IC設計產業課件

OutlineIC設計產業歷史背景IC設計與制造流程IC設計業與上游供應商IC設計與下游價值鏈IC設計產業特性IC產品應用領域與IC設計主要競爭者我省IC設計產業：現況與挑戰IC設計產業歷史背景電子元件技術Tube->Transistor->IntegratedCircuitMoore’sLawMSI->LSI->VLSI->…數字化資訊時代IC被廣泛地應用于計算機、通訊、消費性電子、工業電子等諸多用途我省在半導體產業的發展2003年超過190億美元（全球1,664億美元）系統單晶片（System-on-ChiporSoC）電子元件技術

MilestonesBrauninventsthesolid-staterectifier.DeForestinventstriodevacuumtube.1907-1927 Firstradiocircuitsde-velopedfromdiodesandtriodes.1925 Lilienfeldfield-effectdevicepatentfiled.BardeenandBrattainatBellLaboratoriesinventbipolartransistors.CommercialbipolartransistorproductionatTexasInstruments.Bardeen,Brattain,andShockleyreceiveNobelprize.IntegratedcircuitdevelopedbyKilbyandNoyceFirstcommercialICfromFairchildSemiconductorIEEEformedfrommergerorIREandAIEEFirstcommercialICopampOnetransistorDRAMcellinventedbyDennardatIBM.4004Intelmicroprocessorintroduced.Firstcommercial1-kilobitmemory.1974

8080microprocessorintroduced.Megabitmemorychipintroduced.2000 Alferov,Kilby,andKromershareNobelprizeMoore’sLaw?DeviceFeatureSizeFeaturesizereductionsenabledbyprocessinnovations.Smallerfeaturesleadtomoretransistorsperunitareaandthereforehigherdensity.5Commandments

IEEESpectrumDecember2003,pp.31-35.Moore’sLaw:Thenumberoftransistorsonachipdoublesannually(modifiedto18-24mo.later)Rock’sLaw:ThecostofsemiconductortoolsdoubleseveryfouryearsMachrone’sLaw:ThePCyouwanttobuywillalwaysbe$5000($500-1000now)Metcalfe’sLaw:Anetwork’svaluegrowsproportionatelytothenumberofitsuserssquaredWirth’sLaw:Softwareisslowingfasterthanhardwareisaccelerating類比與數位

AnalogandDigitalSignalsAnalogsignalsarecontinuousintimeandvoltageorcurrent.(Chargecanalsobeusedasasignalconveyor.)Afterdigitization,thecontinuousanalogsignalbecomesasetofdiscretevalues,typicallyseparatedbyfixedtimeintervals.數字化信息時代數字化信息

…why?PerfectreproductionBetterforCommunicationandStorageDigitalprocessingiseasiertoprogramDigitalIC’sareeasiertodesignandmanufactureDigitalinformation/mediaiseverywhere…數位不一定好QuantizationerrorsSamplingrateQualityofAD/DAconversioncircuitsErrorsmayresultinworseresultsExhibit1:

IC設計業占半導體產業營收比率與

我省IC設計業全球占有率IC設計與制造流程IC產品分類IC設計流程IC設計產業分工結構變遷IC產品分類說明存儲器IC（MemoryIntegratedCircuit）

邏輯IC（LogicIntegratedCircuit）

微元件IC（MicroComponentIntegratedCircuit）

類比IC（AnalogIntegratedCircuit）

存儲器IC

MemoryIntegratedCircuit存儲器IC:儲存資料用依據儲存資料后是否需要不斷供電，可分為揮發性（Volatile）動態隨機存儲器（DynamicRandomAccessMemoryorDRAM）:個人計算機靜態隨機存儲器（StaticRandomAccessMemoryorSRAM）:手機非揮發性（Non-Volatile）唯讀存儲器（ReadyOnlyMemoryorROM）快閃存儲器（Flash）:目前成長最快的存儲器領域，多使用在相機,手機,記憶卡,隨身碟等。邏輯IC

LogicIntegratedCircuit標準邏輯（StandardLogic）IC最早期的IC產品，主要是進行一些基本的邏輯運算，如：AND、OR等。特殊用途IC（ApplicationSpecificIntegratedCircuitorASIC）可以完全由IC設計公司自行設計，或兼采部分標準元件。ASIC客制化的程度可以分為三大類：全客戶設計（FullCustomerDesign,FCD）；彈性最大但是也最耗時間閘門陣列設計（GateArraybasedDesign,GAD），即使用事先設計好的電路數據庫進行設計；可程序化元件設計（ProgrammableDevicebasedDesign,PDD），即透過已經設計好但功能可以程序化的元件來進行設計。彈性最小但開發時間最快。微元件IC

MicroComponentIntegratedCircuit微處理器單元（MicroProcessorUnit,MPU）MPU主要是用來進行運算用的IC，在一個系統內（如PC或是手機）可以透過軟件程序，控制MPU內部的運算功能以達到特定目的。架構上又可以分為:復雜指令集運算（ComplexInstructionSetComputingorCISC）精簡指令集運算（ReducedInstructionSetComputingorRISC）兩種架構各有其優缺點，如廣為PC采用的Intel的x86微處理器，即是采取CISC架構，而廣為使用在行動電話內的ARM微處理器則采用RISC架構。微控制器單元（MicroControllerUnit,MCU）:整合MPU、較小容量存儲器IC、外加少許的電子零件而成的簡單控制系統。低成本電子設備上，如：遙控器、微波爐等的小型電子設備。Intel公司的8051系列即是廣受采用的MCU芯片。微處理外圍（MicroPeripheral,MPR）由多種IC構成、用來處理外圍設備的組合式芯片，如：圖形控制芯片組、通訊控制芯片組、儲存控制芯片組與其他控制芯片組（如：鍵盤控制、語音輸出入）等。數位訊號處理器（DigitalSignalProcessor,DSP）。用來處理需要復雜數學運算的一種特殊型MPU，主要是用在處理自然界訊號（如：聲波、電波、光波等）的運算與處理。類比IC

AnalogIntegratedCircuit線性IC（LinearIntegratedCircuit）主要用來處理電源管理（powermanagement）、放大器（Amplifier）、與轉換器（Converter,如數位訊號轉類比訊號DigitaltoAnalog與類比訊號轉數位訊號AnalogtoDigital）等功能。混合模式IC（MixedModeIntegratedCircuit）。系指混合線性和數位的芯片組（chipset），多用于視聽產品。IC產品分類圖IC設計流程規格制定（Specification）行為描述（Behavior）RTL（RegisterTransferLevel）設計邏輯（Logic）設計電路（Circuit）設計布局（Layout）IC設計軟件工具IC設計業的自動化程度很高，設計的過程需要透過軟件來進行硬件描述語言HardwareDescriptionLanguage(HDL)VerilogandVHDL:RTLlevelLayoutToolsValidation&SimulationSPICEExhibit2:

半導體產業價值鏈與附加價值IC設計產業分工結構變遷垂直分工的趨勢大型系統產品廠商（如IBM）整合元件制造商（IntegratedDeviceManufacturerorIDM）‘70代為設計、生產與封裝、測試量大且通用的IC產品Intel,TI,Motorola無晶圓廠IC設計公司使用EDA（ElectronicDesignAutomation）公司提供的計算機模擬軟件工具IDM無生產意愿、量小、且專用的芯片特殊應用標準產品（Application-SpecificStandardProductorASSP）特殊應用IC（Application-SpecificIntegratedCircuitorASIC）專業晶圓代工廠（Foundry）閘門陣列（GateArray）系統單晶片（System-on-ChiporSoC）將原來不同功能的多顆芯片，整合成單一顆的系統芯片。Exhibit3：

IC產業垂直分工演化過程系統單晶片

System-on-Chip(SoC)近年來IC設計趨勢制造技術的快速提升及普遍化縮短開發時間輕、薄、短、小、低耗電、低成本Dataquest預估，SoC的產值占半導體業產值的比重由2001年的15.8％，將大幅成長至2005年的24.6％，預期可達到469億美元的產值規模。硅智財（SiliconIntellectualProperty,SIP）設計能力的提升明顯地跟不上制程技術提升的腳步。經過設計、驗證且可重復使用（reuse）的功能區塊硅智財供應商（SIPProvider）和IC設計服務業者（ICDesignServiceProvider）。如臺積電的創意、與聯電集團的智原IC設計業與上游供應商(1)光罩廠商一顆IC的光罩成本在臺幣數百萬到數千萬之間美國的杜邦（DuPont）、Photronics、與日本的凸版印刷（Toppan）、大日本印刷（DaiNipponPrinting，DNP）、國內的我省光罩與翔準先進晶圓代工廠全球前兩大晶圓代工廠（臺積電與聯電）近80%的占有率新競爭者（如中國大陸的中芯與宏力半導體等）加入市場，低階制程價格開始產生松動IDM大廠（如IBM與TI）也以其剩余產能加入晶圓代工的戰局，使得高階制程也會面臨價格的壓力封裝與測試廠商附加價值較低,知識密集度較低，產業的進入門檻較低多芯片封裝（MultipleChipPackage，MCP）,SiP（System-in-Package）主要的封裝廠商包括：我省的日月光、硅品、京元電子、南茂與美國的艾克爾（Amkor）。主要的測試廠則包括日月光、硅品、南茂、聯測、京元、泰林、福雷電子與ARTEST等公司。IC設計業與上游供應商(2)電子設計自動化（ElectronicDesignAutomation,EDA）工具供應商EDA所扮演的角色日益重要三大供應商依序為Synopsys、CadenceDesignSystems、與MentorGraphics，三者合計占有七成以上的市占率。IC設計服務業者提供IC設計公司與晶圓代工廠間協調產能、制程、與提高良率的服務，代為搜尋、提供及整合各類SIP的平臺服務臺積電的創意與聯電的智原硅智財(SIP)供應商泛用型的功能區塊，如：MPU、MCU、SRAM、DSP等，目前也漸漸朝向特殊應用型，如：MPEG、USB、LCDDriver等讓IC設計公司更專注于專長的特殊電路、軟件開發與芯片整合上英國的ARM為全球最大的SIP供應商vs美國的MIPSExhibit4：

全球晶圓代工廠排名Exhibit5：

SoC與Sip比較例示Exhibit6：

全球EDA與IP業者的排名IC設計與下游價值鏈應用范圍通訊用途產品（Communications）如行動電話、ADSL、無線區域網絡等計算用途產品（Computing）如個人計算機、PDA、筆記型計算機等消費電子用途產品（ConsumerElectronics）如MP3、數位相機、電子表、車用電子系統等工業電子用途產品（IndustrialElectronics）如工業用控制器、工業計算機等軍事電子用途產品（MilitaryElectronics）如雷達、戰斗機的控制系統等IC設計之需求面系統客戶終端產品供應商制造代工廠OEM（OriginalEquipmentManufacturer）轉到ODM（OriginalDesignManufacturer）模式銷售通路代理商銷售代理商通常代理銷售多個品牌比價競爭，生命周期越見縮短，跌價速度也相當快自行銷售大型IC設計公司為提高客戶服務質量設立研發中心IC設計產業特性產業結構中度集中毛利率業者差異大代工廠關系為獲利關鍵知識密集需專業人才產業結構中度集中全球前五大IC設計業者（Qualcomm,nVidia,Broadcom,Xilin,ATi），以2003年的占有率計算，產業集中度約為43.8%，而前十名的集中度則為66.45%，屬于中等集中度的產業Exhibit7不同產品領域的技術門檻相當高，少有廠商在不同產品領域皆領風騷IC設計業者的排名是隨著重要的應用功能出現，或是某一類產品熱賣而會產生重新洗牌Exhibit8Exhibit7：

全球前10大IC設計業者獲利能力與主要產品Exhibit8：1999年至2003年全球前10大IC設計業者排名變化成本結構與獲利性主要固定成本研發費用國內主要IC設計廠商的研發費用約占整體營業收入的比重約在9~15%左右人事成本變動成本代工的制造費用30%~50%封裝與測試費用20~40%毛利率視其產品的市場競爭程度而定近乎獨占的Qualcomm毛利率接近70%而廝殺激烈的繪圖芯片組市場nVidia與ATi兩家公司的毛利約在30~35%左右晶圓代工廠的關系無晶圓廠IC設計業競爭力的關鍵決策晶圓制造代工的成本適時推出產品（time-to-market）的成敗攸關性如何選擇一家能夠快速進入量產、產能供給穩定、且具競爭力價格的代工制造伙伴？晶圓代工產業產能調整性不佳,需確保產能的充分利用提升技術能力以利競爭必須掌握重要、有潛力的客戶各家IC設計公司無不設法開拓多源（multiplesourcing）的代工廠產能來源，或是轉投資新設的代工廠，以確保產能與成本的競爭優勢知識密集與專業人才知識與專業人才是IC設計公司成敗的關鍵技術股或股票分紅，成了人才取得、養成、與留用的重要利器。業界的挖角與跳槽也非常興盛創新型或防御型的專利（即所謂專利地雷），都是IC設計公司的重要資產與競爭武器。專利相關的法律人才，透過專利權訴訟來保護本身權益與攻擊競爭對手、甚至競爭者的顧客。透過專利權的交換，與其他技術互補性廠商組成共同開發產品的策略聯盟。IC產品應用領域與

IC設計主要競爭者IC產品的應用領域相當廣泛不同應用領域間存在明顯的技術障礙同一應用領域內的競爭卻也相當激烈Exhibit9：

全球電子產品產值IC產品應用領域(1)

計算機相關產品計算機相關產品（Computer）中央處理器（CPU）IDM的天下，因為運算速度快，芯片復雜度高，IC制程也非常特別Intel,AMD,IBM:自設晶圓工廠Sun為無晶圓廠（Fabless）一般芯片組（Chipset）Intel,我省的硅統（SiS）:IDM我省的威盛（VIA）與揚智（ALi）為無晶圓廠繪圖芯片組（GraphicsChipset）PC:美國nVidia與ATi兩大公司對壘游戲機市場看好其他外圍設備的控制芯片計算機相關產品雖然一直都是過去IC設計業的主力產品，但隨著PC市場逐漸飽和，此類IC產品的成長力道漸不如前。IC產品應用領域(2)

通訊產品（Communication）通訊產品成為過去十年來半導體業成長的重要動力寬帶上網:xDSL、CableModem、區域網絡卡無線區域網絡（WirelessLocalAreaNetwork,WLAN）:WiFi,Bluetooth行動電話:GSM,CDMA,3G光纖網絡HomeGateway,VoIP通訊IC行動電話原本都由美國的TI與Motorola等IDM所掌控美國的Broadcom、我省的聯發科等公司Qualcomm:CDMA,3GxDSL:標案形式成交，以致于價格廝殺激烈，迫使系統廠商的毛利嚴重被擠壓，小廠退出賽局WLAN:802.11a,802.11b,802.11g

802.11n數位整合趨勢行動電話、內建MP3、數位相機、無線區域網絡、VoIPHTCUniversal

a.k.a.Dopod900IC產品應用領域(3)

消費性產品（Consumer）消費性電子產品包括光盤機（DVD）、MP3、數位相機（DigitalStillCamera,DSC）、數位音響、數位電視機、車用電子、玩具等數千種產品。市場區隔多元、產品生命周期短、功能提升快速迅速取得成本優勢是競爭關鍵我省的聯發科技自1998年成立后，先藉由低價與鎖定特定客戶的策略切入市場，同時避開相關的技術專利來取得市場占有率；其后透過技術層次的提升，由原本技術后進者變成技術領導者，最后成為全球PC與筆記型計算機用光盤機芯片組的領導廠商率先大量生產而取得低成本優勢的廠商得勝隨著數位家庭的趨勢與車用電子的日漸普及，消費性電子產品將是未來IC設計產業重要的成長動力。IC產品應用領域(4)

泛用型產品（Generic）跨計算機相關產品、通訊產品、消費性產品的終端系統所使用存儲器產品Flash記憶卡SanDisk由于隨身碟、記憶卡等大量使用Flash的產品熱賣，全球排名躍升到2003年的第七名DRAMIDM掌控制程技術與產能大宗商品，價格波動劇烈IC產品應用領域(5)

可程序閘陣列（FPGA）FieldProgrammableGateArraysIC設計公司為爭取時效，在毛利較高且數量較少的電子產品上（FPGA的成本很高），驗證過自行程序化的元件后，就可使用在終端產品上。由于電路設計特殊加上專利保護等因素，Xilinx與Altera兩家公司形成寡占局面(分別占據2003年IC設計業的第五與第八的名次)我省IC設計產業：

現況(1)截至2003年，我省約有250家左右的IC設計公司，從業人數超過12,500人，平均每位員工的年產值超過新臺幣1,500萬元，平均毛利率約為37%，凈利率約為20%(Exhibit10)多集中于計算機與消費性電子產品破壞式的創新（disruptiveinnovation）:低成本與地利之便，取代國外IC供應商，并與電子制造業的量產起飛共同成長政策支持、新竹科學園區的成立、與工研院（ITRI）養成研發人才我省IC設計產業：

現況(2)半導體產業既是是硅島計劃中「兩兆雙星」的重點產業，系統單晶片（SoC）也列為九項國家型科技計劃之一，又稱為「硅導SoC計劃」我省IC設計產業前景似乎依舊樂觀，但是國際競爭情勢、技術創新趨勢、乃至于關鍵資源條件的發展，皆挑戰著我省廠商必須以前瞻策略的眼光，思考如何持續創新、永續成長。Exhibit10：

我省IC設計業重要指標Exhibit11：2003年我省前20大IC設計業排名與主要產品Exhibit12：

我省IC產業關聯圖我省IC設計產業:挑戰(1)

價格競爭壓力漸增國外廠商也開始外包給具價格競爭力的晶圓代工廠商，反手進入低階、低毛利市場，轉采薄利多銷的策略，以避免『破壞性創新者』的逐步市場滲透。美國IC設計大廠也越來越重視成本控制，遂把原本在歐美等地的研發中心轉移到我省、大陸與印度等研發人力成本較低的地方。未來低價化的IC會成為市場主流我省IC設計產業：挑戰(2)

技術創新領域與專利實力以WLAN產品為例，由于在2000~2003年間我省WLAN網卡與基地臺的代工市場呈現爆發性成長，我省既有的IC設計公司，不論原來生產消費性、通訊或計算機外圍IC，加上數十家新設的IC設計公司，皆投入當時主流的802.11b基頻芯片（Baseband）規格，企圖爭取原本由美國Intersil公司所壟斷的的市場。但后來Broad