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半导体制造业的“前世今生”

2018-1-18 15:07| 发布者: luxin| 查看: 734| 评论: 0


半导体是信息时代的使能技术。半导体可以让计算机运行软件应用,比如电子邮件、网络浏览器以及文字处理和制表程序,并存储文件、图像、视频、音乐和其他数据。半导体也可以提供“大脑”存储,和其他无数产品的数据交流能力,从手机和游戏系统到飞机和工业机器,再到军用设备和武器。


甚至现在许多机器系统中的产品都严重依赖于集成电路基础型电子器件:一家汽车制造商声称其部分车型组装了多达6000个半导体。还有一名汽车软件专家估计,豪华汽车可以包含1亿个集成电路用来控制车辆的软件代码。


半导体历史和技术挑战


军事应用曾是半导体发明的主要驱动力。早期的计算机依赖数千个真空管、晶体二极管、继电器、电阻器和电容器来进行简单的计算。美国联邦政府、学术界和美国产业界进行了努力,以减少和简化这些器件的数目。


晶体管是一种能够管理电流的简单半导体器件。在1958年晶体管发明之后是集成电路(IC)的发展。IC可以让数千个电阻器、电容器、电感器和晶体管“成图”并在单块半导体材料上连接,从而可以作为单一集成装置发挥功能。


美国联邦政府在半导体的早期研发与应用推广中起到了至关重要的作用,除了为半导体技术早期研发学术机构和工业研究机构提供资助外,还动用大量经费用于多种军事、航空和民事应用的采购,在技术的商业化过程中发挥了核心作用。


英特尔公司的前任CEO和共同创立人GordonMoore表示,半导体工业具有内部产品开发的快速周期。摩尔定律,既是芯片发展速度的定律,也是产品成本减少的定律,它揭示了信息技术进步的速度。摩尔定律表明,密集集成电路中晶体管的数目约每过一年半至两年就会翻倍,使得半导体更小、速度更快、价格更低。


摩尔定律的作用在短寿命周期产品中较为明显,需要半导体制造商保持高水平的研究和投入支出,这就决定了集成电路产品是技术和资本密集型产业。该产业的一项主要挑战就是——半导体存货和技术会被快速淘汰,如果生产商们未能改进设计,用卖不掉的存货替换现有产品,那么就会给自己带来严重的财务负担。


半导体制造商们面临的重要问题是不论基本的物理性能如何,在短时间内,以经济的方式在硅装置中集成更多的晶体管是一项巨大的挑战。因此,摩尔定律的持续有效性也成为众多科学家热议的对象,更多的制造商正在积极寻找其他方法改进和替代半导体。


对新的计算方法(例如量子计算、光学计算和神经网络等计算)的研究正在进行中,理论上来说,这些方法可以极大地超越半导体技术的存储、处理和传输能力。不过,这些方法在实现之前还面临较多技术障碍。


全球半导体工业


半导体工业具有供应和需求波动大的特征,其发展严重依赖于全球经济发展情况。总部设在美国的公司占据全球半导体市场的最大份额,以销售额衡量,约占50%。2015年按照收益排名看,全球20个最大的半导体公司中有半数企业其总部都设在美国,分别为:英特尔、高通、美光科技公司、德州仪器、博通、苹果、SanDisk公司、NVIDIA、超微等,其他全球大企业总部分别设在韩国、日本、中国台湾和欧洲。


上述大企业中,少数企业有自己的代工厂,由集成装置制造商(IDM)运营其自已的晶圆代工厂。其他大企业没有代工厂,而是将生产以订单方式承包给晶圆代工厂。台湾半导体制造公司(TSMC)是一家总部设立在中国台湾的企业,运营着世界上最大的晶圆代工厂。


半导体工业销售


根据世界半导体贸易统计(WSTS),2015年,世界范围内的半导体销售额达3350亿美元。另据美国半导体协会(SIA)数据,在过去的20年间,全球半导体销售额的综合年增长率达9.5%。


2015年,美国的半导体公司的年报销售额为1660亿美元,比往年有所缩减,且在全球市场的份额下降了约两个百分点。WSTS预测,全球半导体工业销售额将在2017年适度增至3470亿美元,届时美国的市场份额仍将保持在50%左右。


半导体工业的主要细分部门


按照半导体的功能划分,一些产品是具有广泛的功能的,其他产品则具有特定的用途。据美国半导体协会(SIA)统计,2015年,全球集成电路的销售额占半导体销售总额的82%,其他半导体产品则为光电子、感应器和分立器件等。光电子和感应器主要运用于生成或感应光,例如,交通灯或照相机等,而分立器件则用于电子设备中电流的控制。


在集成电路市场,2015年的4大细分产业组成:

 1.    逻辑装置。逻辑装置用于计算机、通信设备和消费电子中的数据互换和操作。逻辑装置是按销售额划分的最大类别,占了半导体市场总额的27%。 


2.    存储装置。存储装置储存信息,包括动态随机存取存储器(DRAM),是一种用于电脑和闪存中临时信息存储的常见存储,可以在没有电源的情况下保留数据。存储装置占了半导体市场销售额的23%。 


3.    微处理器。微处理器执行软件指令,以完成类似运行文字处理程序或视频游戏等广泛范围的任务。微处理器占了半导体销售额的18%。 


4.    模拟装置。模拟装置包括模拟信号处理技术、数据转换器、扩音器以及广播频率集成电路,上述装置可以把乐曲录音转换至光盘中的乐曲录音,即将模拟信号转变成数字信号。模拟装置产品占半导体工业销售额约13%。


许多制造商专门从事特定类型或细分产业的半导体生产。比如,韩国制造商三星和韩国海力士和总部设立在美国的镁光总共占了全球DRAM销售额的90%。对DRAM市场的严重依赖性已经成为这些公司的挑战,因为需求减弱或产能过剩有时已经造成了价格的急剧下降。美国的英特尔公司是全球销售额最高的半导体制造商,高度依赖微处理器也让英特尔公司面临挑战,由于微处理器制造难度较大,技术更先进,因此与其他半导体企业相比,英特尔在产品研发投入和投资规模上的付出更多。


多元半导体(MCO)是半导体工业的快速增长的一类产品,在单一器件中会包含两个半导体,在成品中占用更少的空间并使用更少电源成为多元半导体的主要特点。MCO通常用于智能手机、平板电脑和汽车制动、转向和安全气囊系统。虽然SIA没有追踪这一市场的销售数据,但美国国际贸易委员会(ITC)曾估算,MCO占全球半导体工业销售额的1.5%~3.0%。随着终端使用生产商使用MCO生产能源消耗更少的更小、更亮和更快的器件,预计这些年需求将有较大增长。像英特尔、德州仪器、高通和博通等美国公司,会成为这个细分产业的市场引导者。


少数半导体公司主要为单一买家提供产品。例如,Kokomo半导体,现在是通用汽车(GM)零件控股公司的一部分,在印第安纳州运营一家较小的工厂,为通用汽车生产消费集成电路。行业专家分析,通过为特定市场对象生产专业性芯片或为其消费者开发新型应用产品,为小型半导体公司与大型半导体公司同台竞争提供了机会。


半导体制造业


半导体的生产非常复杂,需要参高度的自动化为基础。随着半导体小型化和在晶体管安装中的密集化,制造环也日益变得更加复杂。


下图描述了半导体生产的简单过程:


  1. 设计; 

  2. 前端制造,在此过程中,“晶圆代工厂”可以在硅晶片上打造出微型电路; 

  3. 后端测试。装配和包装,在此过程中,晶片被切片成为单个半导体,用塑料包装,并且通过了质量控制流程。


由计算机工程师完成的设计环节,主要都在美国完成。随后设计结果在使用公司生产的设备进行一系列超过250个影像和化学处理步骤中被放置到硅材料或其他材料上面,例如应用材料、ASML控股和Lam研究。这种前端制造过程通常需要约两个月的时间,在这个环节中,大约有87%的世界先进制造产能都不在美国本土。后端生产就是芯片装配成半导体成品元件和检测瑕疵的过程,这个环节以劳动密集型为主,通常在中国和马来西亚等劳动力成本相对低于美国、日本和欧洲的国家(地区)完成。最后制造阶段主要是将芯片安装在消费商品上。

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