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半导体产业历史的“变”与“不变”

www.91jinshu.com   2019-09-10  来源:今日半导体  编辑部
摘要 在整个行业历史中,单位面积的半导体收入一直保持不变。图1显示了过去二十五年每单位面积数据的收入。对于为什么这种经验观察应该近似正确,有许多可能的解释。其中一个解释是,半导体收入和半导体制造设备成本,材料,化学品甚至EDA软件成本都遵循基于历史累积生产的晶
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在整个行业历史中,单位面积的半导体收入一直保持不变。图1显示了过去二十五年每单位面积数据的收入。对于为什么这种经验观察应该近似正确,有许多可能的解释。其中一个解释是,半导体收入和半导体制造设备成本,材料,化学品甚至EDA软件成本都遵循基于历史累积生产的晶体管数量的学习曲线。

 

图1.硅或的单位面积收入一直是半导体行业的长期常数

 

半导体收入遵循学习曲线,该学习曲线与半导体设计和生产的所有输入成本的学习曲线平行,并且在每个晶体管的基础上每年减少超过30%(图2至图6)。因此,每个晶体管的成本和处理固定硅区域的成本以恒定速率降低,具有相同的斜率,这也是与每个晶体管的收益相同的降低斜率。

 

图2提供了另一个观察结果,即电子设计自动化(EDA)软件的大多数客户都感到惊讶。大多数EDA客户都认为EDA行业对其软件收费过高,并且不会感受到降低其客户(芯片供应商)所感受到的成本的压力。EDA软件的学习曲线驳斥了这一点。半导体工业销售的晶体管数量是每年公布的数量。半导体行业和EDA行业的总收入也是如此。当EDA总可用市场(TAM)除以产生的晶体管数量时,我们获得每个晶体管的EDA软件成本。这表明EDA行业正以与半导体行业相同的速度降低其产品成本。

 

图2.晶体管和EDA软件的学习曲线

 

图3.前端制造设备的学习曲线

 

图4.光刻和光掩模制造设备的学习曲线

 

图5.半导体封装设备的学习曲线

 

图6.半导体自动测试设备的学习曲线

 

如果EDA行业没有将其学习曲线与半导体行业学习曲线保持平行,那么EDA软件占半导体收入的百分比将会增加,并且半导体供应链中的其他地方必须降低成本以抵消它。实际上,EDA软件成本约占全球半导体收入的2%(图7),并且这个百分比在过去的二十五年中一直相对稳定。而全球半导体研究和开发的固定百分比(图8),三十多年来相对恒定为14%。

 

图7. EDA收入占半导体收入的百分比

 

图8.半导体研究与开发占半导体行业收入的百分比

 

在1990年夏威夷VLSI技术研讨会上,Gordon Moore强调了可能被称为摩尔第二定律的内容,尽管它从未流行(有充分理由)。Gordon绘制了半导体元件在其使用寿命期间的平均销售价格(ASP),尤其是存储器元件。他的结论是,以较高价格开始的半导体元件最终将花费1.00美元。图13显示了自1984年以来的数据。虽然目前的趋势和遥远的历史表明戈登可能是正确的,我们一直在向1.00美元的渐近线缓慢下降。但似乎永远不会达到1.00美元的价格点,因为市场上总会有更新的组件。

 

图9.半导体元件的平均售价(ASP)

 

另一个有趣的统计数据是每个工程师每年生产的晶体管数量(图10)。这是对设计生产率的准测量,反映了每个芯片的晶体管数量不断增加以及每年销售的芯片数量不断增加。通过这一措施,自1985年以来,生产率提高了五个数量级。

 

图10.每个电子工程师生产的晶体管

 

附:什么是学习曲线

 

 

学习曲线是每单位成本与制造累积单位的对数/对数图。在摩尔定律之前,学习曲线为半导体行业提供了指路明灯。德州仪器将其用于战略优势,并与波士顿咨询集团分享其数据,波士顿咨询集团出版了一本名为“观察经验”的书1。在和硅分立晶体管的时代,像TI这样的公司可以使用学习曲线,例如,根据生产的前1000个单位的每单位实际成本,预测生产100,000个单位后的单位成本。然后,他们可能会对特定的晶体管产品进行初步定价以获得领先的市场份额,从而在未来的单位销售量达到未来时实现更高的盈利能力和市场影响力。TI没有创建学习曲线技术。它发展于1885年2甚至在发明晶体管之前,它已被用于航空等行业,以预测当达到一定的累积单位体积时每架飞机的未来成本。TI针对半导体的独特方法在于利用学习曲线来驱动半导体。

 

学习曲线在半导体行业中非常有价值的原因在于它是在相对自由的全球市场中运营了60多年的为数不多的几个行业之一,半导体学习曲线的一大优点是,只要生产晶体管或等效开关,它们就适用。虽然摩尔定律很快就会过时,但学习曲线永远不会过时。然而,将会发生的是,所产生的晶体管的累积数量将在对数刻度上如此快速地向右移动。然后价格不会像过去那样迅速下降。改善学习的明显效果将会减弱。在某些时候,货币通胀将大于制造成本的降低,晶体管单位价格实际上可能会以绝对美元随时间增加,即使它们以固定汇率递减。与此同时,学习曲线是预测未来的有用指南。

 

当满足两个条件时,学习曲线和摩尔定律实际上是相同的。这些是:1)如果半导体芯片的大部分成本降低来自缩小的特征尺寸和不断增长的晶片直径,并且2)如果半导体工业制造的晶体管的累积数量随时间呈指数增长。如果满足这两个条件,则摩尔定律和学习曲线将成为预测相同趋势的直线。

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