手机芯片架构

手机芯片
从一部iPhone手机看芯片的分类
主要讲芯片的分类,来看看芯片可不只是脑袋里想象的小硅片,其实类型非常多。
在正式开始这一讲之前,想要问个问题,“知道芯片和集成电路是什么关系吗?有人说,芯片和集成电路就是一回事,只是两个不同的名字罢了,认同吗?”这个问题很重要,建议先停下来花一分钟想想答案。
可以随便一搜,网上怎么说的都有。今天,看到的答案,绝对是最准确和客观的。
首先,芯片肯定不全是集成电路。芯片里面,大约只有 80% 属于集成电路,其余的都是光电器件、传感器和分立器件,行业内把这些器件称为 O-S-D(Optoelectronic, Sensor, Discrete)。
集成电路是由大量晶体管组成的。那光电器件、传感器、分立器件又是什么呢?概念很多,在此拿最熟悉的手机来举例子,以能有直观的认识。
因此,会通过“拆解”一部熟悉的 iPhone 手机,来和聊聊芯片的分类。为了方便理解,按照半导体行业的专业分类方式,做了下面这张行业分类图。图里的数据都来自半导体行业权威的市场研究机构 IC Insights 的最新市场统计。
手机芯片架构插图

有这张图还不够,另外整理了一张 iPhone X 物料表,在正中间那一列,标明了每个物料所属的半导体种类。
手机芯片架构插图11

而且这张表的顺序,跟前面的分类图,基本上可以一一对应起来。考虑到公开信息的准确性,这张表参考了知名市场研究机构 IHS Markit 的 iPhone X 拆解报告。
表格的第二列,也就是功能描述部分,对部件做了解释,一定要花 2 分钟时间整体对照理解下。
对照完两张图,从宏观看,有两个信息需要关注:
第一,一部手机 80% 都是集成电路。所以,苹果是半导体产品全球排名第一的买家,这个就不难理解了吧?
第二,一部 iPhone 几乎把前面分类图中的重要品类都用到了。看,手机一点都不简单吧?
现在,有了一张半导体产品分类图,一张充满半导体元器件的物料表,下面就顺着这两个线索,逐一地讲解一部 iPhone X 所用到的半导体产品。
iPhone X 手机处理器:A11
2017 年秋天苹果发布 iPhone X 的时候,亮点之一就是这款手机搭载了 6 核心 64 位的 A11 处理器。当时,苹果公司高级副总裁评价说,这是一款智能手机到目前为止所能拥有的最强劲、最智能的芯片。

在主板上,带着苹果 Logo 的那个部件就是苹果自研的应用处理器 A11。在分类之中,属于集成电路 IC-> 数字 IC-> 逻辑 IC-> 处理器 -> 应用处理器。
手机芯片架构插图22

这里注意,在说应用处理器的时候,也常用英文缩写 AP(Application Processor)。
在物料成本表里,可以看到,因为是苹果自己开发,找台积电代工,成本只有 27 美金。那如果不找台积电代工,而是全部采用高通旗舰芯片的话,同等性能配置下,成本大约都在 80 美金以上。算一算,苹果一年卖 2 亿部手机,一部手机省 50 美金,一年就能省 100 亿美金。这么一算,应该能明白苹果为啥要自己设计手机 AP 了吧?
从技术上,再看一下 A11 这颗处理器的细节,集成了 6 颗 ARMv8 的 CPU 核,2 大 4 小;3 颗 GPU 核,一个神经网络处理器 NPU 用来加速人工智能算法,一个(照相机)图像信号处理器 ISP。这是一颗高度集成的 SoC (系统级芯片,System-on-Chip)。
高度集成也是手机芯片的特点,像在 PC 或者服务器上,CPU、GPU、NPU 往往是三颗独立的芯片。对于 iPhone 手机来说,整个 iOS 系统都是跑在应用处理器上的,可以说手机中最重要的一颗芯片就是应用处理器了,系统是否顺滑,游戏是否顺畅,全看应用处理器的芯片。这也是苹果、华为、三星都要自研应用处理器的原因。
iPhone X 的两大存储芯片
在 A11 下面其实还压着一个存储芯片 DRAM(动态随机存取存储器,Dynamic Random Access Memory)。
存储芯片,顾名思义,就是存储数据的芯片,也叫存储器。手机中的全部信息,包括输入的原始数据、应用程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。除此之外,iPhone X 还有一块重要的存储芯片,就是在下图中最大的一块芯片,东芝的 NAND Flash。
手机芯片架构插图33

DRAM 和 NAND Flash 的区别很好理解,类比下。在 PC 机上,俗称的内存条,其实就是 DRAM,固态硬盘(SSD)就是 NAND Flash。
在分类之中,属于集成电路 IC-> 数字 IC-> 存储 IC->DRAM & NAND Flash。
存储的分类,如果按技术类型,可以列一个长长的单子。但是,可以偷巧地只看用量最大的两个主要品类 DRAM 和 NAND Flash。那些技术名词留给行业人员自己 battle 用吧。
为什么只看 DRAM 和 NAND Flash 就可以?再回到第一张分类图,可以看到从存储芯片的产值构成来看,DRAM 约占这个存储芯片市场的 53%,NAND Flash 占比 45%,NOR Flash 与其余占比约 2%,完全可以忽略。
DRAM 存取速度快,因此手机运行时的数据,都存放在 DRAM 中,方便应用处理器随时存取。这也是 iPhone X 的应用处理器和 DRAM 紧密贴在一起的缘故。而在最新一代的苹果应用处理器中,采取先进封装技术,干脆把 DRAM 和 AP 封装在一起,更加紧密了。
NAND Flash 存储容量较大,而且掉电之后数据也不丢失。因此手机里的照片、记事本,都装在 NAND Flash 里。iPhone X 配的是 4GB DRAM、64G/256G NAND Flash。
介绍完 iPhone X 的应用处理器和存储芯片,再回去看一眼第一张分类图,会发现,已经大概理解其中占比 70% 的数字集成电路了。
在开始讲剩下的 30% 之前,想从专业的视角,把数字 IC、各类处理器和存储芯片等相关概念再解释一下。
数字 IC
集成电路的英文是 Integrated Circuit,数字 IC 就是数字集成电路。回到专业视角,如果从用途上分类,数字集成电路可以简洁地分为,做计算控制的逻辑芯片和保存数据的存储芯片。不过业界习惯,把标准程度非常高的 CPU、GPU、MCU 合并为 MPU 微处理器来单独统计,把应用相关度高的 ASIC(下文会解释)和 SoC 算作逻辑芯片。
CPU:计算设备的运算核心和控制核心
CPU(Central Processing Unit)是计算设备的运算核心和控制核心。功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU 的标准性很高,是最能体现摩尔定律的产品。
苹果的手机应用处理器,永远使用的是最顶级的工艺。iPhone X 的 A11,在 2017 年上市的时候,就用了当时最先进的 10nm 工艺。到了 2020 年,苹果的应用处理器都已经用上 5nm 的工艺制程,桌面和服务器端才跟进到了 7nm。
GPU:图形处理器
GPU(Graphics Processing Unit)也叫图形处理器,主要用来满足图像计算要求。相对来说 CPU 擅长逻辑判断和串行数据运算,而一个图片的每一个像素都需要相同的计算处理,GPU 就擅长图形计算这种并行的任务。
因为 GPU 这种并行度高的特征,在品类上还衍生出弱化图像能力,专注于计算的通用 GPU。
一般来说,通用 GPU 的数据处理性能是 CPU 的 10 倍、20 倍,甚至更高。作为加速器存在的 GPU,比 CPU 还要激进。摩尔定律中处理器性能每隔两年翻 1 倍,而英伟达的 CEO,Jason Huang,归纳说 GPU 将推动 AI 性能实现每年翻 1 倍,这个规律还被业界称为黄氏定律。
ASIC:为解决特定应用问题而定制设计的集成电路
为解决特定应用问题而定制设计的集成电路,就是 ASIC(Application Specific IC)。当 ASIC 规模够大,逐渐通用起来,某类 ASIC 就会有一个专有名称,成为一个品类。例如现在用来解决人工智能问题的神经网络处理器。
标准的 CPU 芯片,往往要配上不同的外围芯片,比如 Intel 管理外设的芯片组 Chipset,加速图形的 GPU,这样才能构成系统。而随着工艺制程的不断演进,有能力把越来越多的外围芯片集成进 CPU 芯片中,于是就有了 SoC。SoC 因其高集成度、高效率的特点,是目前 IC 设计的主流。
SoC 也算是 ASIC 的一种。相较于常见的 CPU、GPU 等通用型芯片,ASIC 芯片的计算能力和计算效率都可以根据特定的需要进行定制,定制么,肯定体积小、功耗低、计算效率高,在这些方面有优势。但是缺点就是入门门槛高,这里的门槛,包括资金、技术,还有时间。
存储芯片:DRAM 和 NAND Flash
前面有介绍,数字 IC 中 2/3 是逻辑芯片,1/3 就是存储芯片。存储芯片就两个主要品类 DRAM 和 NAND Flash,占了 98% 的比例,其余可以忽略不计。
存储芯片在设计方面跟前面的 CPU、GPU、ASIC 这类逻辑芯片有很大不同。
CPU、GPU、ASIC 重在功能设计、逻辑设计。而存储芯片的设计比较简单,基本都是重复单元,但是对时序和布局布线有挑战性。
好了,专业概念到这里就告一段落,让再回到 iPhone X 的物料表,讲一讲剩下 30% 的事情。
存储芯片之后列了三行模拟芯片,有射频芯片、电源芯片。
那么为什么会被归类到模拟芯片,什么是模拟芯片呢?iPhone X 中的模拟 IC上面提到数字 IC 的时候没有展开讲概念,这里可以跟模拟 IC 对比来看:处理数字信号的就是数字 IC,处理模拟信号的就是模拟 IC。两个是相对的。其实如果要逻辑严密,集成电路的分类应该还列上数模混合 IC 共三种,而实际上可以理解为,以数字电路为主的归类到数字 IC,以模拟电路为主的归类到模拟 IC。
数字 IC 基本上是一个追逐摩尔定律的品类,尽量采用最新工艺,利用新工艺制程带来的晶体管密度的提升,来提高性能同时降低成本。相对来说,模拟 IC 则更多的追求电路速度、分辨率、功耗等参数方面的提升,强调的是高信噪比、低失真、低耗电和高稳定性,因而产品一旦达到设计目标就具备长久的生命力,生命周期可长达 10 年以上。行业里有“一年数字,十年模拟”的说法。
那么,数字信号和模拟信号又是什么?简单来说,0 和 1,就是数字信号。而声音、光、气压、无线电信号(Radio Frequency,也被翻译成射频,射频信号),这些现实中的信号,基本上都是连续的信号,而不是简单的用“有 -1”,“无 -0”来表示,都是模拟信号。
数字 IC 这块,好歹在日常中有见过、听过,甚至买过。而对于模拟 IC,可能就不熟悉了。
但手机其实就是一个大量使用模拟 IC 的电子设备。如果按照整个半导体行业的出货量来看,模拟 IC 的数量是超过数字 IC 的,但是单价不高,因此在销售收入上占比也不高。
看下图,Quadplexer 四路复用器芯片,实现手机芯片频段载波聚合功能,载波聚合,是一种增加传输带宽的手段,把几个分散的频段通道整合成为一个更宽的数据通道;RF Switch 射频开关芯片,处理无线信号通道转换;NFC 芯片,用来处理近距无线通讯信号的;Wireless Charging 芯片,这个熟悉,支持无线充电;还有 Audio Amp 音频放大器芯片等等,这些就都是在 iPhone X 中的模拟 IC。
手机芯片架构插图44

总的来说,射频器件、电源管理装置和数模 / 模数转换器是模拟 IC 的三大主要产品。
• 射频器件是处理无线电信号的核心器件,包括 5G 信号、蓝牙、WIFI、NFC 等,凡是需要无线连接的地方必备射频器件,手机是射频器件的一个重要应用场景。
• 任何电子设备都需要电源管理装置。电源管理芯片的任务就是完成电能的变换、分配、检测及其它电能管理。电源管理芯片占模拟芯片销售份额接近三成。
射频芯片和电源管理芯片在手机里非常重要,可以对着物料表,找一找。
• 模数和数模转换器是模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路。A/D 是模拟量到数字量的转换, D/A 是数字量到模拟量的转换,道理是完全一样的,只是转换方向不同。
例如要播放一首歌曲,歌曲是以数字形式存储的,手机经过一系列的数模转换,把数字信号变成连续的声音信号,通过麦克风播放出来,这就是一个 DAC(Digital to Aanalog Controller, 数模转换器) 数模转换过程。
手机芯片架构插图55

一个小知识点,模拟 IC 的设计涉及了更加复杂的信号环节,并且其设计的自动化程度远不及数字 IC,通常需要大量的人工干预决定取舍。相对于数字 IC,模拟 IC 的设计对工程师的经验,权衡矛盾等方面的能力要求更为严格。所以,模拟 IC 设计被称为一门艺术。
到这里,已经了解了集成电路的分类,包括数字 IC 和模拟 IC,关于半导体 80% 的内容已经了解了。
剩下的近 20% 就是开头提过的 O-S-D 器件。iPhone X 的光电器件、传感器和分立器件回顾一下,在开篇就介绍了,半导体产品超过 80% 是集成电路芯片,其余的是光电器件、分立器件和传感器,行业内称为 O-S-D。
集成电路,就是数字 IC 和模拟 IC。用一个手机来理解,数字 IC 就是手机处理器,模拟 IC 就处理那些射频信号的芯片。那么光电器件、传感器、分立器件又是什么呢?
• iPhone X 用的三星产的 AMOLED 手机屏,就是光电器件。
• 手机里的 6 轴加速器 / 陀螺仪、电子罗盘、颜色传感器、气压传感器等都属于传感器。
• 分立器件,其实就是单独包装的晶体管。多个晶体管集成起来,就是集成电路,而仍然单独封装的晶体管,就是分立器件。看过一份资料,在 2004 年,手机上有 300 多个分立器件,现在,这个确切的数字已经查不到了,能集成在一起的都尽量集成起来了。
到这里用一部 iPhone X 举例,把半导体产业的几大产品品类:CPU、GPU、ASIC、SoC, DRAM、NAND Flash、射频 IC、电源 IC、数模 / 模数转换 IC,以及光电器件、传感器等,串讲了一下,希望对整个行业能有个初步的认识。
总结
• 1、在半导体行业中,超过 80% 的产品是集成电路芯片,因此在日常中常把芯片、半导体、集成电路三者混用。但其实,集成电路之外,半导体产品还有光电器件、传感器和分立器件,行业内称为 O-S-D。
• 2、集成电路芯片主要分为数字 IC 和模拟 IC,数字 IC 强调运算速度,模拟 IC 强调高信噪比、低失真、低耗电和高稳定性,生命周期更长;论销售额,数字芯片有绝对优势,但是如果论出货量,模拟芯片量大过数字芯片。
• 3、数字 IC 中主要就是 CPU 处理器和存储器。CPU 是重中之重,行业明珠的地位。无论是 Intel,还是苹果,都是靠 CPU 站在行业第一的位置的。
• 4、一部 iPhone 手机,基本上用到了半导体产品的全部种类。一部小小的手机,是整个行业的缩影。选车要看发动机,在选择下一部手机的时候,就要看看芯片。
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三、苹果A11芯片
1)集成电路——数字IC
苹果的这颗A11 处理器的细节,集成了 6 颗 ARMv8 的 CPU 核,2 大 4 小;3 颗 GPU 核,一个神经网络处理器 NPU 用来加速人工智能算法,一个(照相机)图像信号处理器 ISP,是一颗高度集成的 SoC (系统级芯片,System-on-Chip)。
在 A11 下面其实还压着一个存储芯片 DRAM(动态随机存取存储器,Dynamic Random Access Memory)。
iPhone X 还有一块重要的存储芯片,东芝的 NAND Flash。
DRAM 和 NAND Flash 的区别很好理解。类比下,在 PC 机上,俗称的内存条,其实就是 DRAM,固态硬盘(SSD)就是 NAND Flash。
DRAM 存取速度快,因此手机运行时的数据,都存放在 DRAM 中,方便应用处理器随时存取。这也是 iPhone X 的应用处理器和 DRAM 紧密贴在一起的缘故。而在最新一代的苹果应用处理器中,采取先进封装技术,干脆把 DRAM 和 AP 封装在一起,更加紧密了。
NAND Flash 存储容量较大,而且掉电之后数据也不丢失。因此手机里的照片、记事本,都装在 NAND Flash 里。iPhone X 配的是 4GB DRAM、64G/256G NAND Flash。
2)集成电路——模拟IC
Quadplexer 四路复用器芯片,实现手机芯片频段载波聚合功能,载波聚合,是一种增加传输带宽的手段,把几个分散的频段通道整合成为一个更宽的数据通道;RF Switch 射频开关芯片,处理无线信号通道转换;NFC 芯片,用来处理近距无线通讯信号的;Wireless Charging 芯片,这个熟悉,支持无线充电;还有 Audio Amp 音频放大器芯片等等,这些就都是在 iPhone X 中的模拟 IC。
总的来说,射频器件、电源管理装置和数模 / 模数转换器是模拟 IC 的三大主要产品。
• 射频器件是处理无线电信号的核心器件,包括 5G 信号、蓝牙、WIFI、NFC 等,凡是需要无线连接的地方必备射频器件,手机是射频器件的一个重要应用场景。
• 任何电子设备都需要电源管理装置。电源管理芯片的任务就是完成电能的变换、分配、检测及其它电能管理。电源管理芯片占模拟芯片销售份额接近三成。射频芯片和电源管理芯片在手机里非常重要。
• 模数和数模转换器是模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路。A/D 是模拟量到数字量的转换, D/A 是数字量到模拟量的转换,道理是完全一样的,只是转换方向不同。例如要播放一首歌曲,歌曲是以数字形式存储的,手机经过一系列的数模转换,把数字信号变成连续的声音信号,通过麦克风播放出来,这就是一个 DAC(Digital to Aanalog Controller, 数模转换器) 数模转换过程。
3)O-S-D
光电器件、分立器件和传感器,行业内称为 O-S-D。
• iPhone X 用的三星产的 AMOLED 手机屏,就是光电器件。
• 手机里的 6 轴加速器 / 陀螺仪、电子罗盘、颜色传感器、气压传感器等都属于传感器。
• 分立器件,其实就是单独包装的晶体管。多个晶体管集成起来,就是集成电路,而仍然单独封装的晶体管,就是分立器件。看过一份资料,在 2004 年,手机上有 300 多个分立器件,现在么,这个确切的数字已经查不到了,能集成在一起的都尽量集成起来

2017 年的发布的 iPhone 8,采用的应用处理器 A11,43 亿晶体管,88mm² 指甲盖大小的面积,2 亿手机销量,160 亿美金的总价值。

  1. 在半导体行业中,超过 80% 的产品是集成电路芯片,因此在日常中常把芯片、半导体、集成电路三者混用。但其实,集成电路之外,半导体产品还有光电器件、传感器和分立器件,行业内称为 O-S-D;
  2. 集成电路芯片主要分为数字 IC 和模拟 IC,数字 IC 强调运算速度,模拟 IC 强调高信噪比、低失真、低耗电和高稳定性,生命周期更长;论销售额,数字芯片有绝对优势,但是如果论出货量,模拟芯片量大过数字芯片。
  3. 数字 IC 中主要就是 CPU 处理器和存储器。CPU 是重中之重,行业明珠的地位。无论是 Intel,还是苹果,都是靠 CPU 站在行业第一的位置的。一部 iPhone 手机,基本上用到了半导体产品的全部种类。
  4. 一部小小的手机,是整个行业的缩影。选车要看发动机,希望在选择下一部手机的时候,也能看看芯片。
    三、苹果A11芯片
    1)集成电路——数字IC
    苹果的这颗A11 处理器的细节,集成了 6 颗 ARMv8 的 CPU 核,2 大 4 小;3 颗 GPU 核,一个神经网络处理器 NPU 用来加速人工智能算法,一个(照相机)图像信号处理器 ISP,是一颗高度集成的 SoC (系统级芯片,System-on-Chip)。
    在 A11 下面其实还压着一个存储芯片 DRAM(动态随机存取存储器,Dynamic Random Access Memory)。
    iPhone X 还有一块重要的存储芯片,东芝的 NAND Flash。
    DRAM 和 NAND Flash 的区别很好理解。类比下,在 PC 机上,俗称的内存条,其实就是 DRAM,固态硬盘(SSD)就是 NAND Flash。
    DRAM 存取速度快,因此手机运行时的数据,都存放在 DRAM 中,方便应用处理器随时存取。这也是 iPhone X 的应用处理器和 DRAM 紧密贴在一起的缘故。而在最新一代的苹果应用处理器中,采取先进封装技术,干脆把 DRAM 和 AP 封装在一起,更加紧密了。
    NAND Flash 存储容量较大,而且掉电之后数据也不丢失。因此手机里的照片、记事本,都装在 NAND Flash 里。iPhone X 配的是 4GB DRAM、64G/256G NAND Flash。
    2)集成电路——模拟IC
    Quadplexer 四路复用器芯片,实现手机芯片频段载波聚合功能,载波聚合,是一种增加传输带宽的手段,把几个分散的频段通道整合成为一个更宽的数据通道;RF Switch 射频开关芯片,处理无线信号通道转换;NFC 芯片,用来处理近距无线通讯信号的;Wireless Charging 芯片,这个熟悉,支持无线充电;还有 Audio Amp 音频放大器芯片等等,这些就都是在 iPhone X 中的模拟 IC。
    总的来说,射频器件、电源管理装置和数模 / 模数转换器是模拟 IC 的三大主要产品。
    • 射频器件是处理无线电信号的核心器件,包括 5G 信号、蓝牙、WIFI、NFC 等,凡是需要无线连接的地方必备射频器件,手机是射频器件的一个重要应用场景。
    • 任何电子设备都需要电源管理装置。电源管理芯片的任务就是完成电能的变换、分配、检测及其它电能管理。电源管理芯片占模拟芯片销售份额接近三成。射频芯片和电源管理芯片在手机里非常重要。
    • 模数和数模转换器是模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路。A/D 是模拟量到数字量的转换, D/A 是数字量到模拟量的转换,道理是完全一样的,只是转换方向不同。例如要播放一首歌曲,歌曲是以数字形式存储的,手机经过一系列的数模转换,把数字信号变成连续的声音信号,通过麦克风播放出来,这就是一个 DAC(Digital to Aanalog Controller, 数模转换器) 数模转换过程。
    3)O-S-D
    光电器件、分立器件和传感器,行业内称为 O-S-D。
    • iPhone X 用的三星产的 AMOLED 手机屏,就是光电器件。
    • 手机里的 6 轴加速器 / 陀螺仪、电子罗盘、颜色传感器、气压传感器等都属于传感器。
    • 分立器件,其实就是单独包装的晶体管。多个晶体管集成起来,就是集成电路,而仍然单独封装的晶体管,就是分立器件。看过一份资料,在 2004 年,手机上有 300 多个分立器件,现在么,这个确切的数字已经查不到了,能集成在一起的都尽量集成起来
    2017 年的发布的 iPhone 8,采用的应用处理器 A11,43 亿晶体管,88mm² 指甲盖大小的面积,2 亿手机销量,160 亿美金的总价值。
    四、芯片诞生及半导体芯片行业的运作模式
    https://www.techinsights.com/blog/apple-iphone-x-teardown

手机芯片架构插图66

一颗芯片的诞生,第一步就是芯片设计,有几个重点,简单给总结一下。

  1. 芯片项目是人类历史上最细微也是最宏大的工程,研发投入大,项目收益高。
  2. 在需求分析之后,进入芯片设计过程。芯片的设计过程可分为两个部分,分别为:前端设计(也称逻辑设计)和后端设计(也称物理实现),这两个部分并没有统一严格的界限,凡涉及到与工艺有关的设计都可称为后端设计。
  3. 一颗芯片做得好不好,在决策阶段取决于市场需求理解的是否深刻,在逻辑设计阶段取决于工程师的能力强不强,而在物理实现阶段基本取决于 EDA 工具玩得好不好。
  4. 整个芯片设计流程是一个设计,优化,验证的不断迭代的过程。
    半导体芯片行业的运作模式:(IDM/Fabless/Foundry模式)
    1、IDM(Integrated Device Manufacture)模式
    主要的特点如下:集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身;
    早期多数集成电路企业采用的模式;目前仅有极少数企业能够维持。
    主要的优势如下:设计、制造等环节协同优化,有助于充分发掘技术潜力;能有条件率先实验并推行新的半导体技术(如FinFet)。
    主要的劣势如下:公司规模庞大,管理成本较高;运营费用较高,资本回报率偏低。
    这类企业主要有:三星、德州仪器(TI)。
    2、Fabless(无工厂芯片供应商)模式
    主要的特点如下:只负责芯片的电路设计与销售;将生产、测试、封装等环节外包。
    主要的优势如下:资产较轻,初始投资规模小,创业难度相对较小;企业运行费用较低,转型相对灵活。
    主要的劣势如下:与IDM相比无法与工艺协同优化,因此难以完成指标严苛的设计;与Foundry相比需要承担各种市场风险,一旦失误可能万劫不复
    这类企业主要有:海思、联发科(MTK)、博通(Broadcom)
    “轻晶圆厂”(fab-light)或“无晶圆厂”(Fabless)
    3、Foundry(代工厂)模式
    主要的特点如下:只负责制造、封装或测试的其中一个环节;不负责芯片设计;可以同时为多家设计公司提供服务,但受制于公司间的竞争关系。
    主要的优势如下:不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等决策风险。
    主要的劣势如下:投资规模较大,维持生产线正常运作费用较高;需要持续投入维持工艺水平,一旦落后追赶难度较大。
    这类企业主要有:SMIC(中芯国际)、UMC(联华电子—联电)、Global Foundry(格芯)、台积电(tsmc)。
    五、行业Top厂商
    一流企业定标准,二流企业做品牌,三流企业做产品。
    硬件行业的 3 次风口:第一次 PC;第二次手机与移动互联网;第三次就是 AI+5G+IoT。
    手机芯片架构插图77

有“最懂经济的市长”之称的黄奇帆说,一个公司的成功三要素是:市场、资金和技术。
Intel 是处理器芯片第一,三星是存储芯片第一。
Intel: 从 2005 年到 2015 年,Intel 提出 Tick-Tock 战略,持续领跑 ICT 行业。
完败存储器市场,选择 CPU 作为主产品。
三星存储芯片业务:逆周期投资。
GAA(Gate-All-Around,环绕式栅极技术)/韩国的现代(2001 年后改称 SK 海力士)
一家并不是最新工艺的晶圆厂的建设成本为 30 亿美金,每年的折旧成本 + 运营成本约为 10 亿美金,这意味着半导体公司的营业额,必须在 50 亿美金以上。
2020 年无厂半导体设计公司的收入来看,只有 5 家公司:高通、博通、英伟达、AMD 和联发科够这个标准(排在第 6 的 Xilinx 收入是 30 亿美金)。
台积电:无厂设计公司 + 代工厂模式。英文简称:tsmc。
多年来,台积电一直保持着“高投入 – 低成本 – 高销量 – 高投入”的正向循环。

手机芯片架构插图88

六、中国的半导体行业
1、2000 年之前:国家计划与政策扶持
https://mp.weixin.qq.com/s/vi3W65JSnDZFnWk0Ds_EeQ
“八五”规划,全国重点支持的 5 个集成电路重点企业:无锡华晶、绍兴华越、上海贝岭、上海飞利浦和北京首钢日电 。
中国的半导体产业初期服务军工,自研能力不低,但是几乎全是国有企业。离开了政策的扶持,离开了军工的订单,这些国企并没有很好的度过军转民这一个弯,甚至在 80 年代改革开放后,进口半导体产品的冲击下,几乎停滞。2000 年左右,中国芯片设计公司,不足 100 家,总收入不到一亿美元。
2、2000 年 -2014 年:市场带动产业发展
2000年,中芯国际成立。是大陆第一大晶圆代工厂。
电信市场:90年代,当时有“巨大中华”之称的四大公司,包括巨龙通信、大唐电信还有华为和中兴。
海思半导体公司(麒麟)和中兴微电子技术有限公司。
手机市场:展讯。锐迪科(RDA)——是射频 IC、混合信号芯片和手机功率放大器 PA 的专家。
比特币矿机:比特大陆和嘉楠耘智。
靠白牌平板电脑起家的瑞芯微、全志。凭借 NOR Flash 芯片进入苹果供应链的兆易创新,还有核高基项目重点支持的 CPU 公司:兆芯、龙芯、飞腾、海光等。还有 2014 年,长电科技以 7.8 亿美元收购新加坡星科金朋,成为全球封测第三。
3、2014 年后:投资产业时代
国家集成电路产业大基金,简称大基金。
紫光集团

全球主要晶圆代工厂市占率及产能
手机芯片架构插图99

截至目前,三星与台积电是全球仅有的两家能够量产7nm和5nm芯片的晶圆厂。

七、张忠谋讲半导体简史
半导体的电导性介于导体(如金属)与绝缘体(如木头)之间,所以称为半导体。
1948年以前,半导体还只是一个科学家,特别是物理学家才知道的名词。
1948 年,美国最大的电信公司 AT&T,其旗下的贝尔实验室,是世界第一流的研究机构。贝尔实验室有三位物理学家,肖克利是领袖,巴丁和布拉顿不太服,可是三个合作发明了基于半导体的电晶体(晶体管,transistor)——可以不断缩小尺寸。1952年,AT&T开放。半导体和电脑开始平行发展。
1958 年,德州仪器的杰克·基尔比和仙童半导体及 Intel 的联合创办人罗伯特·诺伊斯几乎同时发明了集成电路。
1965 年的摩尔定律。
1980 年代至今,半导体应用快速扩展,IBM 发布 PC,把 PC 普遍化。
半导体产业的分工从 1960 年代开始,先分出来封装与测试,在低工资的地区做,包括台湾、菲律宾、新加坡、香港,甚至日本。然后再到芯片设计,再到晶圆制造。1987 年,张忠谋在台湾成立崭新商业模式的台积电,专门从事晶圆制造服务。
https://www.bilibili.com/video/BV1254y1L7WG?from=search&seid=3557240962535509625

参考链接
https://mp.weixin.qq.com/s/HDS3p-5T2FM9zkyCNJuRIg
https://www.cnblogs.com/developer-qin/p/14805417.html

原文链接:https://blog.csdn.net/wujianing_110117/article/details/123321382

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THE END
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