半导体行业专题报告：IDM、Fabless和Foundry，不同成长阶段的映射

（报告出品方/作者：东吴证券，张良卫）

1.设计与工艺相互依存，IDM成为早期半导体公司的标配

自 1947 年贝尔实验室的 John Bardeen 和 Walter Brattain 发明晶体管，至 1984年全球第一家 Fabless 公司 Xilinx 创立，以及 1987 年全球第一家纯晶圆代工厂台积电创立， 这期间半导体公司多采用 IDM 的经营模式。

究其原因，这期间的半导体产品尚处于成形阶段，设计和工艺的依存度较高。

复盘半导体产业发展史，我们可以发现，1947-1987 年间，众多对后续产业发展起 到关键作用的半导体结构、工艺和产品陆续涌现，并不断完善着半导体作为微型化、低成本、自动化的计算设备的产业根基。

例如，相比于最初的点接触晶体管，1948 年提出的结型晶体管凭借更优异的性能和 更适合于规模化制造的特性，成为了后来各类半导体产品的基础；扩散（1952 年）、光 刻（1955 年）、外延（1960 年）、离子注入（1962 年）、沉积（CVD（1950s）、PVD（1966）） 也在上述年限期间陆续被发明、提出或应用，并构成了半导体制造工艺的基本要素；1959 年，Jean Hoerni 发明的全新平面工艺，至今依然是半导体多层平面加工的基本思路；1959年，贝尔实验室的 Dawon Kahng 和 Martin M.Atalla 发明了 MOSFET，这是集成电路、 分立器件的基本构成单元；1959 年，德州仪器的 Jack Kilby 和仙童公司的 Robert Noyce 分别发明了锗和硅的集成电路；

1963 年，仙童公司的 Frank M.Wanlass 和 C.T.Sah 首次 提出 CMOS 电路技术，构成了逻辑电路的基础；1963 年，仙童公司 Robert Widlar 设计 了第一颗集成运算放大器电路 μA702，开启了模拟电路的发展历程；1967 年，贝尔实验 室的 Dawon Kahng 和 Simon Sze 共同发明了非挥发存储器，它是 EPROM、EEPROM 和 Flash 的基础；1968 年，IBM 的 Robert H.Dennard 发明了 DRAM，它后来成为了内存的 标准形态；1979 年，通用电气的 B. Jayant Baliga 在论文中提出了 IGBT 的构想，这为后来高频、高压电力电子应用的实现奠定了基础；1980 年，东芝公司的 Fujio Muoka 发明 了 NOR Flash，1987 年，他又发明了 NAND Flash，现已成为非易失性固态存储广为应 用的技术。

至此，如今司空见惯的半导体产品的基本结构和制造工艺方才基本成形，在此过程 中，结构的设计和工艺的加工是半导体产品开发的一体两面，这一特征在半导体产业初 期体现地尤为显著。例如，结型晶体管的开发过程中，PN 结的制备离不开掺杂工艺， 而晶体管则演化成了后来逻辑、模拟、存储器、分立器件等各类半导体产品；MOSFET 的开发则是基于扩散、氧化、沉积、光刻、腐蚀等工艺，通过金属-氧化物-半导体的组 合成功克服了半导体的表面态，实现了绝缘栅场效应晶体管结构；集成电路的开发更是与平面工艺、特别是光刻工艺相辅相成。这种设计与工艺互相依存的特征，决定了早期 半导体公司需要将设计和工艺能力整合起来开发新的产品，因此，IDM 模式是当时的 主流。

2.算力下沉，半导体需求上升

1984 年 Xilinx 和 1987 年台积电的创立，分别首开 Fabless 和 Foundry 的先河，时至 今日，以 Fabless+Foundry 为代表的分工模式在半导体产业中已蔚然成风。

对于早期的半导体产品而言，“计算”的功能属性和“自动化”的性能属性推动了 其在军事、航空航天和消费场景的应用。

早期的半导体产品率先在军事和航空航天的场景落地。1954 年，全晶体管计算机在 美国空军获得应用，以解决飞机轰炸和导航等问题；1957 年诞生的仙童公司用半导体硅 取代昂贵的半导体锗制成硅晶体管，被美国空军用于 XB－70 战略轰炸机和 “民兵”洲 际弹道导弹的导航计算机；1958 年，TI 的 Kilby 为解决陆军通信兵团遇到的数字泛滥问 题，成功研制出世界上首块集成电路；1961 年，德州仪器推出首个平面集成电路系列产 品 51 DCTL，以满足 NASA 行星际监测探测器上计算机的低功耗应用需求。

助听器、收音机、计算器成为早期半导体产品在消费场景的突破口。在民用消费场 景，1952 年，美国 Sonotone 推出的助听器是美国第一个晶体管消费产品；1953 年，在杜塞尔多夫无线电展上德国 Intermetall 展示了基于四个点接触晶体管制作的晶体管收音 机；1954 年，德州仪器和 Industrial Development Engineering Associates 联合开发的晶体 管收音机 Regency TR-1 在美国上市；同年，东京电信公司（索尼的前身）也开始出售助 听器和锗钟，并展示了原型晶体管收音机；1972 年，卡西欧推出了世界上第一款基于大 规模集成电路的个人用电子计算器。

“算力下沉”趋势演进，计算机成为推动芯片产业发展的主力。

真正使半导体产品实现普及的是 20 世纪 50 年代发明的计算机。1953 年，曼彻斯特 大学展示了晶体管计算机的原型。1954 年贝尔实验室为美国空军设计并制造了一台名 为 TRADIC（Transistor Digital Computer）的全晶体管计算机。1956 年，MIT 研发出全 晶体管通用计算机---TX-0。最初的计算机为大型机（Mainframe），主要用于商业和科学 领域。1957 年，两名 TX-0 的工程师 Ken Olsen 和 Harlan Anderson 成立计算机公司 DEC， 并于 1959 年发布了首款小型机（Minicomputer）PDP-1，此后陆续发布的 PDP-3（1960 年），PDP-4（1962 年），PDP-5（1963 年），PDP-7（1964 年）、PDP-8（1965 年）、PDP11（1970 年）开启了小型机的辉煌十年。

直至 1972 年，英特尔发布微处理器 8008，单 片式微处理器技术的成熟使得计算机行业掀起了一波更加汹涌的微型化浪潮，促进了微 型计算机（Microcomputer）的诞生，早期的微机多采用 8008 作为其中央处理器。参考 1964 年提出的摩尔定律，微型化和低成本逐渐成为半导体产业升级的重要特征和驱动 力。而 8008 的重要性还在于其设计，英特尔 1974 年发布的微处理器 8080 延续了 8008 的设计，而后来举世闻名的 8086 则继承了 8080 的指令集。基于 8080，MITS 公司在 1974 年推出的 Altair 8800 是全球首台商业成功的微型计算机，此后，各类微型计算机 如雨后春笋般涌现。

1978 年，英特尔发布了首款 16 位微处理器 8086，该产品开创了 x86 架构计算机的 时代，x86 架构不仅仅是一套 CPU 的指令集或 CPU 芯片的内部架构，同时也成为了个 人计算机（PC）的行业标准。1981 年，IBM 正式发布了全球第一台 PC IBM 5150，PC 自此真正走进了人们的工作和生活，它标志着计算机应用普及时代的开始，也标志着 PC 消费驱动芯片技术创新和产业发展的时代开启。

1985 年，微软公司推出 Windows 操作系统。早期的 Windows1.X、2.X 和 3.X 可以说是 MS-DOS 的图形界面外壳软件。1995 年，微软公司推出 Windows 95 后，逐步以 Windows 取代了之前采用的 MS-DOS 底层系统。后来，微软公司与 Intel 公司强强联合， 形成所谓的 Wintel 联盟，大大促进桌面计算机和互联网的普及，全球网络化、信息化也 成为了拉动芯片技术进步和产业发展的主力。（报告来源：未来智库）

计算机时代中，终端应用形态的演化显示出半导体产品“算力下沉”的发展脉络：大型机的应用主要以企业为单位，小型机的应用主要以办公人员为单位，微机和 PC 的 应用以家庭为单位，半导体的“计算”功能逐渐从大的实体向小的个体下沉。再结合 2007 年以来的智能手机时代，半导体的算力真正下沉到了“个人”这一层级。

以 PC 为代表的终端应用加速渗透，市场规模持续扩容，并带动相关半导体产品需 求的持续提升。这样的需求催生了半导体公司的涌现，以及半导体产品出货量的增加。

3.众多半导体公司涌现，Fabless是降本增效之选

1980-2010 年是半导体产品类公司创立的井喷期，Xilinx、高通、英伟达、联发科等 半导体公司相继成立，根据 Wind 的数据，1970 年代初创的半导体产品公司为 11 家， 1980 年代初创的半导体产品公司达 65 家，这一数据在 1990 年代飙升至 189 家，并在 2000 年代继续增长至 210 家。

伴随着半导体公司数量的增加，同样增加的还有配套晶圆制造产线的建设成本。1975 年，晶圆制造产线的建设成本不到 1 亿美元，1985 年该成本已达 2 亿美元，而 1995 年该成本已飙升至 10 亿美元。2000 年代末至 2010 年代初，即使是索尼、英飞凌等大型 半导体公司，也难以负担先进晶圆制造产线的投资和制程的升级。

因此，自 1980 年代以来，初创的半导体产品公司已基本无力承担晶圆制造产线建 设、维护和升级的庞大资本支出。

其实，与寻求晶圆制造代工的 Fabless 相比，即使初创的半导体产品公司成功投建 了晶圆制造产线（成为 IDM），并且自身产品的出货量能够支撑晶圆制造产线达到足够 的产能利用率，其产品也很难在短期构建起成本竞争力。从理论上而言，IDM 与 Fabless 的关系，可粗略地类比为买断产能和租赁产能的区别，考虑二者的投片成本和投片次数 的关系可知，在初期（Tn 之前），IDM 的投片成本更高，产品的成本竞争力较 Fabless 更弱。而随着晶圆制造产线的投建成本逐渐攀升（Cn逐渐增大），IDM 较 Fabless 形成 成本竞争优势的时间也在逐渐拉长（Tn逐渐增大）。

反观走晶圆制造代工路线的 Fabless 公司，通过将晶圆制造环节外包，可以显著降 低公司的启动成本。同时，随着半导体制程的升级，芯片的设计成本也在逐年递增， Fabless 公司可以将有限的资源投入到半导体的 IP、架构、验证等设计环节，从而实现 整体的降本和增效。这一点在后来的 AMD 及其处理器产品的市场表现上得到了很好的 验证：2017 年，AMD 发布了全新的 Zen 架构、由格芯代工的 14nm 的第一代锐龙处理 器和第一代霄龙处理器，2019 年，AMD 发布了 Zen2 架构、由台积电代工的 7nm 第三 代锐龙处理器和第二代霄龙处理器，凭借优异的产品设计和代工厂提供的领先的制程工 艺，AMD 的产品竞争优势十分显著，市场份额快速提升。

此外，早期的半导体产品复杂度有限，公司能够独立完成从底层到顶层的电路设计。而随着从 IC、LSI、VLSI 到 ULSI，集成电路规模不断增加，半导体产品的复杂度显著 提升。用预先设计好并经过验证的模块来构建复杂的电路系统，逐渐成为集成电路设计 方法学的重要思路，并促进了 IP 的诞生。

IP 即经过验证的、可复用的设计模块，1980 年代，Mentor、Synopsys、Cadence 等 一系列 EDA 公司创立，他们同时也提供 IP 服务，1980-1990 年代，Imagination、ARM、 CEVA 等一系列纯 IP 公司也涌现出来。IP 的开发和复用，使得设计环节化繁为简：冗 余的设计成本得以缩减，开发周期得以缩短，产品开发的成功率也得以提升。这从一定 程度上降低了半导体产品设计的壁垒，为 Fabless 公司的涌现提供了更加友好的产业生 态。同时，IP 可以移植到不同的半导体工艺之中完成制造，这进一步加剧了半导体设计 与工艺环节的分野，也为 Foundry 的出现埋下伏笔。

4.半导体生产规模扩大，Foundry应运而生

自 1947 年晶体管发明以来，其在工作原理、材料、结构、功能和集成/分立形式等 方面不断丰富和完善，大体而言，晶体管主要起到电流通断、信号放大和功率控制（开 关和电压、电流控制）的功能，基于电流通断的功能，晶体管逐渐衍生出逻辑电路，而 基于信号放大和功率控制的功能，晶体管分别衍生出模拟电路和分立器件。复盘三者的 发展脉络可以发现，逻辑电路的升级表现为：在关键节点上晶体管在器件结构层面的创 新，以及晶体管在集成度层面的创新，而在大多数时间里，晶体管集成度的创新对逻辑 电路的升级起到了主导作用。模拟电路的升级表现为：由晶体管、电阻、电容构成的电 路结构的创新。分立器件的升级表现为：晶体管在器件结构层面的创新。而在逻辑电路 领域，正是半导体产业升级从器件结构层面逐步延伸至集成度层面，为半导体工艺的标 准化奠定了基础。

第二章文末提到，以 PC 为代表的终端应用加速渗透，带动了半导体产品出货量的 增加。特别是在逻辑电路领域，以处理器为代表的半导体产品用量巨大，相应地，其生 产规模也不断扩张。在此过程中，由于标准化的半导体工艺有助于控制生产成本、优化 研发流程，推进半导体产品公司的降本和增效，因此，半导体工艺逐渐趋于标准化，在 以集成度升级为推动力的逻辑电路领域，出现了以标准 CMOS 工艺为代表的集成电路 工艺。而标准化的半导体工艺，也逐渐形成了晶圆制造代工的基础。

在以逻辑芯片为代表的半导体产品领域，随着生产规模的扩张，晶圆制造代工模式 的规模效应开始显现。对于 IDM 和采用纯晶圆代工模式的 Foudry 而言，在其他条件（例 如，设备、材料的成本相同，生产晶圆的售价相同）均一致的假设下，二者的效益与各 自的生产规模直接相关。在 E 点之前，全市场委外生产的规模小于 IDM 的生产规模， 那么同样建设一条晶圆制造产线，IDM 的规模效应优于 Foundry，产品更具成本优势。而在 E 点之后，由于半导体产品出货量的增加，叠加 Fabless 公司的涌现，若干家 IDM 难以满足全市场的生产需求，而 Foundry 则可以灵活对接全市场的生产订单，因此，同 样投建一座晶圆厂，Foundry 的规模效应更强，其生产的平均成本比 IDM 更低，因而 更具市场竞争力。

1987 年，全球首家 Foundry---台积电应运而生，当时，台积电拥有一条 6 英寸晶圆 制造产线，使用 3μm 制程。1988 年，英特尔 CEOAndrew Grove 造访台积电，并与台积 电展开合作，由台积电为英特尔生产部分处理器和芯片组产品。此后，台积电在晶圆代 工市场持续突破：1998 年英伟达开始使用台积电 0.35μm 制程生产处理器产品，2004 年 台积电成功研发 0.13μm 系统单芯片铜/低介电系数制程技术、2007 年与 ASML 合作成 功推出第一台浸没式光刻机、2011 年基于后闸级技术路线率先成功推出 28nm 制程、 2014 年独家代工苹果 A8 芯片，2018 年率先推出 7nm 制程，并在此后的各代制程的量 产上保持领先。根据 IC Insight 的数据，2020 年底，台积电晶圆代工产能约 270 万片/月， 占全球晶圆产能的 13.1%，位居全球第二位，作为参考，IDM 英特尔的晶圆产能约 88.4 万片/月，占全球晶圆产能的 4.2%。根据 Trend Force 的数据，2021 年第二季度，台积电 在全球晶圆代工市场市占率达 52.9%（营收口径计），位居全球首位。

同时，相比传统 IDM 模式，Fabless+Foundry 的分工模式具备显著的正反馈效应：对 Foundry 而言，Fabless 生产订单的填充使代工厂具备规模效应，摊薄单位成本，进而 能获取更多 Fabless 的生产订单；对 Fabless 而言，Foundry 的生产成本降低，降低了 Fabless 的进入门槛，进而催生了更多 Fabless 公司。（报告来源：未来智库）

5.模式之别是半导体公司不同成长阶段的映射

通过上文对产业历程的复盘可知，IDM 和 Fabless，是半导体产业发展到不同阶段 的产物，同时也对应着半导体公司在不同成长阶段的选择。半导体产品需求的提升，催 生了大量的半导体产品公司，通过晶圆制造的委外生产，相关 Fabless 公司无需承担晶 圆制造产线建设、维护和升级的庞大资本支出，一方面可以显著降低公司的启动成本， 另一方面也可以将有限的资源投入到半导体的 IP、架构、验证等设计环节，提升产品在 性能和价格方面的竞争力，提升市场份额。此外，IP 供应商的出现，从一定程度上降低 了半导体产品设计的壁垒，为 Fabless 公司的涌现提供了更加友好的产业生态。

而在以集成度升级为主要推动力的逻辑电路领域，随着半导体工艺趋于标准化，晶 圆制造代工的基础逐渐成形，随着半导体产品生产规模的扩大，Foundry 模式凭借规模 优势应运而生，并与 Fabless 公司协同发展，这也正是 Fabless 最先在逻辑电路领域出现 的原因之一。

但这并不意味着 IDM 模式已经过时，通过上文的分析可知，IDM 模式在设计与工 艺高度依存的情况下依然是十分行之有效的策略。例如，在 MOSFET、IGBT 等分立器 件领域，由于产业升级始终围绕着半导体产品的最原始形态---晶体管，开展相关结构的 创新，因此，业内头部厂商英飞凌、安森美、意法半导体等一直延续着 IDM 的传统。换 言之，除了强调集成度升级的逻辑电路领域，其他半导体产品领域（如分立器件、存储 器、模拟电路、传感器等）的前沿创新，依然离不开对设计与工艺的整合，而 IDM 模 式，抑或是方兴未艾的 Fablite、CIDM 模式，未来的市场空间依旧广阔。