我們知道，臺(tái)積電最新的超大晶圓廠(GIGAFAB)，每個(gè)月可生產(chǎn)超過(guò)10萬(wàn)片12寸晶圓，而每座晶圓廠造價(jià)高達(dá)3千億新臺(tái)幣(約合610億人民幣)。但今年4月1日，日本推出的“迷你晶圓廠”(Minimal Fab)，瞄準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代小量、多樣的感測(cè)器需求，起價(jià)卻只要5億日元(0.3億元人民幣)?！度战?jīng)商業(yè)周刊》稱(chēng)之為：“顛覆全球半導(dǎo)體業(yè)界的制造系統(tǒng)”。

這個(gè)由經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省主導(dǎo)，由140家日本企業(yè)、團(tuán)體聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新世代制造系統(tǒng)，目標(biāo)是透過(guò)成本與技術(shù)門(mén)檻的大幅降低，讓汽車(chē)與家電廠商能自己生產(chǎn)所需的半導(dǎo)體及感應(yīng)器。形同推翻臺(tái)積電董事長(zhǎng)張忠謀30年前所創(chuàng)的晶圓代工模式，重回早年飛利浦、Sony等大廠都自己生產(chǎn)半導(dǎo)體的垂直整合時(shí)代。

販賣(mài)這種生產(chǎn)系統(tǒng)的，是日本橫河電機(jī)集團(tuán)旗下的橫河解決方案。每臺(tái)外型流線、美觀的制造機(jī)臺(tái)，大小約與飲料自動(dòng)販賣(mài)機(jī)差不多，但各自具備洗凈、加熱、曝光等功能。每一臺(tái)機(jī)器，都相當(dāng)于一條半導(dǎo)體制造的生產(chǎn)線。一條“迷你晶圓廠”產(chǎn)線，所需的最小面積是大約是兩個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)的大小。也僅是一座12寸晶圓廠的百分之一面積。

“迷你晶圓廠”能夠做到如此廉價(jià)、體積小，首先是挑戰(zhàn)業(yè)界常識(shí)的創(chuàng)新做法──不需要無(wú)塵室。

半導(dǎo)體芯片上如果沾有超過(guò)0.1微米的灰塵就算是不良品，為此，制造室內(nèi)一定要保持超高潔凈度。維持無(wú)塵室需要大量的電力，因此不只投資金額很高、維持費(fèi)用也相當(dāng)驚人。所以半導(dǎo)體不大量生產(chǎn)的話，很難獲利。

產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所的原史朗挑戰(zhàn)了這項(xiàng)業(yè)界的常識(shí)。“半導(dǎo)體工廠真的需要無(wú)塵室嗎?明明需要隔絕灰塵的只有晶圓而已?！北С种@項(xiàng)疑問(wèn)，原史朗從 1990 年代開(kāi)始構(gòu)想“迷你晶圓廠”。

幾年后，原史朗終于開(kāi)發(fā)出局部無(wú)塵化的關(guān)鍵技術(shù)，并將此成果制出特殊運(yùn)輸系統(tǒng)“Minimal Shuttle”。利用電磁鐵控制開(kāi)關(guān)，幾乎不會(huì)有灰塵進(jìn)入。

“迷你晶圓廠”的另一個(gè)特點(diǎn)，是不需要用到光罩，這又可大幅降低成本。Minimal Fab的概念，就是那樣的時(shí)代十分需要的多種少量生產(chǎn)系統(tǒng)。要處理的晶圓大約直徑0.5英寸，比1日元硬幣還要小。因?yàn)榫A很小，所以生產(chǎn)設(shè)備也要跟著變小。

芯片從晶圓上切割下來(lái)，大約1平方公分大小?！懊阅憔A廠”的年產(chǎn)量大約是50萬(wàn)個(gè)，一般的12寸晶圓廠則是兩億個(gè)。如果只生產(chǎn)1萬(wàn)個(gè)，市面上每一芯片要收1萬(wàn)日元，但“迷你晶圓廠”只要收1，200日元。

這項(xiàng)“迷你晶圓廠”的研發(fā)計(jì)劃，源自2010年。從2012年開(kāi)始的3年內(nèi)，獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的預(yù)算，計(jì)劃也隨之通過(guò)。現(xiàn)在包含許多制造大廠在內(nèi)，共140間企業(yè)團(tuán)體參與。雖然是由橫河解決方案在銷(xiāo)售，可是參與開(kāi)發(fā)制造的日本中小企業(yè)大約有30間，這也是該設(shè)備的一大特色之一。

目前“迷你晶圓廠”的半導(dǎo)體前段制程所需的設(shè)備，已經(jīng)大致研發(fā)完畢，開(kāi)始正式銷(xiāo)售。預(yù)計(jì)2018年以前，切割芯片功能與封裝等的后段制程設(shè)備也會(huì)開(kāi)發(fā)完成。

目前芯片產(chǎn)業(yè)的格局

“迷你晶圓廠”的出現(xiàn)，將會(huì)對(duì)現(xiàn)有的芯片產(chǎn)業(yè)提出了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的芯片產(chǎn)業(yè)，設(shè)計(jì)與制造兩個(gè)環(huán)節(jié)基本分開(kāi)，當(dāng)然也有少量的集設(shè)計(jì)、制造于一體的垂直整合模式的芯片企業(yè)。

一、芯片設(shè)計(jì)—晶圓代工模式

由于半導(dǎo)體器件制造耗資極高，將集成電路產(chǎn)業(yè)的設(shè)計(jì)和制造兩大部分分開(kāi)，使得無(wú)廠半導(dǎo)體公司可以將精力和成本集中在市場(chǎng)研究和電路設(shè)計(jì)上。而專(zhuān)門(mén)從事晶圓代工的公司則可以同時(shí)為多家無(wú)廠半導(dǎo)體公司提供服務(wù)，盡可能提高其生產(chǎn)線的利用率，并將資本與營(yíng)運(yùn)投注在昂貴的晶圓廠?！盁o(wú)廠半導(dǎo)體公司-晶圓代工模式”的概念最初是由Xilinx的伯尼·馮德施密特(Bernie V. Vonderschmitt)和C&T的戈登·A.坎貝爾(Gordon A.Campbell)所提出。

二、垂直整合模式

與“無(wú)廠半導(dǎo)體公司-芯片外包代工模式”相對(duì)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)制造模式為“垂直整合模式”(英語(yǔ)：IDM， Integrated Design and Manufacture)，即一個(gè)公司包辦從設(shè)計(jì)、制造到銷(xiāo)售的全部流程，需要雄厚的運(yùn)營(yíng)資本才能支撐此營(yíng)運(yùn)模式，如英特爾、三星等。

兩種模式各有優(yōu)勢(shì)

對(duì)比來(lái)說(shuō)，芯片產(chǎn)業(yè)的兩種模式各有優(yōu)劣，具體選擇以哪種商業(yè)模式主要看市場(chǎng)的需求，而對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)，最優(yōu)的選擇當(dāng)然是能為自己帶來(lái)最大效益的模式。

芯片設(shè)計(jì)—晶圓代工模式

這種模式的好處很明顯了，負(fù)擔(dān)很輕，自己只管設(shè)計(jì)就行了，不用耗費(fèi)巨資去興建晶圓廠、開(kāi)發(fā)新工藝，但壞處同樣很突出：你設(shè)計(jì)出來(lái)了，能否造出來(lái)、即便造出來(lái)又是個(gè)什么樣子你就無(wú)法做主了，得看代工伙伴的能耐。這方面的教訓(xùn)當(dāng)然很多：前些年臺(tái)積電40/28nm兩代工藝最初都很不成熟，產(chǎn)能也是遲遲上不來(lái)，讓整個(gè)行業(yè)為之拖累。

再比如說(shuō)之前GlobalFoundries 32nm工藝沒(méi)有達(dá)到AMD的預(yù)期水平，第一代FX/APU處理器的頻率和電壓就跟設(shè)計(jì)得差很多，而當(dāng)時(shí)的28nm工藝也比預(yù)想中的遲，迫使AMD一度放棄了整整一代的低功耗APU，不得不重新設(shè)計(jì)再去找臺(tái)積電。

垂直整合模式

目前芯片產(chǎn)業(yè)選擇用垂直整個(gè)模式的企業(yè)最具代表的就是英特爾與三星兩家。這種模式的好處就是可以使公司的業(yè)務(wù)涉及到整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)，這能給公司帶來(lái)大量的資產(chǎn)與營(yíng)收，目前英特爾與三星的營(yíng)業(yè)收入牢牢地占據(jù)著整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的前兩位就很好的說(shuō)明了這一點(diǎn)，此外，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的芯片由自己來(lái)生產(chǎn)監(jiān)督，可以更好的保障芯片的質(zhì)量，而且，相比于采用代工生產(chǎn)的芯片可以有更多的降價(jià)空間，以保證競(jìng)爭(zhēng)力。

但是，垂直整個(gè)模式對(duì)于企業(yè)的技術(shù)與投入要求相當(dāng)大，因?yàn)榫г圃鞆S的成本投入很高，需要的生產(chǎn)管理人員也很多，這些都極大的增加了企業(yè)的成本，所以，即使像英特爾這樣的行業(yè)壟斷型企業(yè)其最終的利潤(rùn)率也就維持在20%左右，遠(yuǎn)低于臺(tái)積電、高通30%~40%的凈利率。

為什么說(shuō)日本“迷你”晶圓廠能改變芯片的產(chǎn)業(yè)格局

日本此項(xiàng)“迷你”晶圓廠技術(shù)的出現(xiàn)，或許會(huì)逐漸改變整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。目前，芯片產(chǎn)業(yè)的兩種模式雖然并存，但總的來(lái)說(shuō)也是相安無(wú)事，但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及市場(chǎng)環(huán)境的改變，將會(huì)形成新的產(chǎn)業(yè)格局。

芯片生產(chǎn)工藝的物理極限

對(duì)比晶圓制造廠家的技術(shù)水平一個(gè)很重要的指標(biāo)就是XX納米的工藝。因?yàn)閷⒕w管做的越小，芯片的集成度就越高，相應(yīng)的性能也就越高。目前，臺(tái)積電、聯(lián)電、三星等等廠家的制造工業(yè)均已達(dá)到14nm級(jí)別了，而10nm甚至7nm的制造工藝也在規(guī)劃中。但是，從物理結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，芯片的制造工藝也越來(lái)越接近極限，工藝的提升空間也會(huì)越來(lái)越小。以制造工藝保持競(jìng)爭(zhēng)力的晶圓代工廠商未來(lái)的路便會(huì)顯得越來(lái)越窄。

市場(chǎng)格局方面

目前，整個(gè)市場(chǎng)也在逐漸的改變，最主要的是從集中變?yōu)榉稚ⅲ驗(yàn)?，從需求上?lái)說(shuō)，人們對(duì)于電子產(chǎn)品的個(gè)性化需求越來(lái)越強(qiáng)，這便要求作為電子產(chǎn)品的核心元件——芯片無(wú)論是種類(lèi)還是性能都要有多樣性。這種分散式的需求，或許會(huì)催生更多的芯片廠家去進(jìn)行芯片的設(shè)計(jì)與制造，而不僅僅是由一些大型的晶元代工企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)。

“迷你晶圓廠”技術(shù)的出現(xiàn)，能夠極大的降低芯片制造的成本，這為眾多的電子廠商提供了芯片制造的便利。

其實(shí)芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的門(mén)檻并沒(méi)有想象中的高，在大家的印象中，中國(guó)的芯片產(chǎn)業(yè)一直是一個(gè)傷痛，其實(shí)，近些年，國(guó)內(nèi)芯片的設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的很快，芯片設(shè)計(jì)公司數(shù)量逐年增加，公司的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的銷(xiāo)售額逐年增加，加上華為、聯(lián)想、小米這些公司已經(jīng)具備了一定的芯片設(shè)計(jì)能力，與世界領(lǐng)先水平的差距不算太大。

那么芯片制造呢?中國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)成為了全球最大的芯片消費(fèi)市場(chǎng)，而我國(guó)每年在進(jìn)口芯片上和進(jìn)口石油上花的錢(qián)一樣多(2000億人民幣左右)，中國(guó)本土的芯片制造商在技術(shù)和產(chǎn)能上都落后太多。

想想，“迷你晶圓廠”能夠普及，或許中芯、臺(tái)積電等代工廠的好日子將會(huì)到頭了。