去年有大量关于半导体行业的文章：芯片短缺、  CHIPS 法案、我们对台湾和台积电、对中国大陆的依赖等等。

但是，尽管有这么多关于芯片和半导体的讨论，但很少有人了解这个行业的结构。我发现理解复杂事物的最佳方法是逐步绘制图表。因此，这里有一个关于该行业如何运作的快速图片教程。

半导体生态系统

我们正在看到的社会现象是一切都在走数字化转型。半导体——处理数字信息的芯片——几乎无处不在：计算机、汽车、家用电器、医疗设备等。半导体公司今年将销售 价值 6000 亿 美元的芯片。

如下图所示，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 iPhone、PC、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 十亿美元。

1. 芯片知识产权 (IP) 内核
2. 电子设计自动化 (EDA) 工具
3. 专业材料
4. 晶圆厂设备 (WFE)
5. “无晶圆厂”芯片公司
6. 集成设备制造商 (IDM)
7. 芯片代工厂
   
   

• 芯片的 设计 可能归一家公司所有，或者……
• 一些公司许可他们的芯片设计——作为软件构建模块，称为 IP 内核——以供广泛使用
• 有超过 150 家公司销售芯片 IP 核
• 例如，Apple 授权 ARM的 IP 核 作为其 iPhone 和计算机中微处理器的构建块

• 工程师使用专门的电子设计自动化 (EDA) 软件设计芯片（在他们购买的任何 IP 内核之上添加自己的设计）
• 该行业由三个美国供应商主导 ——Cadence、  Mentor  （现为西门子的一部分）和 Synopsys
• 使用这些 EDA 工具的大型工程团队需要 2-3 年的时间来设计一个复杂的逻辑芯片，例如在电话、计算机或服务器中使用的微处理器。（见下图设计过程。）

• 硅晶片——制造它们需要晶体生长炉
• 使用了 100 多种气体 ——散装气体（氧气、氮气、二氧化碳、氢气、氩气、氦气）和其他外来/有毒气体（氟、三氟化氮、砷化氢、磷化氢、三氟化硼、乙硼烷、硅烷，不胜枚举在…）
• 流体（光刻胶、  CMP 浆料）
• 光罩
• 晶圆搬运设备、切割
• 射频发生器

• 这些机器物理地制造芯片
• 五家公司在行业中占据主导地位—— 应用材料、  KLA、  LAM、 东京电子 和 ASML
• 这些是地球上一些最复杂（也是最昂贵）的机器。他们取一片硅锭，并在其表面上下操纵其原子
• 稍后我们将解释如何使用这些机器

• 以前使用现成芯片的系统公司（Apple、Qualcomm、Nvidia、Amazon、Facebook 等）现在设计自己的芯片。
• 他们创建芯片设计（使用 IP 内核和他们自己的设计）并将设计发送到拥有制造它们的“晶圆厂”的“代工厂”
• 他们可能会在自己的设备中专门使用这些芯片，例如苹果、谷歌、亚马逊……。
• 或者他们可能会将芯片出售给所有人，例如 AMD、Nvidia、高通、博通……
• 他们不拥有晶圆制造设备或使用特殊材料或化学品
• 他们确实使用芯片 IP 和电子设计软件来设计芯片

• 集成设备制造商 (IDM) 设计、制造（在自己的晶圆厂中）和销售 自己的 芯片
• 他们不为其他公司制造芯片（这种情况正在迅速变化。）
• IDM 分为三类——内存（例如 Micron、  SK Hynix）、逻辑（例如 Intel）、模拟（TI、  Analog Devices）
• 他们有自己的“晶圆厂”，但也可能使用代工厂
• 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 Wafer Fab Equipment 并使用专门的材料和化学品
• 流片新的领先芯片（3nm）的平均成本现在是 5 亿美元

• 代工厂在他们的“晶圆厂”中为其他人制造芯片
• 他们从各种制造商那里购买和集成设备
• 晶圆厂设备和专用材料和化学品
• 他们使用这种设备设计独特的工艺来 制造 芯片
• 但他们 不设计芯片
• 台湾台积电 逻辑领先， 三星 第二
• 其他晶圆厂专门制造用于模拟、电源、射频、显示器、安全军事等的芯片。
• 建新一代芯片（3nm）制造厂耗资200亿美元

• Fabs 是制造厂的简称——制造芯片的工厂
• 集成设备制造商 (IDM) 和 代工厂都拥有晶圆厂。唯一的区别是他们是制造芯片供他人使用或销售，还是制造芯片供自己销售。
• 将 Fab 想象成类似于书籍印刷厂（见下图）

1. 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
2. 作者与专门研究其流派的出版商签订合同，然后将文本发送到印刷厂。工程师选择适合其芯片类型（内存、逻辑、射频、模拟）的晶圆厂
3. 印刷厂购买纸张和墨水。晶圆厂购买原材料；硅、化学品、气体
4. 印刷厂购买印刷机械、印刷机、粘合剂、修边机。晶圆厂购买晶圆厂设备、蚀刻机、沉积、光刻、测试仪、封装
5. 一本书的印刷过程使用胶印、拍摄、剥离、蓝图、制版、装订和修整。芯片是在复杂的过程中制造的，使用蚀刻机、沉积、光刻来操纵原子。将其视为原子级胶印。然后切割晶片并封装芯片
6. 该工厂生产出数百万本同一本书。该工厂生产出数百万个相同芯片的副本

• 随着芯片变得越来越密集（单个晶圆上有数万亿个晶体管），建造晶圆厂的成本飙升——现在一个芯片工厂的成本超过 100 亿美元
• 原因之一是制造芯片所需的设备成本飙升
• 仅来自荷兰公司ASML的一台先进光刻机就 耗资 1.5 亿美元
• 一个工厂有大约 500 多台机器（并不都像 ASML 那样昂贵）
• 晶圆厂的建筑非常复杂。制造芯片的洁净室只是一组复杂管道的冰山一角，这些管道在正确的时间和温度将气体、电力、液体全部输送到晶圆厂设备中
• 保持领先地位需要数十亿美元成本，这意味着大多数公司已经退出。2001 年有 17 家公司生产最先进的芯片。今天只有两家—— 韩国的三星 和中国台湾的台积电 。

• 逻辑芯片设计人员没有让单个处理器完成所有工作，而是将多个专用处理器放入芯片内部
• 存储芯片现在通过堆叠 100 多层高而变得更密集
• 随着芯片的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设备，以帮助晶圆厂制造具有更低功耗、更好 性能、最佳面积成本和更快上市时间的芯片

• 晶圆厂具有规模经济和标准化。他们不必自己发明，而是可以利用生态系统中的整个创新堆栈。只专注于制造
• AMD 已经证明，从 IDM 转变为无晶圆代工厂模型是可能的。 英特尔 正在尝试。他们将使用 台积电 作为自己芯片的代工厂，并建立自己的代工厂

• 确保芯片的稳定供应已成为国家的优先事项。（按美元计算，中国最大的进口是半导体——比石油还大）
• 如今，美国和 中国 都在迅速尝试将其半导体生态系统彼此脱钩。中国正在投入 100 多亿美元的政府激励措施来建设中国晶圆厂，同时试图创造本土供应的晶圆厂设备和电子设计自动化软件
• 在过去的几十年里，美国将大部分晶圆厂转移到了亚洲。今天，我们鼓励将晶圆厂和芯片生产带回美国