Создание собственного бизнеса по производству полупроводников

В быстро меняющемся ландшафте полупроводниковых технологий термин «компании по производству полупроводников без собственных производственных мощностей» является свидетельством инноваций и адаптивности. Эти компании олицетворяют стратегический подход, фокусируясь на дизайне, инновациях и рыночной гибкости, при этом передавая на аутсорсинг производственный аспект производства полупроводников. В этой динамичной сфере такие гиганты, как Qualcomm и Nvidia, добились значительных успехов, создавая передовые чипы, которые питают наши устройства.

Между тем, такие компании, как Arm Holdings, известные своей архитектурой процессоров, произвели революцию в отраслях, не владея производственными мощностями. Эти организации являются примером мастерства компаний по производству полупроводников без собственных производственных мощностей, преобразуя отрасли посредством новаторских разработок и технологического мастерства.

Рисунок 1: Стоимость акций Broadcom, NVIDIA и Marvell за последние 5 лет

Компании по производству полупроводников без собственных производственных мощностей — это организации, которые специализируются на проектировании, разработке и маркетинге полупроводниковых чипов, передавая при этом процесс изготовления или производства сторонним литейным заводам. Эти компании сосредоточены на инновациях, создании проектов чипов, интеллектуальной собственности (ИС) и спецификаций для различных электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры, устройства Интернета вещей и многое другое. В отличие от производителей интегрированных устройств (IDM), которые занимаются как проектированием чипов, так и их изготовлением внутри компании, компании без собственных производственных мощностей используют внешние литейные заводы для физического производства своих полупроводниковых проектов.

 

Эта бизнес-модель позволяет компаниям, работающим без собственных производственных мощностей, сосредоточиться на инновациях и проектировании без значительных капиталовложений, необходимых для владения и эксплуатации производственных мощностей, что обеспечивает гибкость и конкурентоспособность в быстро развивающейся полупроводниковой отрасли. Примерами компаний, работающих без собственных производственных мощностей, являются Qualcomm, Nvidia, Broadcom, MediaTek и AMD.

Новые игроки, выходящие на рынок полупроводников, часто выбирают бизнес-модель без собственных производственных мощностей по нескольким веским причинам:

Экономическая эффективность: строительство и эксплуатация производственного предприятия (fab) требуют огромных первоначальных капиталовложений. Для новых участников, особенно стартапов, это требование к капиталу может оказаться непомерным. Переход без собственных производственных мощностей позволяет компаниям направлять ресурсы в первую очередь на исследования, разработки и инновации, а не на инфраструктуру.

Сосредоточение на основных компетенциях: проектирование и инновации в области полупроводников являются основными сильными сторонами многих стартапов. Передавая производство на аутсорсинг, эти компании могут сосредоточиться на оттачивании своих проектных возможностей, создании новых архитектур микросхем и оптимизации производительности, а не на отвлечении ресурсов на управление производственными сложностями.

Технологический доступ: доступ к передовым производственным технологиям является серьезной проблемой. Литейные заводы, инвестирующие в производственные технологии, могут предоставить мелким игрокам доступ к передовым узлам, которые в противном случае были бы финансово недоступны.

Гибкость и масштабируемость: модели без собственных производственных мощностей обеспечивают гибкость в адаптации к требованиям рынка. Компании могут масштабировать производство, не привязываясь к ограничениям мощности внутренних фабрик. Такая гибкость позволяет быстрее реагировать на изменения рынка и колебания спроса.

Проблемы, связанные с владением фабрикой, особенно для новых игроков, включают:

Высокие первоначальные затраты: строительство и обслуживание фабрики влечет за собой значительные расходы, такие как строительство, оборудование и текущие эксплуатационные расходы, которые могут подавить стартапы.

Технический прогресс: полупроводниковые технологии быстро развиваются. Чтобы идти в ногу со временем, требуются постоянные инвестиции в модернизацию оборудования и новые методы производства.

Проблемы масштабирования: для эффективности затрат часто требуются большие объемы производства. Новичкам может быть сложно достичь этого масштаба, что влияет на их конкурентоспособность.

Риски, связанные с мощностью: точно прогнозировать спрос сложно. Владение фабрикой означает сталкиваться с рисками избыточной или недостаточной загрузки мощностей, что влияет на эффективность.

Сложные операции: фабрики требуют точного управления, от контроля качества до тонкостей цепочки поставок и соответствия требованиям. Новичкам сложно ориентироваться в этих сложностях.

Рисунок 2: Проблемы владения фабрикой

Выбрав модель без фабрик, новые игроки могут смягчить эти проблемы, сосредоточившись на своих сильных сторонах в дизайне и инновациях, одновременно используя опыт и инфраструктуру специализированных литейных заводов для вывода своих полупроводниковых разработок на рынок. Существует две основные модели без фабрик на выбор, каждая из которых предлагает смешанный набор плюсов и минусов:

Модель COT (инструментарий, принадлежащий заказчику): компании без фабрик в модели COT владеют или арендуют производственные инструменты, такие как наборы масок, для изготовления полупроводников. Это требует значительных первоначальных инвестиций, но обеспечивает большую настройку и контроль над производственным процессом. Долгосрочные выгоды от затрат могут быть получены за счет избежания наценок для внешних литейных заводов.

Модель ASIC (интегральная схема специального назначения): компании без фабрик в модели ASIC передают производство полупроводников на аутсорсинг внешним литейным заводам. Они платят за услуги по изготовлению на основе объема производства, с более низкими первоначальными затратами и ограниченной настройкой. Однако эта модель обеспечивает доступ к различным литейным заводам и передовым технологиям без необходимости владения инструментами.

По сути, модель COT подразумевает владение производственными инструментами, что позволяет настраивать, но требует высоких первоначальных инвестиций, в то время как модель ASIC передает изготовление на аутсорсинг, предлагая гибкость и более низкие первоначальные затраты, но с ограниченным контролем над процессом. Выбор зависит от таких факторов, как потребности в настройке, бюджет и долгосрочные затраты.

Создание компании по производству полупроводников без собственных производственных мощностей включает несколько ключевых шагов. Вот полное руководство по всем шагам и ключевым моментам, которые необходимо оценить перед созданием компании без собственных производственных мощностей:

Исследование рынка и экспертиза:
Понимание отрасли: тщательно изучите полупроводниковые технологии, рыночные тенденции и потенциальные ниши. Например, NVIDIA, специализирующаяся на графических процессорах, выявила растущий спрос на обработку графики в играх, ИИ и центрах обработки данных.
Техническая экспертиза: соберите команду с разнообразным опытом. Компания ARM Holdings, известная своей архитектурой процессоров, собрала инженеров, обладающих навыками проектирования маломощных устройств, что привело к ее доминированию на рынке мобильных чипов.

Разработка бизнес-плана:
Видение и цели: определите миссию и цели вашей компании. AMD разработала стратегию, чтобы бросить вызов лидерам рынка ЦП, предлагая конкурентоспособные альтернативы, которые теперь можно увидеть на примере процессоров Ryzen.
Анализ рынка: проанализируйте потребности клиентов и конкуренцию. Успех Qualcomm в области мобильных процессоров обусловлен удовлетворением потребностей беспроводной связи с помощью чипсетов Snapdragon.
Финансовые прогнозы: разработайте подробные финансовые прогнозы. MediaTek вышла на рынок с экономичными чипсетами, ориентированными на смартфоны среднего класса, завоевав значительную долю рынка.

Формирование команды:
Подбор персонала: соберите команду, которая разделяет ваше видение. Сочетайте техническое мастерство с деловой хваткой, формируя команду, преданную целям вашей компании.
Культура сотрудничества: поощряйте инновации и командную работу. Создавайте среду, в которой креативность процветает благодаря сотрудничеству и общей миссии.

Защита интеллектуальной собственности:
Работайте с юристами, чтобы подать патенты для защиты ваших полупроводниковых разработок, алгоритмов и инноваций. Реализуйте надежные меры по защите коммерческой тайны и конфиденциальной информации в вашей организации.

Партнерства и цепочка поставок:
Отношения с литейными заводами: Установите партнерские отношения с литейными заводами, способными производить ваши проекты в требуемых масштабах и качестве.
Сеть поставщиков: Создайте надежные отношения с поставщиками. Broadcom закупает компоненты по всему миру, обеспечивая стабильные поставки для своего разнообразного портфеля полупроводников.

Стратегия финансирования:
Идеальный питч: Создайте убедительный питч для привлечения инвесторов, которые понимают вашу отрасль и готовы поддержать ваше предприятие.

Начиная с малого: Рассмотрите возможность первоначального самостоятельного финансирования. Ambarella изначально самостоятельно финансировала свою разработку полупроводников для сжатия видео, прежде чем завоевать интерес инвесторов.

Проектирование и разработка:
Инвестиции в НИОКР: Выделите ресурсы на исследования и разработки инновационных полупроводниковых проектов, адаптированных к потребностям рынка.

Инвестиции в технологии: Оснастите себя первоклассными инструментами проектирования и программным обеспечением, необходимыми для проектирования и проверки полупроводников.

Тестирование и проверка:
Обеспечение качества: внедрение строгих протоколов тестирования для обеспечения соответствия ваших полупроводниковых проектов стандартам качества, производительности и надежности до их запуска в производство.
Итеративная разработка: постоянное повторение и совершенствование проектов на основе результатов тестирования и проверки для повышения производительности и надежности.

Выход на рынок:
Маркетинговая стратегия: Разработайте комплексную маркетинговую стратегию для эффективного представления ваших полупроводниковых продуктов. Определите каналы сбыта, которые эффективно охватывают ваших целевых клиентов.
Создание альянсов: Сформируйте стратегические партнерства или сотрудничество с игроками отрасли, чтобы расширить свой рыночный охват и способствовать принятию продукта.

Запуск компании по производству полупроводников без собственных производственных мощностей требует сочетания технических знаний, деловой хватки, стратегического планирования и адаптивности. Ключевым моментом является тщательное выполнение каждого шага с одновременным реагированием на изменения рынка и технологические достижения.

Выбор правильных партнеров и инструментов имеет решающее значение для успеха компании без собственных производственных мощностей. Ниже приведены основные соображения, связанные с выбором этих важных организаций:

Выбор идеального партнера по производству:

Выбор правильного партнера по производству включает оценку различных факторов:

Согласование технологий: Ведущие кристальные производства, такие как TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), Samsung Foundry и GlobalFoundries, предлагают разнообразные узлы процесса, удовлетворяющие различные потребности в проектировании микросхем.

Качество и выход: такие кристальные производства, как TSMC и Samsung Foundry, имеют проверенную историю высококачественного производства микросхем и надежных выходов, что гарантирует успех микросхем и конкурентоспособность на рынке.

Поддержка и услуги: такие кристальные производства, как TSMC и GlobalFoundries, предоставляют надежные услуги поддержки и сотрудничества, что имеет решающее значение для бесперебойного производства микросхем.

Рисунок 3: Доход (в долларах США) 10 крупнейших литейных заводов полупроводников к первому кварталу 2023 г.

Определение лучшего поставщика программного IP:
Выбор поставщика программного IP включает оценку предложений и поддержки IP:

Портфель IP: такие поставщики, как Synopsys, ARM и Cadence Design Systems, предлагают обширные библиотеки, охватывающие различные ядра IP, предоставляя компаниям без собственных производственных мощностей широкий спектр функциональных возможностей.

Качество и настройка: такие компании, как ARM и Synopsys, известны своими высококачественными настраиваемыми ядрами IP, что позволяет дифференцировать дизайн микросхем.

Поддержка и обновления: ARM и Synopsys, среди прочих, предлагают регулярные обновления и надежные службы поддержки, что гарантирует надежность и совместимость их ядер IP.

Рисунок 4: Доля рынка 5 ведущих поставщиков интеллектуальной собственности для проектирования

Выбор правильных инструментов EDA:
Выбор инструментов автоматизации электронного проектирования (EDA) существенно влияет на проектирование микросхем:

Возможности инструментов: такие лидеры отрасли, как Synopsys, Cadence и Mentor (бизнес Siemens), предлагают комплексные наборы инструментов EDA, охватывающие различные этапы проектирования, обеспечивая эффективность и производительность.

Совместимость и интеграция: Synopsys, Cadence и Mentor предоставляют инструменты, которые легко интегрируются в процесс проектирования, избегая проблем совместимости и оптимизируя процесс проектирования.

Поддержка и обучение: эти поставщики предлагают надежную поддержку, обучение и сообщества пользователей, позволяя компаниям без собственных производственных мощностей эффективно использовать свои инструменты.

Рисунок 5: Доля мирового рынка EDA в 2021 г.

Создание компании по производству полупроводников без собственных производственных мощностей — это большой вызов, но также и шанс для инноваций. Речь идет не только о производстве чипов, но и о формировании будущего технологий. Помните, что командная работа и партнерство имеют ключевое значение. Принимайте вызовы как возможности для создания чего-то нового. Оставайтесь гибкими в меняющемся мире и развивайте культуру творчества. Ваша компания — это не просто бизнес, это история в процессе становления, формирующая будущий мир технологий.

Обзор технических мероприятий и графика (от спецификации до прототипов)

В следующем разделе описывается процесс для стартапа по производству полупроводников без собственных производственных мощностей, от первоначальной спецификации до окончательного тестирования продукта и оценки стоимости.

Процесс можно в целом разделить на фронтенд и бэкенд проектирование, за которыми следуют производство и тестирование. Типичный график может выглядеть следующим образом (время является приблизительным и сильно зависит от сложности):

Фаза 1: фронтенд проектирование (4-6 месяцев)

Определение спецификации и архитектуры (1 месяц): подробное определение функциональности чипа, целевых показателей производительности, энергопотребления и требований к интерфейсу. Это включает в себя создание схемы архитектуры на уровне системы и определение ключевых спецификаций.

Проектирование и проверка RTL (2-3 месяца): написание кода уровня передачи регистров (RTL) с использованием языка описания оборудования (HDL), например Verilog или VHDL. Это включает в себя обширное моделирование и проверку для обеспечения функциональности и правильности синхронизации. На этом этапе часто используются такие инструменты, как ModelSim или QuestaSim.

Синтез и оптимизация (1 месяц): перевод кода RTL в список соединений на уровне вентилей, оптимизация по площади, мощности и производительности. Обычно используются такие инструменты, как Synopsys Design Compiler.

Фаза 2: Back-End Design (3-4 месяца)

Планирование и размещение (1 месяц): размещение логических блоков и площадок ввода-вывода на кристалле чипа. Это имеет решающее значение для оптимизации маршрутизации сигналов и минимизации задержек. Часто используются такие инструменты, как Cadence Innovus.

Маршрутизация (1 месяц): соединение логических блоков и площадок ввода-вывода с использованием металлических слоев. Цель этой фазы — минимизировать задержки сигналов и обеспечить целостность сигнала.

Физическая проверка (1 месяц): комплексные проверки для обеспечения соответствия конструкции правилам технологичности (DRC/LVS) и временным ограничениям (STA). Сюда входят такие инструменты, как Calibre и PrimeTime.

Tapeout (1-2 недели): последний этап перед производством, на котором данные проекта отправляются в литейный цех.

Фаза 3: Производство и тестирование (2-4 месяца)

Изготовление пластин (кристальные производства): кристальное производство изготавливает пластины на основе данных tapeout.

Тестирование пластин: Начальное тестирование пластин для выявления дефектных кристаллов.

Упаковка: Рабочие кристаллы упакованы.

Финальное тестирование: Комплексное тестирование упакованных чипов для обеспечения функциональности и надежности.

Оценка бюджета: Проектирование, Инструментарий, Разводка

Оценка бюджета требует тщательного рассмотрения нескольких факторов:

Расходы на проектирование: зарплаты инженеров, лицензии на программное обеспечение EDA (Synopsys, Cadence, Mentor Graphics), расходы на облачные вычисления для моделирования и проверки. Это может варьироваться от 100 000 до 1 000 000 долларов США в зависимости от сложности чипа.

Расходы на оснастку: расходы, связанные с лицензиями на программное обеспечение EDA, масками для изготовления и потенциально прототипными платами. Это может варьироваться от 50 000 до 200 000 долларов США за рабочее место.

Расходы на ленту: литейный завод взимает плату за производственный процесс, который зависит от узла процесса, размера кристалла и количества. Это может варьироваться от 100 000 до 1 000 000 долларов США за первую ленту.

Квалификация

Квалификация включает в себя тщательное тестирование, чтобы гарантировать, что чип соответствует своим спецификациям и требованиям надежности в различных условиях эксплуатации. Обычно это включает:

Испытания на воздействие окружающей среды: испытания в условиях экстремальных температур, влажности и вибрации.

Испытания на надежность: ускоренные испытания на долговечность для прогнозирования долгосрочной надежности.

Испытания на электростатический разряд (ESD): испытания устойчивости чипа к событиям ESD.

Испытания на соответствие: обеспечение соответствия чипа соответствующим отраслевым стандартам (например, автомобильным, медицинским).

Тестирование

Тестирование имеет решающее значение на протяжении всего процесса проектирования и производства. На разных этапах используются различные методы тестирования:

Моделирование: проверка функциональности и производительности конструкции с использованием программного моделирования.

Тестирование зонда пластины: тестирование отдельных кристаллов на пластине перед упаковкой.

Функциональное тестирование: тестирование упакованных чипов на функциональность.

Тестирование надежности: тестирование долгосрочной надежности чипов.

Выбор упаковки

Выбор упаковки зависит от таких факторов, как размер, рассеиваемая мощность, стоимость и требования к вводу/выводу. Варианты включают:

QFN (Quad Flat No-leads): небольшой, низкопрофильный корпус, подходящий для приложений с ограниченным пространством.
BGA (Ball Grid Array): корпус с большим количеством вводов/выводов, подходящий для высокопроизводительных приложений.

Оценка себестоимости единицы продукции (пластина, упаковка, стоимость тестирования)

Для оценки себестоимости единицы продукции требуется подробная информация от литейного и упаковочного цехов:

Стоимость пластины: стоимость одной пластины, деленная на количество используемых кристаллов на пластину. (используйте эту форму для получения ценовых предложений на пластину)
Стоимость упаковки: стоимость одной упаковки. (используйте эту форму для получения ценовых предложений на корпус ИС)
Стоимость тестирования: стоимость одной микросхемы для тестирования. (используйте эту форму для получения ценовых предложений на испытания ИС)

Общая себестоимость единицы ИС = стоимость пластины + стоимость упаковки + стоимость тестирования

Субподрядчики (зачем они нужны и как их найти)

Внештатные специалисты и субподрядчики по полупроводникам необходимы для стартапов без собственных производственных мощностей из-за специализированных знаний и оборудования, необходимых для производства и тестирования микросхем. Они занимаются:

Проектирование ASIC: проектированием вашей ASIC
кристальные производства: производство пластин.
Упаковочный цех: упаковка микросхем.
Испытательный цех: проведение тестирования.
Поставщики инструментов EDA: предоставляют программное обеспечение для проектирования.

Ссылки:
Рейтинг: Крупнейшие компании по производству полупроводников по доходам. Маркус Лу.
Модель ASIC против модели COT: https://anysilicon.com/asic-model-vs-cot-model/
Борьба за производство полупроводников, Четан Арвинд Патил.