Fab-Lite模式引領中國半導體制造業走向“中國智造”

李昂洋

（河南大學，河南 開封 475000）

一、概念和背景

（一）半導體和集成電路

半導體器件可以通過結構和材料上的設計達到控制電流傳輸的目的，并以此為基礎構建各種處理不同信號的電路，被廣泛應用在當前多有電子設備中。集成電路[1]是把一個電路中所需的元件及布線互連一起；再以半導體材料為基片, 將元件和互聯線路集成在基片上;之后的半成品晶圓(Wafer)經過劃片、封裝在一個管殼內組成一個整體,成為具有所需電路功能的產品，又被稱為芯片。集成電路2015年全年產值高達2753億美元，占所有半導體產業整體產值的81.8%，IC產業的發展指標在一定程度上代表了半導體產業的發展。

（二）無晶圓廠、晶圓代工廠和垂直整合制造商模式

無晶圓廠（Fabless）和晶圓代工廠（Foundry）是半導體產業發展到20世紀90年代后由于分工而產生的兩種相互合作的生產模式。無晶圓廠負責設計芯片、研發新架構和提供解決方案，設計稿交由晶圓代工廠進行生產，最后進行封裝測試。垂直整合制造商（IDM）是自然的半導體生產方式，往往企業規模巨大，有資本運營和管理大量的生產線和設計所。代表性的無晶圓廠有ARM和Nvidia。晶圓代工以市場占有率高達59%的TSMC為主。傳統的IDM廠商包括intel和拆分出GLOBALFOUNDRIES生產線之前的AMD。

半導體制造業和一般加工制造業相比有巨大的差別，不管是生產線還是提供解決方案的設計公司，對前沿技術要求較高，落后于主流工藝的芯片會迅速被市場淘汰，一般一款移動通信設備集成的芯片會在兩年左右更新規格，而計算機平臺的芯片，尤其是消費級的核心處理器，最快每一年都會經歷換代的更新。同時新技術往往受到嚴格的專利保護，在不同國家或經濟區間甚至存在技術封鎖，瓦森納協定限制了締約國向中國出口重要技術和敏感產品。這些制約了新型半導體企業發展，半導體產業的90%左右的產值都來自頭部企業。具體來說，是在半導體產業生產鏈中的芯片設計、晶圓制造和設備供應這三個環節中占壟斷地位的企業。

二、理論框架和指導精神

來自《中國制造2025》的“中國智造”理論框架。《中國制造2025》中提出的“中國智造”是當前我國制造業轉型的理論框架，其中明確提出：

“（大力推動重點領域突破發展）集成電路及專用裝備。著力提升集成電路設計水平，不斷豐富知識產權（IP）和設計工具，突破關系國家信息與網絡安全及電子整機產業發展的核心通用芯片，提升國產芯片的應用適配能力。”[2]

在同一時刻，世界范圍內的制造業正在經歷生產組織方式的巨大變革，主要工業國家都在尋求發展方向，以歐洲為例，德國在漢諾威工業博覽會上正式推出“工業4.0”戰略，尋找歐洲制造業轉型的方向，美國也曾提出過相似的CPS(Cyber-Physical System)路線，以及工業互聯網和在工業化戰略。這些戰略的密集部署透露出了我們正處于工業別個重要轉折點這一信號。在這一背景下，“中國智造”是實現中國制造業彎道超車的戰略制高點。

三、半導體產業發展歷史與現狀

（一）尖端科技主導發展

簡單回顧半導體產業發展的歷史，是技術引導產業升級，最終對社會經濟產生翻天覆地變化的歷史。在從1947年貝爾實驗室研制出第一支晶體管，到仙童半導體公司（Fairchild Semiconductor）首次將集成電路投入商用，再到如今英特爾集成處理器縮短制程到8nm的速度印證了摩爾定律的發展歷程中，始終有一條主線，就是重要技術和關鍵知識產權的出現是公司占據市場、產業發展升級的轉折點。

（二）半導體制造業生產組織方式

圖1 泛半導體產業鏈[3]

圖2 半導體產業鏈[4]

上圖是經過浦曉棟[4]簡化后的半導體芯片的生產工藝，依附于這條完整生產流程發展來的半導體產業鏈目前已經成熟，由芯片設計、晶圓制造、封裝測試以及設備供應商和原材料供應商構成。

目前半導體生產商可以橫向分為五大類：

1、IDM(Integrated Device Manufacturing)，以英特爾和三星電子為代表，這一類半導體廠商同時具有芯片設計部門和晶圓廠，可以自主生產自有品牌的產品。

2、Fabless，這一類半導體廠商沒有自己的生產線，稱為無晶圓廠。這一類廠商一般掌握當前最前沿的知識產權，或者有設計所，如之前提到的Nvidia，或者擁有被廣泛應用的架構專利，如ARM。

3、Foundry，稱作晶圓代工廠，專門從事制造，沒有相關尖端技術或者設計能力，但有成規模的生產線（mega-fab）。

4、半導體設備與原材料提供商，提供生產資料，如ASML和DNP。

5、封裝測試公司，這些公司將通過測試的晶圓，按照產品型號及功能需求加工得到獨立的芯片。

四、從制造向“智造”轉型

（一）Fab-Lite生產模式介紹

目前半導體產業生產方式可以歸結為設計端（design house）和生產線（fab）兩側的合作，這一方式從20世紀90年代至今運行了將近三十年，并以臺積電為標志進入了成熟期。而新的組織方式往往在市場需求滿足一定條件的時候出現，隨著代工產業的產能逐漸過剩，專注與生產線的Foundry模式也在失去其意義，于是市場催生Fab-Lite模式的產生。

Fab-Lite，又稱作輕量化晶圓廠模式，將設計所和生產線整合，是介于不組織生產線的Fabless和不具備設計能力的Foundry模式中間的新型半導體廠商運行模式。隨著集成芯片功能逐漸復雜，以及單芯片系統的推廣，生產和設計往往需要同時或者往復完成。因此Lab-Lite模式對參與生產的廠商進行了功能整合，生產線不在僅僅局限于生產下游環節，開始頻繁對設計環節進行反饋和技術要求。

（二）對Fab-Lite生產模式的具體分析

回顧《中國制造2025》[2]戰略白皮書對我國半導體制造業轉型提出的要求，Fab-Lite生產模式可以從以下三個方面分別與其對應。

1、知識產權

“著力提升集成電路設計水平，不斷豐富知識產權（IP）和設計工具，突破關系國家信息與網絡安全及電子整機產業發展的核心通用芯片，提升國產芯片的應用適配能力。”

Fab-Lite模式和現在普遍發展的代工模式最大的區別，在于為廠商配置了相應規模的研發部門，使具有生產能力的廠商同時也具備了芯片的自主設計能力。將會從數量、規模和分布上提升了我國在半導體產業最前端的研發水平。

2、生產組織方式

“培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平。”

設計廠商擁有自己的生產線的最直接的好處在于降低了試錯成本，是從fab側向design house側的正反饋。以往，在從研發到推出一款新的芯片或者感應元件的過程中，由于工業產品對生產線的依賴，設計圖在每次修改除了進行模擬外必須有實物生產。而這些測試平均占據設計成本總體的20%。

如果廠商采用Fab-Lite生產方式，每次修改設計圖都可以用自己的生產線在短時間內產出對應測試芯片，極大地縮減了試錯成本，這樣半導體廠商可以用自己輕體量的生產線不斷進行測試，從而提高設計研發的速度，并且因為高頻的測試而降低了每代產品的次品率。

3、企業價值與整體形象

“形成具有自主知識產權的名牌產品，不斷提升企業品牌價值和中國制造整體形象。”

接近消費者的品牌更容易被大眾熟知，比如在消費級電子產品制造領域，往往，Apple Inc、三星電子、Sony Corporation這樣完全控制了設計側的企業，比生產鏈中游負責制造組裝的企業有更好的整體形象和品牌價值。

五、結語

《中國制造2025》行動綱領中的“中國智造”部分是我國半導體產業轉型的理論框架，而復合的Fab-Lite模式是我國半導體產業實現轉型的具體途徑。

盡管我們距實現李克強總理提出的“力爭到2035年我國制造業躋身到世界制造強國陣營中等水平”目標尚有一段路要走，但是如果我們的半導體企業能在框架內把握好發展的方向，抓住歷史機遇，從豐富知識產權、革新生產方式、提升企業價值與整體形象三個方面前進，我們就能早日達成這一戰略目標。