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晶圆产能紧缺,成就华为的“无厂模式”反成败笔-华为手机

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【TechWeb】2021年2月22日,大概从2020年第三季度时,各大晶圆厂产能紧缺的消息层出不穷,而最近美国得克萨斯州因为暴雪袭击造成了电力短缺,从而导致三星、NXP、英飞凌等厂商的工厂陆续停工。这在加剧产能紧张的同时也大大冲击了众多无厂模式的芯片公司,而像Intel这样的有厂模式公司则受到相关的影响较小。近期Intel新任CEO帕特·盖尔辛格表示:“我们2023年的大部分产品将会在内部制造。”这其实也暗示着Intel很有可能不会走向:“无厂模式”的发展道路。而业界其它很多半导体公司早已走上了无厂模式的发展道路,比如AMD、NVIDIA、华为。那么在这次晶圆厂产能紧缺的冲击后无厂模式还会是半导体行业的未来吗?

什么是无厂模式?

芯片厂商的工作可以大致分成两个部分,芯片的设计和芯片的制造。芯片设计对工作场所要求不太高,而芯片的制造则需要晶圆厂。无厂模式也就是指没有晶圆厂,芯片的制造工作外包给其它厂商。或者用一个更加流行的词来形容,就是OEM(Original Equipment Manufacturer)。

晶圆产能紧缺,成就华为的“无厂模式”反成败笔-华为手机

数据来自AMD官网

以AMD的锐龙 9 5950X 台式处理器为例,芯片的设计部分是由AMD完成的,而芯片的制造则是由像台积电(TSMC)这样的晶圆代工厂进行的。因此AMD就是一家无晶圆厂模式公司。

业界除了无厂模式,还有IP授权模式和IDM模式。

英国ARM公司的IP授权模式主要分为三种:

1、使用层级授权-可使用封装好的ARM芯片,而不能进行任何修改。

2、内核层级授权-可基于购买的ARM内核进行芯片开发.设计,有一定的自主开发权。

3、架构/指令集层级授权-可对ARM架构进行改造,甚至对ARM指令集进行扩展或缩减。

拿学生完成作业举个例子吧,班上有个学习比较差的同学叫小明,他找学霸要作业来抄。学霸的作业写得非常好,所以他原封不动抄了,然后改了个名字交上去了(找晶圆厂流片),这是使用层级授权。但是后来,学霸觉得这样直接抄不太好,所以之后只给小明抄主要的公式,最后的数据以及其它部分需要小明自己完成,这是内核层级授权。最后,学霸觉得授人以鱼不如授人以渔,所以开始教小明好好学习,对于作业只教给小明基本的解题思路,剩下的都要由小明去完成,这是架构/指令集层级授权。由此可见,架构/指令集层级授权开发难度是最大的,但自由度也是最高的。

IDM模式是指涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等各个环节的厂商,简单来说就是自己设计自己制造,一条龙生产。像Intel、三星就是比较典型的IDM厂商。

无厂模式的优势

随着半导体工艺的进步,先进工艺的各种成本越来越高。如果想要组建一个先进的晶圆厂,就需要花费高昂的费用去购买各种先进的半导体生产设备。同时后期设备的维护、折旧,以及新工艺的开发还需要消耗更多的资金。

另一方面就是产能分配了,对于晶圆厂来说,要想获得更高的利润就需要让晶圆厂的设备满负荷运行。而在过去的有厂模式下,自家的芯片订单往往不能占满自家晶圆厂的产能。虽然有些厂商也在出售晶圆和部分晶圆厂产能,但还是不能使晶圆厂的资源得到充分的利用,造成了资源上的浪费。

举个例子,我们打车回家一次的费用是20元,但如果是自己开车回家的话可能就是3块的油钱。无厂模式就像每天打车回家的人,而有厂模式则是自己开车回家的人。如果要自己开车回家的话,首先就需要花几万甚至十几万买一辆车,同时维护车辆还需要一定的费用支出。这就像组建一个晶圆厂需要高昂的费用一样。

那么这种情况买不买车呢?回家的次数就很重要了,如果经常回家肯定是买车合算,因为自己开车的单次成本会比较低。但如果回家次数少呢,那肯定打车合适。

晶圆产能紧缺,成就华为的“无厂模式”反成败笔-华为手机

其中x轴为坐车次数,y为费用,红线为买车方案,绿线为打车方案

粗略计算一下吧,假设上下班打车一次花20元,买车需要8万元,开车回家则是3元油钱,一年工作日为251天(以2020年为例),一天往返两次。那么你如果选择买车并且只是用来上下班的话至少需要9年才能比打车更省钱。因此在半导体行业“造不如买,买不如租”的策略非常盛行。

另外对于大多数厂商来说产能肯定是用不完的,把部分产能卖出去也是一种止损的方式,就像买了汽车之后回家路上接顺风车的生意。

所以这就造成了很多厂商走向了无厂模式,对于新厂商来说,他们可能真掏不起买车的成本,无厂模式显然能够降低创业的资金门槛。而对于一些老牌厂商来说,自己的晶圆厂产能利用率低,而且更新换代成本也很高,那么逐渐放弃晶圆厂走向无厂模式也是个不错的主意。因为这些原因,无厂模式逐渐变为了业界的主旋律。

IDM模式(有厂模式)

虽然无厂模式逐渐变为了业界的主旋律,但有厂模式也绝非一无是处。

首先随着半导体工艺的进步,先进工艺的代工费用越来越高。如果芯片制造外包给晶圆厂,那这就是费用。但如果这部分由自己制造,那就是利润。

三星就是比较典型的例子,在2020年晶圆代工厂营收排名中三星排名第二,仅次于排名第一的台积电。三星的晶圆厂不光能给自己造芯片,同时也为其它芯片设计公司提供代工服务,比如英伟达的RTX 30系显卡核心芯片就是由三星制造的。

比起有厂模式,无厂模式还有一个弊病,那就是芯片制造外包给晶圆厂时,需要等待排期。每个晶圆厂的产能是有限的,因此其它厂商来找晶圆厂造芯片是需要排队的,因此就给最终产品上市以及供货带来不可控因素。典型的问题就是产品缺货,比如像去年的英伟达显卡缺货。对于这种问题,像自有晶圆厂的Intel应对起来就会自如很多。

晶圆产能紧缺,成就华为的“无厂模式”反成败笔-华为手机

芯谋研究的顾文军就在微博上发文表示,“一个设计公司的老总为了拿到产能竟然给代工厂的高管下跪!”

有厂模式的另一个优点就是可以独占先进工艺。对于芯片产品来说,设计和制造,二者得一可得天下。对于无厂模式来说,大家都只能选择代工晶圆厂,因此在芯片制造方面都处于同一水平线上,所以只能通过设计来提升产品竞争力。但有厂模式就不同了,因为自有晶圆厂,所以可以采用和其它代工厂不同的工艺。当自家晶圆厂工艺水平超过代工晶圆厂时,自家的产品必然从中获益。

但这其实也是一把双刃剑,自有晶圆厂的技术需要在业界保持领先才能获得这样的优势,如果技术被其它代工厂超过,则会成为自家产品的劣势。同时因为技术标准不同,短时间内还不可能将自家产品转移到其它代工厂进行生产。简而言之就是有厂模式需要承担半导体工艺开发失败的风险,而无厂模式则不需要承担此风险。

未来之路

如果要对比无厂模式和有厂模式,大家很容易想到Intel和AMD。但是在这场对比中也许应该加入一家公司,那就是华为华为海思长期采用的就是无厂模式,其芯片主要由台积电制造。之前的华为吃到了无厂模式的甜头,无厂模式降低了进入半导体行业的资金门槛,也给华为省下了建晶圆厂和开发先进工艺的钱。

但在美国一纸禁令之后,就被芯片制造卡了脖子。那么对于此时的华为来说,无厂模式已经不香了。

Xilinx(赛灵思)作为无厂化的早期推行者,当时计划“在年收入达到5000万美元时自建晶圆厂,并确保总有第二供应商待命。”但是随着工艺的不断进步,不少晶圆厂发展的速度开始变慢甚至停滞,对于华为来说已经很难找到第二供应商了。

无厂模式如果从供应链的角度看,其在风险控制方面具有先天缺陷。芯片制造押宝在其它公司始终是有风险的,即使遇不到像华为这样的断供情况,就地涨价和延期交付也会造成不小的麻烦。

对于芯片制造行业,一定要把高端芯片制造同普通芯片制造划分清楚,这个观点其实很多人比较模糊。高端芯片制造行业是块蛋糕,因为技术资金的门槛问题,这不是所有人都能吃到的蛋糕。而普通芯片制造是块馒头,直至今日成熟工艺的市场份额占比依旧很高,脚踏实地吃这块馒头是饿不死的。我们真正该注意的是一些拿着造馒头的机器但却想吃蛋糕的人。

对于未来,可能会涌现出极少数从事高端芯片制造的企业,但大多数还是只能从事普通芯片制造。即使有些芯片设计厂商想要染指芯片制造行业,也很可能在相当长的时间里只能制造普通芯片而非高端芯片。


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