我認為半導體是今年進行投資時的一大主要板塊。然而，對於半導體這個領域，我完全是個門外漢，因此買了書來學習。我想在這裡一邊輸出所學的內容，一邊進行整理。
這次為了學習所閱讀的日文書是這。
智慧型手機、個人電腦、汽車，這些我們生活中不可或缺的產品，其心臟地帶都搭載著「半導體」，半導體產業是由極為眾多的企業複雜地相互關聯而成的。本文將透過圖解與主要企業的介紹，淺顯易懂地解說這個複雜的半導體產業全貌。
目錄
半導體產業的整體結構
首先，讓我們先來鳥瞰半導體產業的整體樣貌。下圖顯示了主要的參與者及其相互關係。
半導體產業大致可分為設計支援（EDA供應商、IP供應商）、設計與開發（IDM、無廠半導體）、製造（晶圓代工、OSAT），以及供應商（設備製造商、材料製造商）這四個領域。每個領域都緊密合作，才能誕生出一顆半導體產品。
所有環節一手包辦的「IDM」
當我們聽到半導體製造商時，許多人腦中浮現的可能是被稱為IDM（Integrated Device Manufacturer）的企業。IDM的特點是，從半導體的設計、製造到最終產品的銷售，所有環節都由自家公司一條龍完成的商業模式。
IDM因為自家掌握所有製程，在技術開發和生產計畫上擁有高度的靈活性。然而，另一方面，這也意味著需要巨額的設備投資，並且必須獨自承擔市場變動的所有風險。
主要的IDM企業
| 公司名稱（國籍） | 主要產品 |
|---|---|
| 英特爾 (Intel) (美國) | MPU（超微型處理器）、NOR快閃記憶體、GPU、SSD、晶片組 |
| 三星電子 (Samsung Electronics) (韓國) | 記憶體（DRAM、NAND快閃記憶體）、影像感測器 |
| SK海力士 (SK Hynix) (韓國) | 記憶體（DRAM、NAND快閃記憶體） |
| 美光科技 (Micron Technology) (美國) | 記憶體（DRAM、NAND快閃記憶體、SSD） |
| 德州儀器 (Texas Instruments) (美國) | DSP（數位訊號處理器）、MCU（微控制器） |
| 英飛凌科技 (Infineon Technologies) (德國) | MCU、LED驅動器、感測器 |
| 鎧俠 (Kioxia) (日本) | 記憶體（NAND快閃記憶體） |
| 意法半導體 (STMicroelectronics) (瑞士) | MCU、ADC（類比/數位轉換器） |
| 索尼 (Sony) (日本) | 影像感測器 |
| 恩智浦半導體 (NXP Semiconductors) (荷蘭) | MCU、ARM核心 |
| 威騰電子 (Western Digital) (美國) | 記憶體（NAND快閃記憶體、SSD） |
圍繞著IDM，存在著許多支援設計的EDA供應商和IP供應商，製造所需設備的設備製造商，以及供應原料的材料製造商等眾多關聯企業，形成了一個巨大的生態系統。
專注於特定領域的「水平分工」模式
與IDM的垂直整合模式形成對比的是，將各個製程環節由專業公司分工負責的水平分工商業模式，這也是半導體產業的一大特徵。構成此水平分工模式的主要參與者，便是「無廠半導體（Fabless）」、「晶圓代工（Foundry）」與「委外封裝測試（OSAT）」。
設計的專家「無廠半導體（Fabless）」
無廠半導體（Fabless）是指不擁有「Fab（工廠）」，也就是沒有自家製造工廠，專注於半導體設計與開發的企業。他們將自家設計的半導體，委託給後述的晶圓代工廠製造，從而將產品推向市場。
無廠半導體公司透過避免巨額的製造設備投資，得以將經營資源集中於設計與開發。在其周圍，則有支援設計的EDA供應商和IP供應商，以及負責製造的晶圓代工廠和OSAT相互合作。
主要的無廠半導體企業
| 公司名稱（國籍） | 主要產品 |
|---|---|
| 高通 (Qualcomm, Inc.) (美國) | 稱為驍龍（Snapdragon）的ARM架構CPU、行動SoC |
| 博通 (Broadcom Inc.) (美國) | 無線（無線、寬頻）、通訊基礎設施 |
| 輝達 (NVIDIA Corporation) (美國) | GPU（圖形處理器）、行動SoC、晶片組 |
| 聯發科技 (MediaTek Inc.) (台灣) | 智慧型手機處理器 |
| 超微半導體 (AMD) (美國) | CPU、GPU、FPGA、AI晶片 |
| 海思半導體 (HiSilicon Technology Co.,Ltd.) (中國) | ARM架構的SoC、CPU、GPU |
| 邁威爾科技 (Marvell Technology) (美國) | 網路相關 |
| 日本MegaChips Corporation (日本) | 遊戲機相關 |
| 賽恩電子 (THine Electronics) (日本) | 介面相關 |
製造的心臟「晶圓代工（Foundry）」
晶圓代工（Foundry）是接受無廠半導體公司或IDM的製造委託，專門從事半導體製造，特別是稱為「前段製程」的晶圓處理的企業。全球最大的晶圓代工廠台積電（TSMC）便是其代表。
晶圓代工廠透過對最先進的製造技術進行巨額投資，並承接眾多客戶的製造訂單，來發揮規模經濟的效益。IDM之所以會委託晶圓代工廠製造，主要有以下三個原因：
| 原因 | 說明 |
|---|---|
| 製造產能不足 | 即使是自家生產線可以製造的半導體產品，也希望縮短製造前置時間時 |
| 應對供需平衡變動 | 作為應對半導體產品供需平衡變動的「緩衝」 |
| 製造先進技術產品 | 希望開發和產品化自家生產線無法製造的先進技術產品時 |
主要的晶圓代工企業
| 公司名稱（國籍） | 名稱 | 最近全球市佔率 |
|---|---|---|
| 台積電 (TSMC) (台灣) | 台灣積體電路製造 | 56% |
| 三星電子 (Samsung Electronics) (韓國) | 三星電子 | 16% |
| 聯電 (UMC) (台灣) | 聯華電子 | 7% |
| 格羅方德 (GlobalFoundries) (美國) | 格羅方德 | 6% |
| 中芯國際 (SMIC) (中國) | 中芯國際集成電路製造 | 4% |
| 世界先進 (VIS) (台灣) | 世界先進積體電路 | 2% |
| 華虹半導體 (Hua Hong Semiconductor) (中國) | 華虹 | 2% |
| 高塔半導體 (Tower Semiconductor) (以色列) | 高塔半導體 | 1% |
| 力晶積成電子製造 (PSMC) (台灣) | 力晶積成電子製造 | 1% |
| 東部高科 (DB HiTek) (韓國) | 東部高科 | 1% |
（資料來源：TrendForce，2024年Q3）
組裝與測試的專家「委外封裝測試（OSAT）」
OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Test）是接收晶圓代工廠製造的半導體晶圓，進行晶片切割、封裝，並執行最終測試的「後段製程」專業承包企業。
如此一來，透過設計、前段製程、後段製程等各個專業領域的企業相互合作，半導體產業的水平分工模式得以成立。
主要的OSAT企業
| 企業名稱 | 國籍 |
|---|---|
| 日月光 (ASE) | 台灣 |
| 艾克爾科技 (Amkor Technology) | 美國 |
| 長電科技 (JCET) | 中國 |
| 矽品精密 (SPIL) | 台灣 |
| 力成科技 (PTI) | 台灣 |
| 華天科技 (HuaTian) | 中國 |
| 通富微電 (TFME) | 中國 |
| 京元電子 (KYEC) | 台灣 |
新的商業模式：輕晶圓廠（Fab-lite）與設計服務公司（Design House）
近年來，半導體產業的結構更加多樣化與複雜化。作為IDM與無廠半導體的中間型態，新的商業模式也應運而生。
輕晶圓廠（Fab-lite）是一種企業型態，它擁有小規模的自家工廠，但將大部分的生產委託給晶圓代工廠。這可以說是IDM與無廠半導體的混合體。雖然擁有自家的小規模生產線，但主要製造委託給晶圓代工廠的案例正在增加。
主要的輕晶圓廠企業
| 企業名稱（國籍） | 主要產品 |
|---|---|
| 德州儀器 (Texas Instruments) (美國) | 類比IC、DSP、MCU |
| 瑞薩電子 (Renesas Electronics) (日本) | 車用半導體、PMIC、MCU |
設計服務公司（Design House）是只承接設計工作，自家不進行產品化的企業。雖然有時不會特別區分無廠半導體與設計服務公司，但設計服務公司的特點是只承接設計工作，自家不進行產品化。
支援設計的「EDA供應商」與「IP供應商」
半導體的設計，需要高度的軟體工具與可重複使用的設計資產。提供這些的，便是EDA供應商與IP供應商。
EDA供應商
EDA（Electronic Design Automation）供應商，是提供將半導體設計自動化的各種軟硬體工具給IDM製造商或無廠半導體企業的公司。
| 企業名稱（國籍） | 主要產品 |
|---|---|
| 益華電腦 (Cadence Design Systems) (美國) | 三大寡占之一。軟硬體全能（強項為模擬） |
| 新思科技 (Synopsys) (美國) | 三大寡占之一。軟硬體全能（強項為邏輯合成） |
| 西門子EDA (Siemens EDA) (德國) | 三大寡占之一。設計自動化的軟硬體（2021年整合美國Mentor Graphics） |
| 奧爾德克 (Aldec) (美國) | Active-HDL |
| Soliton Systems (日本) | 嵌入式系統 |
| 是德科技 (Keysight Technologies) (美國) | 印刷電路板設計 |
| 凱茲 (CATS) (日本) | 嵌入式開發工具 |
| 圖研 (Zuken) (日本) | 特別是印刷電路板 |
| Silvaco (美國) | 設計自動化解決方案 |
| Ansys (安雪斯) (美國) | 物理模擬（熱・應力）、3D IC解決方案 |
IP供應商
IP供應商是將整合的電路功能區塊（智慧財產權）作為設計資產，提供給IDM或無廠半導體企業的公司。
| 企業名稱（國籍） | 主要產品 |
|---|---|
| 安謀 (Arm) (英國) | 從嵌入式裝置和低功耗應用到超級電腦，為各種裝置設計架構並授權 |
| 新思科技 (Synopsys) (美國) | 提供對應業界廣泛使用介面規格的豐富IP解決方案組合 |
| 益華電腦 (Cadence Design Systems) (美國) | 提供以Tensilica為基礎的DSP核心群、先進記憶體介面核心群、先進序列介面核心群等IP核心 |
| 想像科技 (Imagination Technologies) (英國) | 行動裝置GPU電路的IP |
| 思華科技 (Ceva) (美國) | 訊號處理、感測器融合、AI處理器IP |
| 矽存科技 (Silicon Storage Technology) (美國) | 廣泛搭載於微控制器產品的分割閘極方式嵌入式快閃記憶體IP。該公司稱之為Super Flash |
| 芯原微電子 (VeriSilicon) (中國) | 影像訊號處理器用IP |
| 阿爾法波 (Alphawave) (加拿大) | 多重標準連接IP解決方案 |
| 力旺電子 (eMemory Technology) (台灣) | 提供四種不同寫入次數的非揮發性記憶體IP |
| Rambus (美國) | SDRAM模組的一種Rambus DRAM、可進行低功耗多重標準連接的SerDes IP解決方案 |
支撐製造的「設備製造商」
半導體製造需要極為先進的製造設備。提供這些設備的製造商，是半導體產業的幕後功臣。
主要的製造設備製造商
| 企業名稱（國籍） | 主要產品 |
|---|---|
| 應用材料 (Applied Materials) (美國) | 蝕刻機、CVD、CMP、ALD、濺鍍機、電鍍 |
| 艾司摩爾 (ASML) (荷蘭) | 對準機、掃描機、EUV |
| 東京威力科創 (Tokyo Electron) (日本) | 塗佈機、顯影機、CVD、蝕刻機、ALD |
| 科林研發 (Lam Research) (美國) | 蝕刻機、成膜、清洗 |
| 科磊 (KLA Corporation) (美國) | 製造檢測設備（製程參數、製程控制、智慧產線監控） |
| 愛德萬測試 (Advantest) (日本) | 測試機、EB直寫 |
| 迪恩士 (SCREEN Holdings) (日本) | 塗佈機、顯影機、濕式清洗 |
| 東京精密 (Tokyo Seimitsu) (日本) | 晶圓切割機、CMP、探針台 |
| Sinfonia Technology (日本) | 搬送系統 |
| 日立先端科技 (Hitachi High-Tech) (日本) | EB直寫、顯微鏡（SEM、TEM、AFM） |
| 泰瑞達 (Teradyne) (美國) | 測試機 |
| 先晶半導體 (ASM International) (荷蘭) | ALD、CVD |
| 尼康 (Nikon) (日本) | 步進機 |
| 日立國際電氣 (Hitachi Kokusai Electric) (日本) | 熱處理設備、磊晶設備 |
| 大福 (Daifuku) (日本) | 搬送機系統 |
| 佳能 (Canon) (日本) | 步進機 |
| 迪思科 (Disco Corporation) (日本) | 晶圓切割機、研磨機 |
| 愛發科 (ULVAC) (日本) | 濺鍍設備 |
| Kaijo Corporation (日本) | 焊線機 |
| Rorze (日本) | 晶圓搬送機 |
| SpeedFam (日本) | 研磨機 |
| 紐富來科技 (NuFlare Technology) (日本) | 光罩EB描繪 |
為何三星與英特爾也投入晶圓代工事業？
一個有趣的趨勢是，像英特爾和三星這樣的巨大IDM，正在強化其對外提供自家製造能力的晶圓代工事業。
這是因為，為了維持與運作需要巨額投資的最先進製造產線，不僅需要製造自家產品，也必須承接他家產品的製造。為了讓需要數兆日圓等級巨額投資的製造產線全速運轉，承接他家產品的代工生產也變得有其必要。
台積電作為台灣晶圓代工的龍頭，掌握著全球半導體製造的主導權。然而，這也催生了新的競爭局勢。隨著台積電熊本廠（JASM）的正式量產以及美國、德國設廠計畫的推進，大型IDM製造商（如試圖捲土重來的英特爾）與晶圓代工龍頭台積電之間，圍繞著2奈米先進製程與AI晶片製造的激烈商業競爭已經全面展開。
未來的展望：系統級晶圓代工（System Foundry）與3D封裝
隨著小晶片（Chiplet）技術與3D封裝等新技術的登場，前段製程與後段製程的融合正在加速。伴隨此趨勢，「系統級晶圓代工（System Foundry）」這個新概念也被提出。
系統級晶圓代工，是指不僅止於單純的製造代工，而是提供將系統整體最佳化納入視野的服務。為了讓半導體對應封裝技術與小晶片技術，將半導體製造的前段製程與後段製程加以融合的3D（三維）封裝正在進展。
過去曾如「歷史會重演」這句話所說，在半導體製造相關的行業中，以前只有IDM，後來隨著晶圓代工與OSAT的出現，「水平分工化」持續推進。而現在，與前段製程同樣地，以後段製程為中心的3D化技術革新與變革的必要性迫在眉睫，大型IDM（英特爾、三星）正挾其資金實力、技術實力與人才優勢，試圖轉型為新的型態。
總結
本文解說了半導體產業的基本結構「垂直整合（IDM）」與「水平分工（無廠半導體、晶圓代工、OSAT）」，以及近年的新趨勢。
| 商業模式 | 特徵 | 代表企業 |
|---|---|---|
| IDM | 從設計到製造、銷售一條龍的垂直整合型 | 英特爾、三星、鎧俠 |
| 無廠半導體 | 不擁有工廠，專注於設計與開發 | 高通、輝達、超微 |
| 晶圓代工 | 專門承接前段製程（晶圓處理）的代工製造 | 台積電、三星、聯電 |
| OSAT | 專門承接後段製程（封裝、測試）的代工 | 日月光、艾克爾、長電科技 |
| 輕晶圓廠 | 擁有小規模自家工廠，但主要製造委外 | 德州儀器、瑞薩電子 |
| EDA供應商 | 提供設計自動化工具 | 益華電腦、新思科技、西門子EDA |
| IP供應商 | 提供可重複使用的設計資產 | 安謀、新思科技、益華電腦 |
| 設備製造商 | 提供製造設備 | 應用材料、艾司摩爾、東京威力科創 |
過去曾以IDM為主流，但現在水平分工已相當普遍，更有跨越其藩籬的新商業模式陸續誕生。
隨著技術革新，半導體產業的結構未來也將持續動態變化。
