半导体领域基本知识科普

  飞翔的小果粒 2018-09-12 20:16:24
我们先说说芯片行业的基本划分，基本上可以分为三种模式：
一、无晶圆厂
无晶圆厂（英语：Fabless Semiconductor Company）是指只进行硬件芯片的电路设计，然后设计交由晶圆代工厂制造为成品，并负责销售产品的公司。由于半导体器件制造耗资极高，将集成电路产业的设计和制造两大部分分开，使得无厂半导体公司可以将精力和成本集中在市场研究和电路设计上。而专门从事晶圆代工的公司则可以同时为多家无厂半导体公司提供服务，尽可能提高其生产线的利用率，并将资本与营运投注在昂贵的晶圆厂。“无厂半导体公司－晶圆代工模式”的概念最初是由Xilinx的伯尼·冯德施密特（Bernie V. Vonderschmitt）和C&T的戈登·A.坎贝尔（Gordon A. Campbell）所提出。
好处很明显了，负担很轻，自己只管设计就行了，不用耗费巨资去兴建晶圆厂、开发新工艺，但坏处同样很突出：你设计出来了，能否造出来、即便造出来又是个什么样子你就无法做主了，得看代工伙伴的能耐。这方面的教训当然很多：台积电40/28nm两代工艺最初都很不成熟，产能也是迟迟上不来，让整个行业为之拖累。
GlobalFoundries32nm工艺没有达到AMD的预期水平，第一代FX/APU处理器的频率和电压就跟设计得差很多，28nm工艺吹了那么久直到现在才刚刚上路，迫使AMD一度放弃了整整一代的低功耗APU，不得不重新设计再去找台积电。
二、IDM模式
也就是垂直整合模式。与“无晶圆厂－芯片外包代工模式”相对的半导体设计制造模式为“垂直整合模式”（英语：IDM, Integrated Design and Manufacture），即一个公司包办从设计、制造到销售的全部流程，需要雄厚的运营资本才能支撑此营运模式，如英特尔和三星。
三星电子一方面是垂直整合模式，能制造自己设计的芯片；另一方面，它也扮演代工厂的角色，同时给苹果公司为iPhone、iPad设计的处理器提供代工服务。
三、IP设计模式
这些公司只负责设计电路，不负责制造、销售的公司则称为IP核公司，如ARM。 不制造、不销售任何芯片，只是自己设计IP，包括指令集架构、微处理器、图形核心、互连架构，然后谁喜欢就把授权卖给谁。客户拿着ARM IP可以自己想怎么干就怎么干。
好，介绍完了这几个基本模式以后，就来了解一下行内几个大厂家的现状了。
Intel：芯片制造商一、公司的基本情况
英特尔公司Intel是世界上最大的半导体公司，也是第一家推出x86架构处理器的公司。在1980年代时，英特尔在全球是前十大的半导体销售的业者（1987年是第10名），而在1991年以后，英特尔达到了第一名的位置之后就没有再变动了。而其次的半导体公司包括AMD、三星、德州仪器、东芝与意法半导体。
二、商业模式
芯片设计+制造+销售
芯片的设计与制造是英特尔的核心优势。英特尔涵盖芯片的设计、生产以及到最终上市的整个过程。
当前全球半导体产业主要由台积电、英特尔、三星电子（Samsung Electronics）及GlobalFoundries等四家业者盘据，其中台积电、三星及GlobalFoundries为纯晶圆代工厂，只负责为外部客户制造芯片，并非为自家企业设计、推出及自售芯片产品。即使三星有为公司内部打造部分客制化芯片，但基本上大部分晶圆业务仍是为外部客户做代工为主。但英特尔与上述三家业者的业务模式不同，多年来英特尔均自建晶圆厂房，只为生产自家设计的微处理器，属于整合元件制造（IDM）半导体业者，直到过去几年才打破此一惯例，开始接外部客户晶圆代工订单。
ARM：芯片设计商一、公司基本情况
ARM成为一家独立的处理器公司，从事研发低费用、低功耗、高性能芯片。主要的产品是ARM架构处理器的设计，将其以知识产权的形式向客户进行授权，同时也提供软件开发工具。ARM自己不制造芯片，将其技术知识产权（IP核）授权给世界上许多著名的半导体厂，其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、飞利浦、Atmel、Broadcom、Cirrus Logic、Freescale、Actions等。
ARM是移动设备时代最大的技术霸主，取代了当年Intel在PC电脑时代的地位，并且Intel屡次试图冲击ARM均告失败。但是，ARM采取了完全不同于Intel的商业模式。
2016年7月18日，日本软银同意以243亿英镑（约309亿美元），以全现金方式收购ARM公司。


二、商业模式
1.只设计，与生产完全脱钩（不管产品是不是生产、能否生产、如何生产，也不管产品销售）
ARM并不自己生产芯片，而是将自己的技术授权给其他芯片生产厂商，比如高通、德州仪器、英伟达等等。 ARM位居在所有半导体供应链的最上端，将微处理器设计蓝图卖给IC设计公司，比如联发科；其后再协助联发科开发出符合其需求的微处理器。这就像是盖房子，ARM卖的是一套房子的基本设计蓝图。IC设计公司买下蓝图之后，可以根据自己的需求对其进行修改，比如要设计几个房间？餐厅和卫生间各要多大？”
ARM透过卖蓝图给IC设计公司，收取授权金，等到IC设计公司卖出根据蓝图所设计、生产出来的芯片之后，每卖出一颗芯片，就要付给ARM每一颗芯片的专利费，大约是每颗芯片售价的百分比来计算。这样的经营模式，使得ARM 并不需要自己投资数十亿美元来兴建芯片生产厂房，而是成为一家完全依靠头脑盈利的公司。这一模式同时也非常有利于生态圈的建设。正因为如此，ARM才能够以2000人左右的规模，同时服务超过800家的签约合作授权公司，并同时进行1000个以上的芯片开发计划。
在PC产业中，无厂半导体公司并不少见（比如Nvidia和现在的AMD）。无厂半导体公司进行芯片的所有设计，但最后的生产工作会交付给代工厂（比如台积电和三星）。这样的合作方式能给制造商们节约相当一部分成本。不过同时，这也意味着整个流程就不完全在你的掌握之中了——代工方会影响到产能、质量和时间点。
ARM在模式上比无圆晶厂走得更远。ARM不针对市场输出任何的芯片；而是向其他的供应商提供设计IP（指令集架构、微处理器、图形处理器…）和使用许可。ARM的客户买下他们所需IP的许可，然后采用这些设计来生产自己的芯片。客户本身可以是无厂半导体公司或者是芯片制造商。在许可费用之外，此后芯片使用的流程中ARM还会获得下游的版税。
ARM向客户提供3种许可：POP，处理器以及架构许可。
（1）POP：最完整的方案
POP全称是处理器优化包，属于标配基础上的加强版。如果客户没有足够的团队来整合自己的设计，那么ARM可以卖给你一个处理器优化方案，然后你拿着这个优化方案就可以直接找厂商生产——ARM保证一定程度的性能指标。
（2）处理器许可：标准版方案
处理器许可只允许客户使用他们设计的CPU或者GPU，相当于是“标配”。你不能更改他们的设计，但可以在他们的基础上整合你想要的设计。ARM同时还向客户提供将设计整合的指南，不过最后的设计整合和实体整合还是需要你自己的team去做。
（3）架构许可：仅框架方案
如果你实力雄厚，可以仅购买ARM的架构/指令集(ARMv7、ARMv8)，然后自己研究设计芯片。架构许可相当于DIY包。ARM会把它的某个架构完全放给你（比如ARMv7、ARMv8）。由此你可以在原架构的基础上进行你想要的更改。高通Krait、苹果Swift就是典型代表。ARM旗下拥有大约1000种不同的许可，320个许可持有方/合作伙伴。而在这320个许可方中，只有15家拥有架构许可。
ARM模式与Intel模式对比ARM跟PC领域的巨头Intel相比，两者的差异非常之大。Intel打造自己的架构，尔后根据不同的市场定位设计一系列的芯片，最后设计会由自家的工厂负责生产。Intel可以说集成了芯片生产中的所有流程。当然这其中的工作量相当大，同时它也能从产品中获得很高的回报。


ARM创立之后，开始像一个独立的商业化公司那样去运作，但是一直比较艰难。在产品研发上，ARM避开在电脑领域大行其道的英特尔CISC指令，转而开发不被市场看好的RISC精简指令。与此同时，重新定义产品的核心：低成本，低功耗，高效率。
由于缺乏资金，ARM做出了一个意义深远的决定：自己不制造芯片，只将芯片的设计方案授权（licensing）给其他公司，对方可以在ARM技术的基础上添加自己的设计DIY，并由它们来生产。正是这个模式，最终使得ARM芯片遍地开花，将封闭设计的Intel公司置于”人民战争”的汪洋大海。
在其开放授权的商业模式下，基本上全球所有的半导体大佬都成了ARM的合作伙伴。开发新产品时，这些公司都不再需要消耗大把的时间，精力和成本从头设计研究芯片架构，相反，他们只需要查看一下ARM公司的芯片名册，购买，然后添加自定义设计就行。 ARM向这些客户收取年费或者使用费，甚至同一个技术可以重复收费，并用这些利润研究下一个技术。这种售卖知识产权的模式更是让ARM处于行业价值链顶端，客户无论盈亏，都与ARM无关，他就一直在那里卖创新。英特尔将要PK的对手绝不只是ARM，而是其背后的整个“ARM联盟”。
高通：无晶圆厂+芯片设计商一、公司基本情况
高通公司（Qualcomm）是一个位于美国加州圣迭戈的无线电通信技术研发公司。高通公司在CDMA技术的基础上开发了一个数字蜂窝通信技术，目前是全球二十大半导体厂商之一。
高通曾开发和销售CDMA手机和CDMA基站设备。近年来，高通公司把其基站业务和手机研发业务分别卖给爱立信和京瓷，现在主要从事开发、无线电技术许可和出售他们的专用集成电路（ASIC）。


二、商业模式
高通主要由四个业务部门组成，分别是高通CDMA技术部门(QCT)，高通技术授权部门（QTL）、高通无线&互联网部门（QWI）、高通战略方案部门（QSL）等，2012财年CDMA技术部门、技术授权部门、无线&互联网部门营收依次对应88.59亿美元、54.21亿美元、6.56亿美元，三者占比分别为59.2%、36.2%、4.4%，而战略方案部门则主要是业务相关（专利技术产品等等）投资收购。从收入上可以看到，高通的CDMA技术部门和技术授权部门（QTL）是其最核心的两个部门。
高通的CDMA技术部门采取无厂半导体公司模式，主要负责CDMA芯片设计、外包生产和销售。技术授权部门（QTL）则采取类似ARM的模式，只负责技术许可，不参与产品生产。
1. 无厂半导体公司模式：芯片设计+外包生产+销售
高通公司设计各种ARM架构的CDMA，专为移动站点调制解调器设计的芯片（MSM系列），基带无线电芯片和电源处理芯片。这些芯片组卖给移动电话制造商，譬如京瓷、摩托罗拉和HTC、三星电子集成到CDMA手机里。
高通客户主要是使用芯片的无线设备制造商，如苹果、三星、HTC、华为等，高通在其年报称目前的竞争对手主要有博通，飞思卡尔、英特尔、富士通、联发科、展讯、英伟达等，以及部分客户爱立信、三星（一些产品芯片由自己设计）。
高通公司的外包生产，采取“集成的无生产线模式”，与外包制造商的关系更紧密，以规避外包生产供应不稳定的问题。高通要求无生产线的设计公司与EDA（半导体电子设计自动化）、代工厂商和封装/测试公司紧密合作，以各自的技术专长共同推动生产和设计的一体化，它的主要目标是为半导体开发领域的各方之间建立紧密的技术接口，从而提高效率、降低成本并缩短新品上市时间。这样一种类似虚拟“联盟”的紧密协作关系让无生产线厂商取了IDM模式之所长，从而可以和英特尔、德州仪器等厂商直接竞争；也让产业链上的其它环节更有能力规避风险，更加灵活，否则半导体产品长达60至120天的成熟周期将无法应对目前日新月异的消费者市场。
高通公司授权的手机厂商可以采取多种方式生产和上市产品：
（1）它们可以从高通公司直接购买芯片和软件；
（2）它们可以从高通公司的专业集成电路授权厂商处购买芯片；
（3）它们可以自行设计和制造芯片。在这三种情况下，授权的手机厂商可以根据与高通公司单独订立的专利许可协议在其产品上使用高通公司的专利。
2.技术许可：只许可，不参与生产
高通的专利授权部门已成为高通的盈利的主要来源，毛利率达90%以上，2011财年营收占比36.5%，却贡献高通税前利润的69.5%，这也是卖产品与卖标准的区别，我们知道卖产品的收益取决于销售收入减生产成本的毛利和市场占有率，而标准技术标准取决于你能把目标市场做多大，市场认可程度，能有多少伙伴，然后就是坐地收钱了，下图是高通授权厂设备（包括CDMA、OFDMA以及CDMA/OFDMA多模终端等）销售额变化趋势，高通大致能获得终端设备销售额的3-5%（协议期间内费率不变）。
高通专利授权许可费的基数并不是按照“芯片收费”来计算的，而是按照手机整机成本价来计算，这是其在全球推行的重要模式，这也就意味着，高通有可能一方面可以通过低于成本出售部分产品赶走竞争对手，而另一方面它仍然可以获得很好的利润，因为芯片定价降低的比例反映到整机成本价的降幅上就微乎其微了。
3.参与标准设计
为了扩大芯片及技术的市场，高通极力参与技术标准的制定。高通公司付出了巨大的努力——高通公司参与制定开放标准，并把成果和所有人共用。目前，公司在负责提出和改进UMTS/ WCDMA和CDMA2000标准的标准组织（分别是3GPP和3GPP2）中有广泛的参与和贡献。高通公司认为自己在标准上的广泛参与和贡献对于保持技术的稳定性以及不同厂商手机和系统设备间的互操作性至关重要—对标准的成功也非常关键，无论是CDMA2000还是WCDMA。
AMD：无晶圆厂半导体公司一、公司基本情况
目前除了英特尔以外，AMD是最大的x86架构微处理器供应商，自收购冶天科技以后，则成为除了英伟达以外仅有的独立图形处理器供应商，自此成为一家同时拥有中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）技术的半导体公司，也是唯一可与英特尔和英伟达匹敌的厂商。


AMD为工业级市场及消费电子市场供应各种电脑（包括工作站、服务器、个人电脑以及嵌入式系统）、通信用之集成电路产品，其中包括中央处理器、图形处理器、闪存、芯片组以及其他半导体技术。
二、商业模式
1.初期模式：自己设计芯片+自己建设工厂制造+销售产品
最初，AMD是拥有晶圆厂来制造其设计的芯片。
2.后期模式：自己设计芯片+外包生产+销售产品
2009年AMD是将自家晶圆厂拆分为现今的GlobalFoundries（格罗方德）以后，成为无厂半导体公司，由GlobalFoundries接手生产处理器芯片，由台积电代工生产图形处理器。AMD仅负责硬件集成电路设计及产品销售业务。


Nvidia英伟达：无晶圆厂半导体公司一、公司基本情况
Nvidia是一家以设计图形处理器为主的半导体公司。目前NVIDIA和AMD供应了市场上大部分独立显卡。


二、商业模式
1. 主要模式：自己设计芯片+外包生产+销售产品
（1）芯片：自行设计，外包生产
NVIDIA于自己的实验室研发芯片，但将芯片制造工序分包给其他厂商。
（2）终端产品：自行设计部分产品，外包生产，交给其他品牌商贴牌销售
在最终产品上（指显卡、主板等），NVIDIA会推出所谓原厂“公版”（Reference）产品（称为参考样卡或参考模板）供展示及测试之用，外包给其他尝试代工或设计。在零售市场上，NVIDIA会把顶级型号的“原厂”公版产品给各个第三方厂商贴牌，这些厂商的产品设计用料完全相同，均由一家厂商代工。
2.新尝试：仅技术许可，不设计芯片，也不制造和销售芯片
NVIDIA采取向其他公司授权图形技术的新经营模式。因为单靠出售芯片无法为智能手机和平板电脑市场提供服务。原因在于，某些客户（如苹果和三星）不喜欢购买芯片，因为他们喜欢创造自己的芯片，而且拥有自主设计生产芯片所需要的生产能力、创造能力和规模。NVIDIA将尝试将其图形技术授权给苹果和三星。
MTK：无晶圆厂一、公司基本情况
联发科技股份有限公司（MediaTek Inc.），简称联发科，中国大陆坊间或网络上常简称 MTK，成立于1997年，总公司设在台湾新竹科学工业园区，是一家Fabless IC设计公司，公司初期以光盘驱动器芯片为主，其后发展了手机及数字电视与穿戴式设备解决方案芯片。


二、商业模式
1. 主要模式：自己设计完整系统的芯片+外包生产+销售产品
相比Intel提供关键零组件，联发科则提供总体解决方案，提供一个Turn-key解决方案（以单一封包方式提供大部分手机内部零组件）。 联发科把以前属于手机厂商该做的事情通通帮客户做好，大幅降低手机公司的研发技术门槛，造就了庞大的中国本地品牌和山寨手机。 这种方式，一来提高开发效率，手机芯片开发和系统设计在MTK内部同时进行，更有效率；二来帮手机厂商节省开发成本，手机厂商不用自行开发设计。联发科更像是垂直整合系统公司，不只是芯片公司。
1. MediaTek Labs开发者社区项目
联发科技创意实验室项目初期将以联发科技的LinkIt™开发平台为主，该平台主要以联发科技Aster(MT2502)系统单芯片为核心。联发科技创意实验室副总裁Marc Naddell说：“随着联发科技创意实验室的设立，我们正在为业余玩家、学生、专业开发者和设计师们开启一个新的充满各种可能性的世界，帮助他们充分释放创意与创新能力。我们相信联发科技创意实验室将会推动下一波消费性电子设备和应用程序开发浪潮，让全世界万事万物都可以实现互联。”


联发科技创意实验室项目初期将以联发科技的LinkIt™开发平台为主，该平台主要以联发科技Aster(MT2502)系统单芯片为核心。联发科技创意实验室副总裁Marc Naddell说：“随着联发科技创意实验室的设立，我们正在为业余玩家、学生、专业开发者和设计师们开启一个新的充满各种可能性的世界，帮助他们充分释放创意与创新能力。我们相信联发科技创意实验室将会推动下一波消费性电子设备和应用程序开发浪潮，让全世界万事万物都可以实现互联。”
LinkIt开发平台具备完整的联网功能和良好的扩充性，通过高度整合以降低额外硬件连接设备的数量。而且，联发科技所提供的硬件参考设计，可让开发可穿戴及物联网原型设备的流程更加简化且更具成本效益。

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不错哦，楼主这是要火的节奏啊！

我就搞不明白了，看帖回帖能死人么，居然只有我这么认真的在回帖！

回帖也有有水平的！

今天皮痒了？