## 半导体生态图景
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我们正在看到一切的数字化转型。 半导体作为处理数字信息的芯片几乎是无处不在：计算机、汽车、家用电器、医疗设备等。半导体公司今年的销售额将超过6000亿美元。

从下图中看，这个行业似乎很简单，半导体生态系统中的公司制造芯片（左侧的三角形）并将其出售给公司和政府机构（右侧），然后这些公司和政府机构将芯片设计成系统和设备（例如手机、电脑、飞机、云计算等），并将它们出售给消费者、企业和政府。 包含芯片的产品的收入价值数十万亿美元。
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然而，考虑到它的规模，这个行业对大多数人来说仍然是个谜。 如果你真的想到了半导体行业，你可能会想象在工厂洁净室（芯片工厂）里穿着兔子装的工人拿着 12 英寸晶圆。 然而，这是一个一次操作一个原子的材料的企业，其工厂的建造成本高达数十亿美元。 （顺便说一句，那个晶片上有两万亿个晶体管。）
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如果您能够查看代表半导体行业的简单三角形内部，而不是一家制造芯片的公司，您会发现一个拥有数百家公司的行业，所有公司都相互依赖。 总体而言，它非常庞大，所以让我们一次描述生态系统的一部分。 （警告——这是一个非常复杂的行业的简化视图。）

### 半导体行业细分

半导体行业有七种不同类型的公司。每一个不同的行业部门都将其资源输送到下一个价值链，直到最终一家芯片工厂(“Fab”)拥有制造芯片所需的所有设计、设备和材料。从下往上看，这些半导体行业细分如下:
  - 芯片知识产权(IP)核心
  - 电子设计自动化(EDA)工具
  - 专业材料
  - 晶圆厂设备(WFE)
  - “无晶圆”芯片公司
  - 集成设备制造商(IDMs)
  - 芯片晶圆代工厂
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下面的部分提供了这七个半导体行业领域的详细信息。

#### 1. 芯片知识产权(IP)核心
  * 芯片的设计可能由一家公司拥有，或者……
  * 一些公司将自己的芯片设计通过软件构件模块（称之为IP核）授权其他公司以获得广泛的使用
  * 全球有超过150家销售芯片IP核的公司
  * 例如，苹果从Arm获得授权使用其IP核用在其iphone和电脑微处理器中
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#### 2. 电子设计自动化(EDA)工具
  * 工程师使用专门的电子设计自动化(EDA)软件设计芯片，这样可以在他们购买的任何IP核上添加他们自己的设计
  * 该行业主要由3家美国供应商主导——Cadence、Mentor(现在已属于西门子)和Synopsys
  * 一个庞大的工程团队使用这些EDA工具需要2-3年的时间来设计一款复杂的逻辑芯片，比如用于手机、计算机或服务器的微处理器。(见下图设计流程)
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今天，随着逻辑芯片变得越来越复杂，所有的电子设计自动化公司都开始使用人工智能辅助，以自动化和加快设计流程
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#### 3. 特殊材料和化学品
到现在为止我们的芯片还在软件中，要把它变成有形的东西，我们必须在一个叫做“fab”的芯片工厂里进行实际生产。生产芯片的工厂需要购买特殊的材料和化学品:
  * 硅晶圆 - 为了制造这些晶圆，他们需要晶生长炉
  * 使用的气体超过100种 —— 散装气体(氧、氮、二氧化碳、氢、氩、氦)和其它外来/有毒气体(氟、三氟化氮、胂、磷化氢、三氟化硼、二硼烷、硅烷，等等)
  * 液体(光阻剂，面漆，CMP浆)
  * 光掩模
  * 晶圆处理设备，切割设备
  * 射频发生器
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#### 4. 用晶圆设备(WFE)制造芯片
  * 这些机器实际制造芯片
  * 全球有5家公司主导这个行业 —— Applied Materials、KLA、LAM、Tokyo Electron和ASML
  * 这些是地球上最复杂(和昂贵)的机器。他们取一块硅锭，并在其表面和下面操纵其原子
  * 稍后我们将解释这些机器是如何使用的
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#### 5. “无晶圆”芯片公司
  * 以前使用现成芯片的系统公司(苹果、高通、英伟达、亚马逊、Facebook等)现在设计自己的芯片。
  * 他们创建芯片设计(使用IP核和他们自己的设计)，并将设计发送给拥有“晶圆厂”的“制造厂”进行制造
  * 他们可能只在自己的设备上使用芯片，如苹果，谷歌，亚马逊....
  * 或者他们可能会把芯片卖给所有人，比如AMD、英伟达、高通、博通……
  * 他们不需要拥有晶圆厂设备或使用特殊材料或化学品
  * 他们使用芯片IP和电子设计软件来设计芯片
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#### 6. 集成设备制造商(IDMs)
  * 集成设备制造商(IDMs)设计、制造(在他们自己的晶圆厂)和销售他们自己的芯片
  * 他们不为其他公司生产芯片(这也正在发生改变)。
  * 有三种类型的IDM -内存(如Micron, SK Hynix)，逻辑(如Intel)，模拟(TI，模拟设备)
  * 他们有自己的“晶圆厂”，但也可能使用制造厂的制造服务
  * 他们使用芯片IP和电子设计软件来设计他们的芯片
  * 他们购买晶圆厂设备，并使用特殊材料和化学品
  * 现在，制作一个新的尖端芯片(3nm)的平均成本是5亿美元
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#### 7. 芯片晶圆代工厂
  * 代工厂在他们的“晶圆厂”里为别人生产芯片。
  * 他们从各种制造商那里购买和整合设备
    * 晶圆厂设备及专用材料和化学品
  * 他们利用这种设备设计了独特的工艺来制造芯片
  * 但他们不设计芯片
  * 台湾的台积电(TSMC)是逻辑领域的领先者，三星(Samsung)位居第二
  * 其它晶圆厂专门生产模拟芯片、电源芯片、射频芯片、显示器芯片、安全军用芯片等。
  * 建造新一代芯片(3nm)制造工厂的成本为200亿美元

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### 晶圆厂

  * 晶圆厂是制造工厂的简称——制造芯片的工厂
  * 集成设备制造商(IDMs)和代工厂都有晶圆厂。唯一的区别是他们是制造芯片给别人用还是卖，还是制造芯片给自己卖。
  * 可以把Fab想象成一家图书印刷厂(见下图)

  - 就像作者使用文字处理器写书一样，工程师使用电子设计自动化工具设计芯片
  - 作者与专攻其体裁的出版商签订合同，然后将文本送到印刷厂。工程师为他们的芯片类型(内存、逻辑、射频、模拟)选择合适的晶圆厂
  - 印刷厂购买纸张和油墨。fab购买原材料;硅、化学品、气体
  - 印刷厂购买印刷机械、印刷机、装订机、裁切机。工厂采购晶圆设备，蚀刻机，淀积机，光刻机，测试设备，封装
  - 一本书的印刷过程使用胶版平版、胶片、剥离、蓝图、制版、装订和修剪。芯片的制造过程很复杂，可以利用蚀刻器、沉积、光刻技术来操纵原子。把它想象成原子级的胶印。晶圆被切割，芯片被包装
  - 这家工厂同样的书能生产数百万册。工厂生产出数百万个相同芯片的复制品
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虽然听起来很简单，但事实并非如此。芯片可能是有史以来制造的最复杂的产品。下图是制作一个芯片需要的1000多个步骤的简化版本。

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### 工厂的问题
  * 随着芯片的密度越来越大(在一个晶片上有上万亿个晶体管)，建造晶圆厂的成本也直线上升——现在一家晶圆厂的成本高达100亿美元
  * 原因之一是制造芯片所需的设备成本已经飞涨
  * 荷兰公司ASML的一台先进光刻机就价值1.5亿美元
  * 工厂里有500多台机器(不都像ASML那么贵)
  * 晶圆厂的建筑非常复杂。制造芯片的洁净室只是一套复杂的管道系统的冰山一角，所有这些管道系统都在正确的时间和温度向晶圆厂设备输送气体、电力和液体
  * 为了保持领先地位，要付出数十亿美元的成本，这意味着大多数公司已经退出了竞争。2001年有17家公司生产最先进的芯片，如今只有两家——韩国的三星和台湾的台积电。

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### 下一步是什么？

#### 科技
  * 现在越来越难制造出密度更大、速度更快、耗电更少的芯片，那么下一步会是什么呢?
  * 逻辑芯片设计者将多个专门的处理器放在一个芯片中，而不是让一个处理器完成所有的工作
  * 通过100层以上的堆叠，存储器芯片变得更加致密
  * 随着芯片设计变得越来越复杂，这意味着更大的设计团队和更长的上市时间，电子设计自动化公司正在嵌入人工智能来自动化部分设计过程
  * 晶圆设备制造商正在设计新的设备，以帮助晶圆厂生产更低功耗、更好性能、最优面积成本和更快上市时间的芯片

#### 业务
  * 像英特尔这样的集成设备制造商(idm)的商业模式正在迅速改变。在过去，垂直整合有一个巨大的竞争优势，即拥有自己的设计工具和晶圆厂，今天，这可能是一个劣势。
  * 铸造厂具有规模经济和标准化，他们可以利用整个生态系统的创新，而不是自己发明，他们可以专注于制造业
  * AMD已经证明，从IDM模式向无晶圆厂代工模式转变是可能的，英特尔也正在这个过程中。他们在建立自己的代工厂的同时，也将使用台积电作为他们自己芯片的代工厂。

#### 地缘政治
  * 在21世纪控制先进的芯片制造很可能就像在20世纪控制石油供应一样，控制这种制造业的国家可以扼杀其他国家的军事和经济实力。
  * 确保芯片的稳定供应已成为国家的头等大事(以美元计，中国最大的进口额是半导体，超过了石油)
  * 如今，美国和中国都在迅速地试图将各自的半导体生态系统与对方解耦，中国正投入1000多亿美元的政府激励措施来建设中国的晶圆厂，同时试图创造晶圆厂设备和电子设计自动化软件的本土供应
  * 过去几十年，美国将大部分晶圆厂迁往亚洲，今天，正在鼓励将晶圆厂和芯片生产带回美国
  * 一个以前只是技术人员感兴趣的行业，现在是大国竞争中最大的一块。