第三章 半導體產業分析
第四節 、 半導體產業結構分析
自從 1947 年電晶體(Transistor)發明以來，歷經了演進式以及躍進式的技術創 新，改變了全球人類在生活應用與科技創新之間的互動方式，同時也使得整體社會 的生產力大幅提升。半導體產業的早期創新技術與不斷的試錯，使得技術的開端得 以透過不斷疊加的衍生或者是互補技術的發明而相得益彰，塑造了一個即將蓬勃 發展的半導體所需的基礎。晶圓代工教父張忠謀先生(Dr. Morris Chang)在 2018 年 9 月 5 日 SEMICON Taiwan 國際半導體展覽暨 IC60 大師論壇中，發表了”從半導 體業的重要創新看半導體公司的盛衰”的演講，其重點如表 3-10 所示。
第一個創新是1974 年電晶體(Transistor)的發明，由 AT&T 的貝爾實驗室(Bell Lab)的 William Shockley、Walter Bardeen 和 John Brattain 所發明。初期並沒有對外 開放技術，直到1952 年才授權給其他公司商業化，創造了兩家成功的半導體公司，
德州儀器(Texas Instruments, TI)和仙童半導體(Fairchild Semiconductor Corp., FSC)。
第二個創新是 1954 年的 Si 電晶體(Si Transistor)，利用矽(Silicon)原料製作電 晶體，屬於德州儀器(TI)的創新。第三個創新是積體電路(Integrated Circuits, IC)，
由德州儀器(TI)的 Kirby 發明，同時期 FSC 的 Robert Noyce 也發明了 IC。第四個 創新來自於1965 年 Gordon Moore 所發明的摩爾定律(Moore’s Law)，說明了每兩 年同一尺寸的晶片將會容納比以前多兩倍的電晶體數量，如圖 3-10 所示。第五個 創新是金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor, MOS)技術，包括 1964 年的 MOS FET、1967 年的 Si Gate、和 1970 年的 CMOS，這些技術創新持續了摩爾定 律的預言。這波MOS 技術的商業化，TI 並沒有因此受惠，反而使日本半導體公司 崛起，同時Intel 開始成長。Samsung 從 1983 年才開始做積體電路，因為 MOS 技 術的發明，使得其發展速度得到了躍升。
第六個張忠謀先生提到的創新是 DRAM 和 Flash Memory 技術。第七個創新
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Major Innovation Year Innovator & Company Rise & Decline
1. Transistor 1948 Shockley, Bardeen &Brattain (Bell Labs) Many SC Cos.
↑
Texas Instrument↑
Fairchild↑
2. Si Transistor 1954 Texas Instruments Texas Instruments
↑
3. IC Kahng & Sze (Bell) 7. Outsourcing of 9. VLSI Systems Design- IP & Design Tools
IP & Design Tools Cos.
Fabless Cos. (later)
↑
IP & Design Tools Cos.
↑
10. Dedicated Foundry Business Model
1985 Morris Chang (TSMC) Fabless Cos.
↑
TSMC↑
資料來源：張忠謀先生2018 年 9 月 5 日 SEMICONCON Taiwan
圖 3-10 摩爾定律(Moore’s Law) 資料來源：Wikipedia
由以上的分析，加上對於1985 年後的產業觀察，可以看出幾個半導體產業競 爭態勢的里程碑改變，如圖 3-11 所示。
(一) 1960 年代，積體電路(IC)的開發，由掌握系統知識與半導體製程技術的 大型公司掌握市場的主導權，例如TI、Fairchild。
(二) 1970 年代，MOS 技術、Intel 微處理器(CPU)的發明與記憶體技術的開 發，使得電腦系統的複雜性得以透過個人電腦標準介面與半導體製程技 術突破，獲得可實現化的加速。作業系統(Microsoft Windows)與 Intel 的
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(三) 1980 年代，VLSI 系統及設計方法論興起，導致了電子設計自動化公司 (Electronic Design Automation, EDA)相繼成立14，加速了Fabless 晶片設 計公司的崛起，利用 EDA 軟體的輔助設計，快速地將複雜晶片完成實 現化，同時1985 年 Pure-Play Foundry 的概念在張忠謀先生的商業計劃 中成形，並在1987 年成立 TSMC，Fabless 公司得以透過晶圓代工業者 完成晶片製造，加速了商品上市的時間。Fabless 與 Foundry 開始將可被 模組化的系統模塊設計成Soft IP 與 Hard IP15，以加速系統級晶片(SoC, System on Chip)設計開發的時程。
(四) 1990 年，矽智財公司(Silicon Intellectual Property)興起。將原本 Fabless 自行設計的 Soft IP 與晶圓廠會開發的 Hard IP 一起專注經營，提供給
14 EDA 產業的三巨頭企業皆是在 1980 年代創立，Mentor Graphics 1981, Synopsys Inc. 1986, Cadence Design System 1988.
15 Soft IP (Soft Intellectual Property)是一種使用晶片設計程式語言(Verilog, VHDL)描述的具有特定
功能的模組，與晶圓製程無關，可以被後續的晶片設計流程轉譯為特定晶圓廠製程的Hard IP。
IC DesignFabricationAssembly and Test Assembly
and Test
Assembly and Test Assembly and Test
資料來源：本研究整理自TSMC, Hurtarte, Wolsheimer, Lisa M. (2007)
Fabless 更高效能，同時又可以節省晶片開發時間與機會成本的矽智財，
透過技術授權方式銷售給Fabless 或 Foundry。半導體產業的垂直分工體 系愈加完善。此時IDM 公司諸如 Intel 或 Texas Instruments 仍然在原有 的整合設計與製程製造領域上整合運作，但是各有其應用產品上的策略 考量，Intel 的 CPU 需要高度的晶片架構設計與 CMOS 製程技術整合，
而TI 需要掌握在類比產品上的製程技術開發。
(五) 2000 年以後至今的半導體產業變化有著兩極化同時並存的現象。其一 是 Fabless 產業開始集中化，透過購併的方式造就了少數掌握大部分 Fabless 產值的大公司(例如：2018 年，前 15 大的 Fabless 廠商總營收 (886 億美元)占全球 Fabless (1084 億美元)的比率則為 82%)。Fabless 為 了提高在終端系統產品(例如手機系統)的半導體組件份額，也購併了類 比 IC 或射頻 IC，並逐步實現單一系統級晶片整合的大型專案。這時，
Fabless 為了更快完成晶片開發，也開始自行設計 Soft IP 和 Hard IP。
Foundry 為了協助 Fabless 完成晶片訂製，開始與 EDA 公司與 IP 公司聯 盟，以技術協同開發方式完成新製程開發所需的基本方法，例如 PDK (Physical Design Kit)、事前驗證過的 SRAM 與 Standard Cell Library，矽 智財(例如 SRAM、DRAM 等 Hard IP)，或者經由 EDA 方案已經證明過 可達到特定頻率、功率消耗、或者晶片尺寸的 Hard IP (例如：ARM microprocessor)。因應系統客戶的要求，Foundry 也開始涉足封裝領域 (packaging)提供 one-stop-shop 的服務(SiP、InFO 等)。
而另一個發展就是系統級公司開始自行籌組晶片設計團隊進行晶 片設計，並交由ASIC 服務公司(Application Specific Integrated Circuits) 做晶片設計服務，最終交給Foundry 完成晶片製造，例如 Apple、Amazon、
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如圖 3-6 全球 Fabless 公司每年新成立家數的數據所示，從 1993 年到 2000 年 的高峰值(1993 年新成立 Fabless 公司為 23 家；在 2000 年，Fabless 新成立了 200 家新創企業)，新創 Fabless 公司的年複合成長率高達 31%。這個高速成長的 Fabless 產業得利於Foundry 產業的晶圓代工服務，使得不需要大量晶圓設備投資的 Fabless 產業產值與新加入業者數量大幅增長(圖 3-12 顯示了 Fabless 產業的營收成長)。圖 3-13 顯示了本研究在觀察 Fabless 公司在垂直分工的趨勢下，在美國上市的公司數 量變化。在美國上市的Fabless 企業家數，在 2005 年到 2006 年到達最高值(81 家)，
爾後隨著Fabless 產業裡的購併，Fabless 上市家數逐漸減少到 2018 年的 36 家。附 錄C 列出了 1980 年到 2018 年的會計年度中在美國上市的 Fabless 企業。
圖 3-13 Fabless 在美國上市企業個數統計圖(1980-2018) 資料來源：本研究
圖 3-12 Fabless, Foundry 和 IDM 的營收統計(1980-2018) 資料來源：本研究