【編者按】本文內(nèi)容整理自CICE2014展會(huì)同期“IC制造與設(shè)計(jì)服務(wù)論壇”的主題演講，演講者是臺(tái)積電(中國)有限公司總經(jīng)理杜隆欽。此文經(jīng)由《智慧產(chǎn)品圈》雜志編輯張瑞吟（微信號(hào)：zhangry99）整理，首發(fā)于思銳達(dá)傳媒。

智能手機(jī)、平板電腦、PC等移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的龐大市場(chǎng)需求，背后是集成電路設(shè)計(jì)和制造企業(yè)的無限機(jī)遇，同時(shí)機(jī)遇后，對(duì)高性能、低功耗、小體積等的嚴(yán)苛需求，帶來的是對(duì)支撐它的IC設(shè)計(jì)制造工藝和封裝技術(shù)等的一系列挑戰(zhàn)。

移動(dòng)式計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，龐大的終端電子設(shè)備市場(chǎng)背后是集成電路設(shè)計(jì)和制造的無限商機(jī)，但面對(duì)這些設(shè)備對(duì)高性能、低功耗、小體積的三大嚴(yán)苛要求，集成電路設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)水平需要快速提升，造成了高價(jià)值的先進(jìn)技術(shù)、高成本投入與終端產(chǎn)品低成本設(shè)計(jì)二者之間的矛盾。集成電路設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)不再是單打獨(dú)斗的年代了，面對(duì)機(jī)遇與挑戰(zhàn)，IC產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠商需要開放合作，打破傳統(tǒng)合作模式，才能應(yīng)對(duì)產(chǎn)品快速迭代、多功能/高性能發(fā)展的需求。

應(yīng)用市場(chǎng)需求帶動(dòng)IC技術(shù)發(fā)展

根據(jù)BI Intelligence的市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2013年全球平板電腦、智能手機(jī)、PC三大消費(fèi)類電子設(shè)備的總體出貨量超過了40億部，預(yù)計(jì)2018年將達(dá)到接近80億部的市場(chǎng)規(guī)模。龐大的市場(chǎng)背后蘊(yùn)藏了巨大的讓集成電路設(shè)計(jì)與制造可發(fā)展與想象的空間。

智能手機(jī)、平板電腦、PC三者占了集成電路設(shè)計(jì)和制造非常大的比重，這些市場(chǎng)會(huì)帶來哪些技術(shù)需求呢？移動(dòng)設(shè)備處理器的運(yùn)行和處理速度會(huì)越來越快，工藝越來越精進(jìn)，CPU從32位擴(kuò)充到64位，SoC芯片內(nèi)部集成的晶體管數(shù)目翻倍增多，CPU內(nèi)核從雙核、四核發(fā)展到現(xiàn)在的八核；對(duì)圖形處理的精密度以及速度要求更高；對(duì)電池的續(xù)航能力以及快充能力的需求更強(qiáng)烈等等。針對(duì)這些技術(shù)性能的需求，集成電路設(shè)計(jì)與制造廠商只需要針對(duì)這里面的其中一點(diǎn)找出最佳解決方案都一定會(huì)有非常大的市場(chǎng)。

圖1：2018年全球的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與平板電腦、智能手機(jī)、PC的總體出貨量將達(dá)到180億部。

除移動(dòng)式計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)對(duì)技術(shù)的需求會(huì)更高。從圖1我們可以看到，2014年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總量甚至快要比智能手機(jī)、平板電腦、PC三者的需求還要多。據(jù)BI Intelligence預(yù)計(jì)，2018年全球的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與平板電腦、智能手機(jī)、PC的總體出貨量將達(dá)到180億部，到2020年甚至?xí)噬?00億部，這為集成電路設(shè)計(jì)以及制造開拓了一個(gè)更大的發(fā)展空間。

物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)計(jì)算最大的不同在于傳感器，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代傳感器的使用是無所不在的。從個(gè)人脈搏、血壓、血糖的測(cè)量，家中所有電器設(shè)備連接，到智能交通、無人駕駛汽車等，這些都需要使用到傳感器。無數(shù)的傳感器采集到的大量數(shù)據(jù)，需要連接到處理器，需要有一個(gè)很好的互聯(lián)網(wǎng)端支持，這就要求高速度和低功耗的設(shè)計(jì)，以滿足未來智能物聯(lián)的需求。未來是一個(gè)全面智能的社會(huì)，智能城市、智能家庭是發(fā)展趨勢(shì)，未來集成電路的集成技術(shù)、制造工藝會(huì)朝著這個(gè)方向發(fā)展。

預(yù)計(jì)2020年以前，物聯(lián)網(wǎng)的總體收入將達(dá)到1.9萬億美金，全球移動(dòng)式流量會(huì)達(dá)到127EB以上，APP應(yīng)用下載量超過2680億，云端存儲(chǔ)/大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)甚至?xí)^3500PB，這些海量的數(shù)據(jù)背后，就是IC產(chǎn)業(yè)鏈上廠商們的機(jī)會(huì)，他們的主要任務(wù)就是用先進(jìn)技術(shù)去實(shí)現(xiàn)這些海量數(shù)據(jù)/應(yīng)用帶來的價(jià)值。

IC性能、功耗、體積、成本帶來的挑戰(zhàn)

移動(dòng)式計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，集成電路設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)業(yè)擁有很多的機(jī)會(huì)，反之強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求同時(shí)帶來了對(duì)芯片更高性能、更低功耗、更小體積等的要求，也帶來的是對(duì)芯片制造工藝和設(shè)計(jì)水平的挑戰(zhàn)。

對(duì)性能、功耗、體積的要求分別是什么呢？從下表可以看到，性能方面，每一顆芯片上的本地時(shí)鐘的性能將從2013年的4.05GHz提升到2025年的6.483GHz；耗能方面，高性能(配備散熱器)情況下允許的最大的功耗值將從2013年149W降到2020年的130W；體積/面積方面，在一個(gè)面積為858mm2大小的ASIC芯片內(nèi)，2013年能集成近292億個(gè)晶體管，到2025年將增加至超過4671億個(gè)晶體管，同時(shí)集成電路里面的MPU/ASIC金屬層的間距將從2013年的27nm減至2025年的6.7nm，對(duì)應(yīng)的金屬層堆疊層數(shù)將從2013年的13層發(fā)展到2025年的16層，以為晶體管騰出更多地方。由此可以看出，一部手機(jī)或者PAD，并沒有外表看起來這么簡(jiǎn)單，它們是需要非常大量的研發(fā)才能做出來的。

圖2：從性能、功耗、體積三方面看IC設(shè)計(jì)發(fā)展。

除了性能、功耗、體積方面帶來的挑戰(zhàn)外，產(chǎn)品上市的時(shí)間和數(shù)量、產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性等都是IC設(shè)計(jì)和制造廠商必須面臨的問題。產(chǎn)品上市越早，掌握的資源越多，上市的量夠快夠多，將比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提前搶得商機(jī)。IC廠商需要將性能、功耗、體積都進(jìn)行整合和優(yōu)化，而不是單獨(dú)優(yōu)化，這樣才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，同時(shí)還要保證整合后的高質(zhì)量和高可靠性，這些都是IC設(shè)計(jì)和制造公司需要挑戰(zhàn)的難題。

最后，還有非常重要的一點(diǎn)是成本問題。隨著工藝制程的下降，所需的IT人力成本翻倍上升。根據(jù)IBS的數(shù)據(jù)顯示，如果以65nm制程工藝需要的IT人力成本(包括IP認(rèn)證和采購、物理設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)驗(yàn)證等人員)為基線，看作是1，那么40nm所需的IT人力就相當(dāng)于是65nm的1.5倍，28nm相較65nm需要增加2.2倍的人力，20nm是65nm的3.9倍，16nm則需要高于7.7倍的人力才能夠?qū)a(chǎn)品設(shè)計(jì)出來。當(dāng)前臺(tái)積電20nm的已經(jīng)在大量生產(chǎn)，16nm已經(jīng)投建。

不只是這些，在IC制造方面也面臨同樣的問題。從6英寸到8英寸、12英寸、18英寸，所增加的成本比工藝制程從65nm到16nm所增加的7.7倍還要多，6英寸到18英寸需要增加25倍的成本，包括投入的設(shè)備、廠房等各方面的成本，一直在往上增加。以設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品為例，采用32/28nm工藝的時(shí)候，設(shè)計(jì)成本需要5000萬～9000萬美金，采用22/20nm則需要增加至1.2億～5億美金，同時(shí)對(duì)應(yīng)的光照成本將從200萬～300萬美金增加到500萬～800萬美金。根據(jù)IBS的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2013年全球前十大無晶圓廠設(shè)計(jì)公司的平均凈收入為13.97億美金，那么當(dāng)要投入20nm或者28nm工藝生產(chǎn)的時(shí)候，需要從凈收入中支付上述的成本，一旦產(chǎn)品上市時(shí)間不夠快、上市量不夠好，時(shí)間上被對(duì)手趕超了，那這對(duì)于設(shè)計(jì)公司來講是一個(gè)很大的傷害，公司運(yùn)作就會(huì)出問題甚至難以運(yùn)作下去。由此可以得知，一個(gè)關(guān)鍵的問題是，付出昂貴的設(shè)計(jì)費(fèi)之后，產(chǎn)品如何比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手搶先一步上市，并實(shí)現(xiàn)盈收和資金回流，讓公司繼續(xù)更好營運(yùn)，這也是集成電路企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)所在。

IC分工細(xì)化，尋求創(chuàng)新合作模式

集成電路設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)不再是單打獨(dú)斗的年代了，1986年以前，IBM從IC設(shè)計(jì)、車間制造到最后的封裝，都是自己獨(dú)立完成。自1987年后，這種單打獨(dú)斗的形式以系統(tǒng)/IC設(shè)計(jì)公司開始與代工廠進(jìn)行合作被打破，如今面對(duì)集成電路昂貴的設(shè)計(jì)費(fèi)以及一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，上下游廠商更需要開放合作，才能更好應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)共贏。

圖3：隨著IC設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)業(yè)分工走向細(xì)化，無晶圓廠IC設(shè)計(jì)公司的總體收入實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。

如上圖所示，1987年的時(shí)候，所有無晶圓廠設(shè)計(jì)公司的收入只有1億美金，由于合作模式的改變，系統(tǒng)/IC設(shè)計(jì)公司與代工廠、封裝廠等進(jìn)行合作，1995年無晶圓廠總體收入達(dá)到了100億美金，隨著合作團(tuán)隊(duì)的擴(kuò)大，包括系統(tǒng)公司與代工廠、封裝廠的合作增多，EDA設(shè)計(jì)公司、IP公司、IC設(shè)計(jì)服務(wù)公司等的合作模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，2013年無晶圓設(shè)計(jì)公司的收入達(dá)到了861億美金，相較1987年增長(zhǎng)了860倍，由此可見，產(chǎn)業(yè)鏈上下游緊密合作能夠讓芯片的設(shè)計(jì)變得容易，且快速上市。

圖4：無晶圓廠IC設(shè)計(jì)公司的銷售收入占全球IC銷售收入的比例逐年上升。

根據(jù)WSTS和臺(tái)積電的數(shù)據(jù)顯示，2013年無晶圓廠的IC銷售額占全球IC銷售總額的比例從2001的11%增長(zhǎng)到27%，即使2008年金融風(fēng)暴的時(shí)候，無晶圓設(shè)計(jì)公司IC銷售額占比依然有一個(gè)比較大的增長(zhǎng)。另外從投資報(bào)酬率來看，2004～2013年，無晶圓廠設(shè)計(jì)公司所占的投資報(bào)酬率一直都比IDM公司(獨(dú)立設(shè)計(jì)獨(dú)立制造)的高。

圖5：無晶圓廠IC設(shè)計(jì)公司的投資報(bào)酬率一直都比IDM公司的高。

圖6：IC產(chǎn)業(yè)開放創(chuàng)新的合作模式幫助產(chǎn)品提前15個(gè)月上市。

從這些數(shù)據(jù)我們可以很清楚得知，產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作模式的轉(zhuǎn)變以及商業(yè)模式的突破，可以將各種不同的、先進(jìn)的制造工藝、封裝技術(shù)、EDA工具、特殊性材料、設(shè)備等資源導(dǎo)入進(jìn)來，不僅實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速開發(fā)和上市，也很好地降低了開發(fā)成本和時(shí)間，能夠更好應(yīng)對(duì)移動(dòng)式計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代終端設(shè)備龐大市場(chǎng)需求帶來的一系列挑戰(zhàn)。例如臺(tái)積電為加強(qiáng)與無晶圓廠設(shè)計(jì)公司、系統(tǒng)設(shè)計(jì)公司等的合作，于2008年提出了開放性的創(chuàng)新平臺(tái)，該平臺(tái)上的資源包括EDA設(shè)計(jì)工具、生產(chǎn)設(shè)備、制造工藝、封裝技術(shù)等，在進(jìn)行產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的時(shí)候，EDA設(shè)計(jì)工具公司和IP公司就可以立刻參與進(jìn)來，不用再像以前那樣需要等到工藝開發(fā)到一定程度后才能參與進(jìn)來，節(jié)省了15個(gè)月的開發(fā)時(shí)間，同時(shí)IC設(shè)計(jì)公司也能夠提前參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，這樣將原先需要48個(gè)月的設(shè)計(jì)時(shí)間縮減到33個(gè)月，幫助產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)快速上市。目前該創(chuàng)新性平臺(tái)共有41家IP公司、27家EDA設(shè)計(jì)公司、25家設(shè)計(jì)中心(DCA)、9家VCA公司。

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