IC設計產業 洪士灝 台大資工系 2005.11

Outline IC設計產業歷史背景 IC設計與製造流程 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設計產業歷史背景 電子元件技術 Moore’s Law 數位化資訊時代 台灣在半導體產業的發展 Tube -> Transistor -> Integrated Circuit Moore’s Law MSI -> LSI -> VLSI ->… 數位化資訊時代 IC被廣泛地應用於電腦、通訊、消費性電子、工業電子等諸多用途 台灣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-Chip or SoC）

電子元件技術 Milestones Braun invents the solid-state rectifier. DeForest invents triode vacuum tube. 1907-1927 First radio circuits de-veloped from diodes and triodes. 1925 Lilienfeld field-effect device patent filed. Bardeen and Brattain at Bell Laboratories invent bipolar transistors. Commercial bipolar transistor production at Texas Instruments. Bardeen, Brattain, and Shockley receive Nobel prize. Integrated circuit developed by Kilby and Noyce First commercial IC from Fairchild Semiconductor IEEE formed from merger or IRE and AIEE First commercial IC opamp One transistor DRAM cell invented by Dennard at IBM. 4004 Intel microprocessor introduced. First commercial 1-kilobit memory. 1974 8080 microprocessor introduced. Megabit memory chip introduced. 2000 Alferov, Kilby, and Kromer share Nobel prize

Moore’s Law ?

Device Feature Size Feature size reductions enabled by process innovations. Smaller features lead to more transistors per unit area and therefore higher density.

5 Commandments IEEE Spectrum December 2003, pp. 31-35. Moore’s Law : The number of transistors on a chip doubles annually (modified to 18-24 mo. later) Rock’s Law : The cost of semiconductor tools doubles every four years Machrone’s Law: The PC you want to buy will always be $5000 ($500-1000 now) Metcalfe’s Law : A network’s value grows proportionately to the number of its users squared Wirth’s Law : Software is slowing faster than hardware is accelerating

類比與數位 Analog and Digital Signals Analog signals are continuous in time and voltage or current. (Charge can also be used as a signal conveyor.) After digitization, the continuous analog signal becomes a set of discrete values, typically separated by fixed time intervals.

數位化資訊時代 數位化資訊 … why? 數位不一定好 Perfect reproduction Better for Communication and Storage Digital processing is easier to program Digital IC’s are easier to design and manufacture Digital information/media is everywhere … 數位不一定好 Quantization errors Sampling rate Quality of AD/DA conversion circuits Errors may result in worse results

Exhibit 1: IC設計業佔半導體產業營收比率與 台灣IC設計業全球佔有率

IC設計與製造流程 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 記憶體IC（Memory Integrated Circuit） 邏輯IC（Logic Integrated Circuit） 微元件IC（Micro Component Integrated Circuit） 類比IC（Analog Integrated Circuit）

記憶體IC Memory Integrated Circuit 依據儲存資料後是否需要不斷供電，可分為 揮發性（Volatile） 動態隨機記憶體（Dynamic Random Access Memory or DRAM）: 個人電腦 靜態隨機記憶體（Static Random Access Memory or SRAM）: 手機 非揮發性（Non-Volatile） 唯讀記憶體（Ready Only Memory or ROM） 快閃記憶體（Flash）: 目前成長最快的記憶體領域，多使用在相機, 手機, 記憶卡, 隨身碟等。

邏輯IC Logic Integrated Circuit 標準邏輯（Standard Logic）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（Application Specific Integrated Circuit or ASIC） 可以完全由IC設計公司自行設計，或兼採部分標準元件。 ASIC客製化的程度可以分為三大類： 全客戶設計（Full Customer Design, FCD）； 彈性最大但是也最耗時間 閘門陣列設計（Gate Array based Design, GAD），即使用事先設計好的電路資料庫進行設計； 可程式化元件設計（Programmable Device based Design, PDD），即透過已經設計好但功能可以程式化的元件來進行設計。 彈性最小但開發時間最快。

微元件IC Micro Component Integrated Circuit 微處理器單元（Micro Processor Unit, 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）可以透過軟體程式，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: 複雜指令集運算（Complex Instruction Set Computing or CISC） 精簡指令集運算（Reduced Instruction Set Computing or RISC） 兩種架構各有其優缺點，如廣為PC採用的Intel的x86 微處理器，即是採取CISC架構，而廣為使用在行動電話內的ARM微處理器則採用RISC架構。 微控制器單元（Micro Controller Unit, MCU）: 整合MPU、較小容量記憶體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系列即是廣受採用的MCU晶片。 微處理週邊（Micro Peripheral, MPR） 由多種IC構成、用來處理週邊設備的組合式晶片，如：圖形控制晶片組、通訊控制晶片組、儲存控制晶片組與其他控制晶片組（如：鍵盤控制、語音輸出入）等。 數位訊號處理器（Digital Signal Processor, DSP）。 用來處理需要複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 Analog Integrated Circuit 線性IC（Linear Integrated Circuit） 主要用來處理電源管理（power management）、放大器（Amplifier）、與轉換器（Converter, 如數位訊號轉類比訊號Digital to Analog與類比訊號轉數位訊號Analog to Digital）等功能。 混合模式IC（Mixed Mode Integrated Circuit）。 係指混合線性和數位的晶片組（chipset），多用於視聽產品。

IC產品分類圖

IC設計流程 規格制定（Specification） 行為描述（Behavior） RTL（Register Transfer Level）設計 邏輯（Logic）設計 電路（Circuit）設計 佈局（Layout）

IC設計軟體工具 IC設計業的自動化程度很高，設計的過程需要透過軟體來進行 硬體描述語言Hardware Description Language (HDL) Verilog and VHDL: RTL level Layout Tools Validation & Simulation SPICE

Exhibit 2: 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） 整合元件製造商（Integrated Device Manufacturer or IDM） ‘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（Electronic Design Automation）公司提供的電腦模擬軟體工具 IDM無生產意願、量小、且專用的晶片 特殊應用標準產品（Application-Specific Standard Product or ASSP） 特殊應用IC（Application-Specific Integrated Circuit or ASIC） 專業晶圓代工廠（Foundry） 閘門陣列（Gate Array） 系統單晶片（System-on-Chip or SoC） 將原來不同功能的多顆晶片，整合成單一顆的系統晶片。

Exhibit 3： 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 製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 的產值佔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。 矽智財（Silicon Intellectual Property, SIP） 設計能力的提升明顯地跟不上製程技術提昇的腳步。 經過設計、驗證且可重複使用（reuse）的功能區塊 矽智財供應商（SIP Provider）和IC設計服務業者（IC Design Service Provider）。 如台積電的創意、與聯電集團的智原

IC設計業與上游供應商(1) 光罩廠商 晶圓代工廠 封裝與測試廠商 一顆IC的光罩成本在台幣數百萬到數千萬之間 美國的杜邦（Du Pont）、Photronics、與日本的凸版印刷（Toppan）、大日本印刷（Dai Nippon Printing，DNP）、國內的台灣光罩與翔準先進 晶圓代工廠 全球前兩大晶圓代工廠（台積電與聯電）近80%的佔有率 新競爭者（如中國大陸的中芯與宏力半導體等）加入市場，低階製程價格開始產生鬆動 IDM大廠（如IBM與TI）也以其剩餘產能加入晶圓代工的戰局，使得高階製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 多晶片封裝（Multiple Chip Package，MCP）, SiP（System-in-Package） 主要的封裝廠商包括：台灣的日月光、矽品、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、矽品、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（Electronic Design Automation, EDA）工具供應商 三大供應商依序為Synopsys、Cadence Design Systems、與Mentor Graphics，三者合計佔有七成以上的市佔率。 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、製程、與提高良率的服務，代為搜尋、提供及整合各類SIP的平台服務 台積電的創意與聯電的智原 矽智財(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、LCD Driver等 讓IC設計公司更專注於專長的特殊電路、軟體開發與晶片整合上 英國的ARM為全球最大的SIP供應商 vs美國的MIPS

Exhibit 4： 全球晶圓代工廠排名

Exhibit 5： SoC與Sip比較例示

Exhibit 6： 全球EDA與IP業者的排名

IC設計與下游價值鏈 應用範圍 通訊用途產品（Communications） 計算用途產品（Computing） 如行動電話、ADSL、無線區域網路等 計算用途產品（Computing） 如個人電腦、PDA、筆記型電腦等 消費電子用途產品（Consumer Electronics） 如MP3、數位相機、電子錶、車用電子系統等 工業電子用途產品（Industrial Electronics） 如工業用控制器、工業電腦等 軍事電子用途產品（Military Electronics） 如雷達、戰鬥機的控制系統等

IC設計之需求面 系統客戶 銷售通路 終端產品供應商 製造代工廠 代理商銷售 自行銷售 OEM （Original Equipment Manufacturer）轉到ODM（Original Design Manufacturer）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，生命週期越見縮短，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品質設立研發中心

IC設計產業特性 產業結構中度集中 毛利率業者差異大 代工廠關係為獲利關鍵 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年的佔有率計算，產業集中度約為43.8%，而前十名的集中度則為66.45%，屬於中等集中度的產業 Exhibit 7 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 Exhibit 8

Exhibit 7： 全球前10大IC設計業者獲利能力與主要產品

Exhibit 8：1999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 變動成本 毛利率 研發費用 人事成本 代工的製造費用 30%~50% 封裝與測試費用 20~40% 國內主要IC設計廠商的研發費用約佔整體營業收入的比重約在9~15%左右 人事成本 變動成本 代工的製造費用 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% 而廝殺激烈的繪圖晶片組市場nVidia與ATi兩家公司的毛利約在30~35%左右

晶圓代工廠的關係 無晶圓廠IC設計業競爭力的關鍵決策 晶圓代工產業 晶圓製造代工的成本 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製造夥伴 ？ 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（multiple sourcing）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 創新型或防禦型的專利（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

Exhibit 9： 全球電子產品產值

IC產品應用領域(1) 電腦相關產品 電腦相關產品（Computer） 中央處理器（CPU） IDM的天下 ，因為運算速度快，晶片複雜度高，IC製程也非常特別 Intel, AMD, IBM: 自設晶圓工廠 Sun 為無晶圓廠（Fabless） 一般晶片組（Chipset） Intel,台灣的矽統（SiS）: IDM 台灣的威盛（VIA）與揚智（ALi）為無晶圓廠 繪圖晶片組（Graphics Chipset） PC: 美國nVidia與ATi兩大公司對壘 遊戲機市場看好 其他週邊設備的控制晶片 電腦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 寬頻上網: xDSL、Cable Modem、區域網路卡 無線區域網路（Wireless Local Area Network, WLAN）: WiFi, Bluetooth 行動電話: GSM, CDMA, 3G 光纖網路 Home Gateway, 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、台灣的聯發科等公司 Qualcomm: CDMA, 3G xDSL: 標案形式成交，以致於價格廝殺激烈，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、無線區域網路、 VoIP

HTC Universal a.k.a. Dopod 900

IC產品應用領域(3) 消費性產品（Consumer） 消費性電子產品包括光碟機（DVD）、MP3、數位相機（Digital Still Camera, 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、產品生命週期短、功能提升快速 迅速取得成本優勢是競爭關鍵 台灣的聯發科技自1998年成立後，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佔有率；其後透過技術層次的提升，由原本技術後進者變成技術領導者，最後成為全球PC與筆記型電腦用光碟機晶片組的領導廠商 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） 跨電腦相關產品、通訊產品、消費性產品的終端系統所使用 記憶體產品 Flash記憶卡 SanDisk由於隨身碟、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 DRAM IDM掌控製程技術與產能 大宗商品，價格波動劇烈

IC產品應用領域(5) 可程式閘陣列（FPGA） Field Programmable Gate Arrays IC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），驗證過自行程式化的元件後，就可使用在終端產品上。 由於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 (分別佔據2003年IC設計業的第五與第八的名次 )

台灣IC設計產業： 現況 (1) 截至2003年，台灣約有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台幣1,500萬元，平均毛利率約為37%，淨利率約為20% (Exhibit 10) 多集中於電腦與消費性電子產品 破壞式的創新（disruptive innovation）:低成本與地利之便 ，取代國外IC供應商，並與電子製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

台灣IC設計產業： 現況 (2) 半導體產業既是是矽島計畫中「兩兆双星」的重點產業，系統單晶片（SoC）也列為九項國家型科技計畫之一，又稱為「矽導SoC計畫」 台灣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、乃至於關鍵資源條件的發展，皆挑戰著台灣廠商必須以前瞻策略的眼光，思考如何持續創新、永續成長。

Exhibit 10： 台灣IC設計業重要指標

Exhibit 11：2003年台灣前20大IC設計業排名與主要產品

Exhibit 12： 台灣IC產業關聯圖

台灣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，轉採薄利多銷的策略，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台灣、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

台灣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，由於在2000~2003年間台灣WLAN網卡與基地台的代工市場呈現爆發性成長，台灣既有的IC設計公司，不論原來生產消費性、通訊或電腦週邊IC，加上數十家新設的IC設計公司，皆投入當時主流的802.11 b基頻晶片（Baseband）規格，企圖爭取原本由美國Intersil公司所壟斷的的市場。但後來Broadcom、Agere、TI等通訊大廠加入市場以後，主導新一代的WLAN規格802.11g，使得台灣廠商受傷慘重。 未來的潛力產品與網路通訊技術勢必整合，缺乏網路通訊技術的系統產品與IC設計廠商將很難在下一場競局中立足。 專利權的掌握也是未來台灣IC設計業發展的一大隱憂 Xilinx與Qualcomm等IC設計大廠所公告的專利數目，即超過台灣所有IC設計公司的專利總和。 常常成為美日等大廠專利訴訟的對象

Exhibit 13：近年來台灣IC設計業者與國外業者的專利侵權爭議

台灣IC設計產業：挑戰 (3) 研發與工程人才缺乏 國內每年相關科系畢業的人數仍不敷產業所需 目前從業工程師約有30萬人，每年需求增加3萬人，其中電子資訊需求人數佔80％，約為2萬4千人，但每年畢業人數僅有8千人，不足近1萬6千人。 人才招攬的觸角延伸至大陸各地 研發與工程人才跳槽與挖角風氣盛行 公司往往會面臨技術斷層 IC設計業者不太願意培養新人 In need of senior engineers

台灣IC設計產業：挑戰 (4) 技術聚合與競合策略 SoC的技術趨勢與數位聚合的發展 而同業競爭的加劇將導致產品生命週期更為縮短，進一步壓縮IC設計業的獲利空間 如何快速取得其他互補的關鍵技術 自行開發 水平購併（horizontal integration 策略聯盟 選購矽智財 採用更高階的製程使單顆晶片的成本下降 跨國購併，國際化的管理、調解跨國文化衝突、留住關鍵的人才 Software is also critical!

Exhibit 14：近年來與台灣IC設計業者相關的購併案

台灣IC設計產業：挑戰 (5) 經營模式與競爭動態 SIP供應商的與IC設計服務業者的出現，使得IC設計走向模組化、零件化的設計模式，配合EDA工具的效能提升，新競爭者得以以標準IP組裝方式，快速搶佔市場，市場進入障礙因而降低。 IC設計業者如何掌握關鍵的自有的IP，或是提高客製化的價值，顯然是當務之急。 晶圓代工廠的競爭也逐漸進入白熱化，使得IC設計公司有多源供應環境，可以提高價格競爭能力 晶圓代工廠、IC設計、設計服務、SIP供應商、與系統業者間，如何構成有效率的虛擬IDM，以維持國際競爭力與長期成長動力，應該是SoC趨勢下IC設計業者的重要策略課題。 韓國半導體大廠（如三星與LG）的垂直整合模式，有其一定的全球競爭優勢，逐漸形成對台灣IC產業的競爭壓力 究竟專業分工與垂直整合兩種模式，哪種有利於半導體產業未來的發展？