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SIP為下一波IC產業分工主角
 

【作者: 陳福騫】   2003年06月05日 星期四

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由於IC供應商在終端產品上日益走向整合多功能晶片, SoC/SLI(System Level Integration)已成為IC設計的主流,產品同質性將越來越高,競爭也會更加激烈,市場空間縮小,IC產業就漸漸出現規模經濟取向的水平整合。同時,隨著半導體微縮製程使IC集積度大增後,光罩成本不斷上漲、設計周期加長、NRE費用增加、產品壽命減少等諸如此類的問題,都大幅影響了半導體市場今後的發展方向,而SIP(Silicon Intellectual Property;矽智財)交易的盛行和相關產業的興起,已經逐漸成為克服以上問題的首選,促使半導體產業重新回到高效率和高報酬率的軌道。


SIP Reuse與交易已是未來潮流

未來的3C產品由於具多功能、輕薄短小、彈性且即時上市的特性,SoC的IC設計更是需要使用到各種SIP才能事半功倍,尤其是在數位電路方面,不管是硬體區塊的建置,或是軟體SIP的嵌入。而只要是SIP擁有者便能提供SIP的交易,所以包括專業SIP供應商、IDM、無晶圓廠業者(Fabless)、晶圓廠(Foundry)、設計服務公司(Design Service)、系統製造商等都可以是SIP供應商。


3C整合產品催化SIP設計方式

由於3C整合是未來的潮流,將系統產品的功能整合在單顆晶片上的觀念更是大行其道,IC如採取SoC的設計方式,不但可減少零件數目、節省電路板的成本,並且可以縮小產品體積、節省耗電、減少散熱的問題;因此,SoC已成為IC產業界不可避免的趨勢。此外,3C產品強調多功能、彈性即時上市等特性,除了IC硬體區塊的建置需要大量的SIP使用,大家現在明顯看到的一個趨勢是,硬體的區塊可以用軟體取代;這樣的趨勢是讓設計者在標準的嵌入碼外,可以自己下指令,所採用的SIP能依需求做彈性變化,這樣的趨勢有助於每家廠商所設計的IC產品差異化。


IC設計複雜度已達百萬閘級


《圖一 2003年台灣系統級IC設計閘數》
《圖一 2003年台灣系統級IC設計閘數》資料來源:Source:EE Times-Taiwan,2003/03

隨著IC微縮製程技術的快速發展,單一晶片上所能整合的電晶體數目愈來愈多,至今設計複雜度進一步提升到百萬邏輯閘(Gates),如(圖一),若仍然採用傳統利用Standard Cell或是重新設計的方式來設計晶片,一次必須設計百萬個甚至更多的Gates,以目前IC產業的環境,勢必無法提供足夠的人力與符合開發產品即時上市的要求。


在這種情況下,較可行且有效的方式是善用SIP,在廠商無法迅速掌控一切關鍵技術的情況下,藉助不同廠商所提供之SIP,乃能在最短時間內推出產品,以搶食市場大餅。公司都有各自專長的領域,也有相當數量SIP,若這些設計可以重複使用,且各公司間可進行SIP的交易,使好的設計可被流通,並為需要者所使用,如此便可相當程度解決上述問題。


IC設計平台化需求殷切

由於IC單位面積集積度增加以及新一代產品功能設計日益複雜,為了讓IC設計更有效率,IC設計方式的演變從過去的TDD(Timing Driven Design)階段,演變至BBD(Block-Based Design)階段,最後進入設計複雜度更高的PBD(Platform-Based Design)階段,如(圖二)。


PBD的最終目標是整個系統能夠隨意的抽換SIP,甚至是抽換CPU core都不會影響到軟硬體間的運作;這其中出現兩種需求:SoC平台SIP和建置在各區塊的功能SIP;SoC平台基本上已經整合了許多特定功能SIP,替IC設計者解決了不同來源SIP的整合問題,且系統環境、架構也都已經事先規劃完成,客戶只需在平台上整合進自己的SIP即可,大幅地加快IC產品的開發速度,減少使用者所需的設計研發人數,再加上若是SoC平台設計得宜,則可兼顧到使用者在差異化以及產品升級上的需求。


《圖二 IC開發方式演變圖》
《圖二 IC開發方式演變圖》資料來源:Source:Cadence

IC設計規模經濟潛藏產業分工因子

半導體發展到一定的階段,初期具有利基性的IC產品會因為競爭者的加入,超額利潤的空間遭到壓縮,IC產品的設計由於系統整合打破產品間的界線,同性質業務的規模經濟於是出現,同業之間的水平整合趨勢明顯。Goldman Sachs計算出從1990~2003年,建造晶圓廠的成本成長了七倍,高過整體半導體營收成長的五倍,如(圖三),這表示銷售IC的毛利越來越低。具有設計能力的工作團隊,因為在器件設備和IC市場上的弱勢,在此情況下只有依其核心專業價值開發出不同業務性質的服務方能突破困境。


《圖三 晶圓廠成本和半導體產業營收成長比較圖》
《圖三 晶圓廠成本和半導體產業營收成長比較圖》資料來源:Source:Goldman Sachs

系統整合趨勢導致IC產業水平整合現象

由於半導體技術日益成熟,加上系統整合是未來的趨勢,各晶片大廠運用其既有的技術和市場優勢,出現多種擴充版圖的方式,其一是開發多功能整合晶片,最有名的莫過於Intel、TI、Motorola所推出的智慧型手持裝置通用平台,再來是開發新的產品線,如威盛、聯發,還有不斷出現的網路晶片公司購併案,在競爭愈見激烈的半導體產業環境中,規模經濟上的成本優勢終究還是領導整個市場,這種情況最多出現在網路通訊晶片領域。不僅是跨產品線的衝擊,同產品線也出現產業集中度高昇的現象,就拿全球設計業市場來說,前20大設計業者就囊括近80%的市佔率,換句話說,除非是該產品領域的前2大設計業者,否則幾乎已註定必遭淘汰,大者恆大的趨勢更加明顯。


高階製程費用飆升打擊小型IC設計業者

系統晶片的容量已經越來越大,10年前,其規模為每平方英吋1萬個閘電路;現在密度已達到平均每平方英吋100萬個閘電路,這已經使得ASIC/SoC的固定成本不斷增加,尤其是光罩的部份;過去在6吋或8吋晶圓的時代,光罩的價格約在10萬美元上下,但如今光罩的價格早已逼近100萬美元,而面對下一代0.18微米、甚至0.13微米製程的推進壓力,從IC設計、光罩、晶圓驗證到量產,研發經費將大幅攀升到1000萬美元。


以往小型設計業者總會利用較之大廠再高一階的製程技術,生產出更具成本競爭力的晶片,藉以在市場上爭取到生存空間,但在0.18微米以下的高階製程費用以等比級數跳升後,高階製程的可利用性已明顯較以往困難,對業者來說風險太高。


利潤從差異化領導逐漸走向獨占取向

IC設計業在產業形成初期,總是以其效率及差異化的優勢取勝,形成一定的市場規模,更隨著不同新興系統產品應用興起,而造成百家爭鳴的狀況。而產品的差異化之所以能獲利,是因為市場存在不確定性,但是整個IC產業就像是一個大產品,已經漸漸步入成熟的生命週期,不確定性降低,所以要靠差異性來獲取利潤的機會是日趨渺小了,以現在的環境很難再出現像Qualcomm、NVIDIA、Xilinx這樣子的公司了。


未來只有具規模經濟者如IDM以及大型IC設計公司能夠取得較有利的SoC platform授權合作條件,很多的IC元件都會逐漸IP化,直接在設計時就被整合進系統單一晶片中。所以從種種的跡象來看,未來二線的IC設計公司或IDM廠不是被購併掉,就是投靠大公司,而新進的IC公司機會將會更少。不過未來在DataCom & TeleCom的整合應用上應該會有新的機會,而如果能夠運用新的Business Model,也算是另外一種利用業務性質的差異性來創造獲利機會的策略,也就是說,如果IC設計公司可以轉型為專業的SIP供應商(如ARM、Rambus),或許這是一個新的策略轉折點。


專業SIP供應商的興起

IC設計產業具高營運風險卻特性,因為一項產品的成功與否決定公司的興衰,相對地的SIP產業的營運風險就較IC設計產業來的小,成功的SIP業者所憑藉的乃是其對市場趨勢之精準掌握、專注的SIP研發與其獨特核心專長的持續累積。未來IC?業鏈分工會進一步細化,公司可以用他人的SIP庫、他人的設計資源、他人的製造資源來獲得自己的?品,這實際上在整個IC產鏈上實現了資源的優化整合。在這個趨勢下,在設計業領域再次被切割出新一塊專注於設計前段各種SIP研發的SIP與設計服務公司,代表性的公司有ARM、Rambus,或是台灣的智原科技與創意電子等。


供應鏈網路使IC上下游成為虛擬IDM

SIP開發的過程必須結合不同專業的硬體軟體設計組織來完成,主要是半導體的產業價值鏈與IC設計支援產業,包括EDA、SIP、CAD、Foundry、Package & Testing、Software、System等,而IP開發後的銷售服務,一樣要跟相關協力廠商做配合。但隨著SoC的發展,以及晶圓製造已邁入12吋廠新紀元的來臨,整個產業發展的最大瓶頸,是缺乏整合的半導體供應鏈上的各產業階段,這令SIP無法融入晶圓製造的平台,隨之而來的IC產品測試及除錯問題更會是一項大麻煩。


然而供應鏈網路的發達以及統一資訊平台的建立,解決上述半導體上、下游間的溝通鴻溝,以網路為媒介主體,串聯SIP業、設計業、製造業及封測業而型成半導體產業的虛擬垂直整合模式(如IBM、Oracle的E-business、Cadence的EDA Platform等)。虛擬整合的產業模式,不但保存了原本產業各階段中分工的利基規模經濟,更能藉由網路的無國界以及即時性,貫通整個產業鏈上的各個資訊環節,達到表面上分離,實際上卻全面性整合的優勢,這使得IC產業的分工具強而有力的基礎。


ARM闡述了SIP公司成功的主要因素

SIP產業沒有生產自有晶片、工廠、機器設備,花在工程師上面的研發費用是最大的支出,所以不需負擔庫存風險,一個IP完成之後,可以同時以收取權利金(Royalty)和授權費(Licensed Fee)的方式賣給很多個客戶,即只需要花一次的人力與時間開發SIP產品,產品開發成功後便可以同時賣給很多的客戶。


全球第一大矽智財公司ARM成功的關鍵在於對於利基市場的選擇、技術能力、策略聯盟、軟體支援這四大因素:


  • (1)ARM選擇成長最快的手持式設備市場,加上這個市場是國際大廠如Intel鞭長莫及之處,取得不錯的利基點;


  • (2)ARM核心體積很小,整合到晶片上的成本也很低,而且在可攜式電子產品領域中,ARM是公認的最省電的方案,ARM的CPU技術符合低耗電量以及高效能需求,並獲得半導體業界廣泛支持;


  • (3)ARM以其與作業系統、系統業者合作的方式拓展市場佔有率,同時基於其與設計服務業者、晶圓代工者、與客戶之間多元化的授權策略,彼此可以分享資源;


  • (4)ARM也推出可供IC設計人員開發以ARM相關IP為基礎的設計工具-AMBA,強大的工具支援和標準架構讓設計人員得以更有效地將該公司產品整合在所需的SoC晶片中,也就是說該公司提供的產品型式從最初硬體IP的授權一直延伸到以軟體為主的設計工具。



IC設計服務以全客製化設計代工見長

《圖四 IC設計服務公司營運模式》
《圖四 IC設計服務公司營運模式》資料來源:Source:拓墣產業研究所,2003/05

IC設計公司中原本專門服務於公司產品線的設計服務部門,因為只承接自己公司的設計團隊業務,在風險和成本考量上都偏高,基於降低風險和減少成本考量,設計服務部門分割出來成立獨立的公司蔚為風氣。值此同時,晶圓廠中和IC設計公司對口的業務單位,也因為和晶圓廠的良好互動也想來分一杯羹,成為另外一股設計服務業的生力軍,如(圖四)。


此外,嵌入式系統的利用也是造成半導體產業加速分工的重要因素之一,IC相關業者只需要將客戶所需的特定SIP架構或程式碼,嵌入個別SoC產品系統中即可。由於IC設計公司主要是以銷售自己品牌的產品為主,難以達到客製化的需求,不少的OEM/ODM以及EMS等系統業者已選擇設計服務公司,作為其未來產品開發上的長期合作夥伴,也間接促成SIP以及設計服務公司如雨後春筍般成立。


FPGA/PLD產業的興起創造SIP需求

PLD的演進速度驚人,產品演變至今已經以已銅製程90奈米量產,閘數可達500萬以上。晶片尺寸也大幅下降,2003年採用的是0.13微米八層金屬層製程,Die Size為1994年產品面積的10%左右,另一方面,FPGA快速導入12吋晶圓製程後,廠商透過製程的進化已經大幅降低成本,部分低階產品線已大幅降價到10美元以下;Xilinx更宣稱,FPGA到2004年100萬閘數的FPGA將低於20美元,400萬閘數將低於100美元。


Altera在2001年首先和ARM、MIPS 以及Mountain View達成嵌入式微處理器授權合作,Xilinx接著也引進IBM PowerPC架構,並相繼和QuickLogic、Triscend、Mountain View、ARM 和MIPS 組成聯盟,加上ASIC 製造商也開始把FPGA加到他們的晶片上,例如 LSI Logic、Milpitas和Samsung Electronics等,這都使得嵌入式FPGA市場有相當的發展利基。而FPGA的興起,與其搭配的SIP需求更是殷切,間接蓬勃了SIP產業,也促進IC產業的分工。


SIP為下一波IC產業分工主角

隨著相關技術的成熟,市場上客戶所要求的,將不再只是購買單一個別的SIP,而是能提供更高價值的SoC平台,而原本的SIP廠商,則必須在既有的SIP產品之外,也開發出適當的SoC平台,才能在市場上佔有一席之地。未來隨著整體產業競爭趨勢的變化,產業的分工有可能進一步的劃分出SIP的提供者與SoC平台提供者兩種角色。綜合上數的種種因素,未來IC產業的分工將會再進一步,除了之前的IDM委外代工趨勢外,新一波的分工包括SoC Platform、SIP供應商以及提供IC客製化服務的廠商(Design Service),如(圖五)。


《圖五 新一波IC產業的分工與整合》
《圖五 新一波IC產業的分工與整合》資料來源:Source:拓墣產業研究所,2003/05

依據Semico Research的報告指出,SIP市場將浮出台面,並將推動IC產業的復甦,預測SIP市場2003年成長率將超過25%,總營業收入達10億多美元,SIP的主要用戶將持續為系統單晶片、ASSP和FPGA元件,而包括In-Stat等研究機構也都預估到2005年SIP市場每年都將有超過20%的成長率。然而,SIP的優點還沒有全部實現,必須要解決現存的幾大問題,第三方SIP的使用才能深入人心,包括開發可重複使用的SIP成本比開發一次性使用的SIP成本高約50%,而且SIP的建構還缺少標準,在複雜晶片的設計中,有可能引發SIP模組之間的互通性問題。


(作者為拓墣產業研究所半導體分析師)


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