卡尔一年之内即迅速上市,并实现扭亏为盈。

从上述情况还可以看到,专业型IDM公司在产品种类的问题上采取了更加“专注”的策略。事实上,早在1985年,美国以Intel为代表,为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁,主动放弃DRAM市场,大搞CPU和逻辑电路,作了重大结构调整,又重新夺回了世界半导体霸主地位。后来,同样的情况也发生在AMD身上,为了更具竞争力,2003年AMD剥离了存储器业务,集中精力从事CPU业务,而其存储器业务与富士通合资成立了Spansion闪存公司,由Spansion独立发展存储器业务。

在产业发展过程中人们认识到,跨越太长产业链的集成电路公司体系并不一定有利于企业发展,“细分”才能精,“联合”才成优势,不少综合型IDM公司,特别是美国欧洲企业,纷纷改制成为专业型IDM公司。

综上所述,集成电路产业从诞生至今的50年中,随着技术和市场的不断变化,经历了多次结构调整之后,已经逐渐由原来“大而全”形式的产业演化成目前“专而精”的多个细分子产业。在IDM公司继续发挥重大作用的基础上,IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势,形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面。即使在设计业自己内部慢慢地也出现了细分,如专门从事提供IP的设计服务公司,及第三方设计公司;制造业内部分为IDM制造与专业代工制造企业两种形式。正是这些具有不同特征的细分子产业间相互作用、相互推动、相互制约,越来越影响着整个集成电路产业体系的发展。近年来,全球IC产业的发展也越来越显示出产业链细分和模式多元化的活力。