芯片 && 半导体
一、芯片概念
芯片和半导体是同一个事物的两个名字，芯片是半导体产业的产品，半导体是用来做芯片的材料。
半导体，在不同电流控制下可以表现出不同的导电，或者不导电的特性。
电子管——>晶体管——>集成电路
缩小晶体管体积 -> 扩大集成电路规模 -> 构建性能更强价格更优的电子设备 -> 再次缩小晶体管体积 -> 构建更大规模的集成电路支持更多功能 -> 构建新一代性能更强价格更优的电子设备
28nm、20nm、14nm、10nm、7nm、5nm
基本上这是个相邻两个数字差 0.7 倍的数字序列，你看，10nmx0.7=7nm，7nmx0.7≈5nm，都是这样的规律。如果把晶体管的特征尺寸理解成正方形的边长，边长缩小 0.7 倍，0.7x0.7=0.49，那么一个正方形的面积就相当于小了一半。
摩尔定律：半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每隔 24 月增加一倍。
指令集：X86、ARM、RISC-V
什么叫指令集呢？业界泰斗、ACM 和 IEEE 两院院士、2017 年图灵奖得主、RISC-V 基金会的董事会副主席 David Patterson 给了非常通俗易懂的定义：软件通过一个专业词汇上称为指令集的东西和硬件讲话。
ISA= 指令集 = 架构，都是一个意思。实现了一个指令集的 CPU 叫微架构。
我给你举个例子，ARMv8，这是一个指令集，也是一个架构版本。ARM 的 Cortex-A72 处理器，就是一个实现了 ARMv8 指令集的具体 CPU，是一个微架构。ARM 的 Cortex-A72 是一个支持 ARMv8 指令集的 CPU IP，就是一堆 RTL 代码。瑞芯微的 RK3399 芯片就是一个集成了 2 个 Cortex- A72 之后的芯片，是一个物理体，这个芯片支持 ARMv8 指令集。凡是支持 ARMv8 的软件，都可以在 RK3399 上运行。
x86，并不是一个公开授权的指令集，对于新入局者来说，做 x86 指令集的机会几乎微乎其微。
相对来说，ARM 和 RISC-V 都是开放授权的指令集。
https://developer.arm.com/documentation/ddi0487/ga
http://riscvbook.com/chinese/RISC-V-Reader-Chinese-v2p1.pdf
二、半导体行业
应用处理器——AP（Application Processor）
集成电路的英文是 Integrated Circuit，数字 IC 就是数字集成电路。
数字集成电路可以简洁地分为，做计算控制的逻辑芯片和保存数据的存储芯片。不过业界习惯，把标准程度非常高的 CPU、GPU、MCU 合并为 MPU 微处理器来单独统计，把应用相关度高的 ASIC（下文会解释）和 SoC 算作逻辑芯片。
CPU（Central Processing Unit）
GPU（Graphics Processing Unit）也叫图形处理器。
简单来说，0 和 1，就是数字信号。而声音、光、气压、无线电信号（Radio Frequency，也被翻译成射频，射频信号），这些现实中的信号，基本上都是连续的信号，而不是简单的用“有 -1”，“无 -0”来表示，它们都是模拟信号。
- 在半导体行业中，超过 80% 的产品是集成电路芯片，因此我们在日常中常把芯片、半导体、集成电路三者混用。但其实，集成电路之外，半导体产品还有光电器件、传感器和分立器件，行业内称为 O-S-D；
- 集成电路芯片主要分为数字 IC 和模拟 IC，数字 IC 强调运算速度，模拟 IC 强调高信噪比、低失真、低耗电和高稳定性，生命周期更长；论销售额，数字芯片有绝对优势，但是如果论出货量，模拟芯片量大过数字芯片。
- 数字 IC 中主要就是 CPU 处理器和存储器。CPU 是重中之重，行业明珠的地位。无论是 Intel，还是苹果，都是靠 CPU 站在行业第一的位置的。一部 iPhone 手机，基本上用到了半导体产品的全部种类。
- 一部小小的手机，是整个行业的缩影。选车要看发动机，我希望你在选择下一部手机的时候，也能看看它的芯片。
三、苹果A11芯片
1）集成电路——数字IC
苹果的这颗A11 处理器的细节，它集成了 6 颗 ARMv8 的 CPU 核，2 大 4 小；3 颗 GPU 核，一个神经网络处理器 NPU 用来加速人工智能算法，一个（照相机）图像信号处理器 ISP，是一颗高度集成的 SoC (系统级芯片，System-on-Chip)。
在 A11 下面其实还压着一个存储芯片 DRAM（动态随机存取存储器，Dynamic Random Access Memory）。
iPhone X 还有一块重要的存储芯片，东芝的 NAND Flash。
DRAM 和 NAND Flash 的区别很好理解。类比下，在 PC 机上，我们俗称的内存条，其实就是 DRAM，固态硬盘（SSD）就是 NAND Flash。
DRAM 存取速度快，因此手机运行时的数据，都存放在 DRAM 中，方便应用处理器随时存取。这也是 iPhone X 的应用处理器和 DRAM 紧密贴在一起的缘故。而在最新一代的苹果应用处理器中，采取先进封装技术，干脆把 DRAM 和 AP 封装在一起，更加紧密了。
NAND Flash 存储容量较大，而且掉电之后数据也不丢失。因此手机里的照片、记事本，都装在 NAND Flash 里。iPhone X 配的是 4GB DRAM、64G/256G NAND Flash。
2）集成电路——模拟IC
Quadplexer 四路复用器芯片，实现手机芯片频段载波聚合功能，载波聚合，是一种增加传输带宽的手段，把几个分散的频段通道整合成为一个更宽的数据通道；RF Switch 射频开关芯片，处理无线信号通道转换；NFC 芯片，用来处理近距无线通讯信号的；Wireless Charging 芯片，这个你熟悉，支持无线充电；还有 Audio Amp 音频放大器芯片等等，这些就都是在 iPhone X 中的模拟 IC。
总的来说，射频器件、电源管理装置和数模 / 模数转换器是模拟 IC 的三大主要产品。
- 射频器件是处理无线电信号的核心器件，包括 5G 信号、蓝牙、WIFI、NFC 等，凡是需要无线连接的地方必备射频器件，手机是射频器件的一个重要应用场景。
- 任何电子设备都需要电源管理装置。电源管理芯片的任务就是完成电能的变换、分配、检测及其它电能管理。电源管理芯片占模拟芯片销售份额接近三成。射频芯片和电源管理芯片在手机里非常重要。
- 模数和数模转换器是模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路。A/D 是模拟量到数字量的转换， D/A 是数字量到模拟量的转换，它们的道理是完全一样的，只是转换方向不同。例如我们要播放一首歌曲，歌曲是以数字形式存储的，手机经过一系列的数模转换，把数字信号变成连续的声音信号，通过麦克风播放出来，这就是一个 DAC(Digital to Aanalog Controller, 数模转换器) 数模转换过程。
3）O-S-D
光电器件、分立器件和传感器，行业内称为 O-S-D。
- iPhone X 用的三星产的 AMOLED 手机屏，就是光电器件。
- 手机里的 6 轴加速器 / 陀螺仪、电子罗盘、颜色传感器、气压传感器等都属于传感器。
- 分立器件，其实就是单独包装的晶体管。多个晶体管集成起来，就是集成电路，而仍然单独封装的晶体管，就是分立器件。我看过一份资料，在 2004 年，手机上有 300 多个分立器件，现在么，这个确切的数字已经查不到了，能集成在一起的都尽量集成起来
2017 年的发布的 iPhone 8，采用的应用处理器 A11，43 亿晶体管，88mm² 指甲盖大小的面积，2 亿手机销量，160 亿美金的总价值。
四、芯片诞生及半导体芯片行业的运作模式
https://www.techinsights.com/blog/apple-iphone-x-teardown
一颗芯片的诞生，第一步就是芯片设计，有几个重点，简单给你总结一下。
- 芯片项目是人类历史上最细微也是最宏大的工程，研发投入大，项目收益高。
- 在需求分析之后，进入芯片设计过程。芯片的设计过程可分为两个部分，分别为：前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理实现），这两个部分并没有统一严格的界限，凡涉及到与工艺有关的设计都可称为后端设计。
- 一颗芯片做得好不好，在决策阶段取决于市场需求理解的是否深刻，在逻辑设计阶段取决于工程师的能力强不强，而在物理实现阶段基本取决于 EDA 工具玩得好不好。
- 整个芯片设计流程是一个设计，优化，验证的不断迭代的过程。
半导体芯片行业的运作模式：（IDM/Fabless/Foundry模式）
1、IDM（Integrated Device Manufacture）模式
主要的特点如下：集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身；
早期多数集成电路企业采用的模式；目前仅有极少数企业能够维持。
主要的优势如下：设计、制造等环节协同优化，有助于充分发掘技术潜力；能有条件率先实验并推行新的半导体技术（如FinFet）。
主要的劣势如下：公司规模庞大，管理成本较高；运营费用较高，资本回报率偏低。
这类企业主要有：三星、德州仪器（TI）。
2、Fabless（无工厂芯片供应商）模式
主要的特点如下：只负责芯片的电路设计与销售；将生产、测试、封装等环节外包。
主要的优势如下：资产较轻，初始投资规模小，创业难度相对较小；企业运行费用较低，转型相对灵活。
主要的劣势如下：与IDM相比无法与工艺协同优化，因此难以完成指标严苛的设计；与Foundry相比需要承担各种市场风险，一旦失误可能万劫不复
这类企业主要有：海思、联发科（MTK）、博通（Broadcom）
“轻晶圆厂”（fab-light）或“无晶圆厂”（Fabless）
3、Foundry（代工厂）模式
主要的特点如下：只负责制造、封装或测试的其中一个环节；不负责芯片设计；可以同时为多家设计公司提供服务，但受制于公司间的竞争关系。
主要的优势如下：不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等决策风险。
主要的劣势如下：投资规模较大，维持生产线正常运作费用较高；需要持续投入维持工艺水平，一旦落后追赶难度较大。
这类企业主要有：SMIC（中芯国际）、UMC(联华电子—联电)、Global Foundry(格芯)、台积电(tsmc)。
五、行业Top厂商
一流企业定标准，二流企业做品牌，三流企业做产品。
硬件行业的 3 次风口：第一次 PC；第二次手机与移动互联网；第三次就是 AI+5G+IoT。
有“最懂经济的市长”之称的黄奇帆说，一个公司的成功三要素是：市场、资金和技术。
Intel 是处理器芯片第一，三星是存储芯片第一。
Intel： 从 2005 年到 2015 年，Intel 提出 Tick-Tock 战略，持续领跑 ICT 行业。
完败存储器市场，选择 CPU 作为主产品。
三星存储芯片业务：逆周期投资。
GAA（Gate-All-Around，环绕式栅极技术）/韩国的现代（2001 年后改称 SK 海力士）
一家并不是最新工艺的晶圆厂的建设成本为 30 亿美金，每年的折旧成本 + 运营成本约为 10 亿美金，这意味着半导体公司的营业额，必须在 50 亿美金以上。
2020 年无厂半导体设计公司的收入来看，只有 5 家公司：高通、博通、英伟达、AMD 和联发科够这个标准（排在第 6 的 Xilinx 收入是 30 亿美金）。
台积电：无厂设计公司 + 代工厂模式。英文简称：tsmc。
多年来，台积电一直保持着“高投入 - 低成本 - 高销量 - 高投入”的正向循环。
六、中国的半导体行业
1、2000 年之前：国家计划与政策扶持
https://mp.weixin.qq.com/s/vi3W65JSnDZFnWk0Ds_EeQ
“八五”规划，全国重点支持的 5 个集成电路重点企业：无锡华晶、绍兴华越、上海贝岭、上海飞利浦和北京首钢日电 。
中国的半导体产业初期服务军工，自研能力不低，但是几乎全是国有企业。离开了政策的扶持，离开了军工的订单，这些国企并没有很好的度过军转民这一个弯，甚至在 80 年代改革开放后，进口半导体产品的冲击下，几乎停滞。2000 年左右，中国芯片设计公司，不足 100 家，总收入不到一亿美元。
2、2000 年 -2014 年：市场带动产业发展
2000年，中芯国际成立。是大陆第一大晶圆代工厂。
电信市场：90年代，当时有“巨大中华”之称的四大公司，包括巨龙通信、大唐电信还有华为和中兴。
海思半导体公司(麒麟)和中兴微电子技术有限公司。
手机市场：展讯。锐迪科（RDA）——是射频 IC、混合信号芯片和手机功率放大器 PA 的专家。
比特币矿机：比特大陆和嘉楠耘智。
靠白牌平板电脑起家的瑞芯微、全志。凭借 NOR Flash 芯片进入苹果供应链的兆易创新，还有核高基项目重点支持的 CPU 公司：兆芯、龙芯、飞腾、海光等。还有 2014 年，长电科技以 7.8 亿美元收购新加坡星科金朋，成为全球封测第三。
3、2014 年后：投资产业时代
国家集成电路产业大基金，简称大基金。
紫光集团
全球主要晶圆代工厂市占率及产能
截至目前，三星与台积电是全球仅有的两家能够量产7nm和5nm芯片的晶圆厂。
七、张忠谋讲半导体简史
半导体的电导性介于导体（如金属）与绝缘体（如木头）之间，所以称为半导体。
1948年以前，半导体还只是一个科学家，特别是物理学家才知道的名词。
1948 年，美国最大的电信公司 AT&T，其旗下的贝尔实验室，是世界第一流的研究机构。贝尔实验室有三位物理学家，肖克利是领袖，巴丁和布拉顿不太服他，可是他们三个合作发明了基于半导体的电晶体（晶体管，transistor）——它可以不断缩小尺寸。1952年，AT&T开放。半导体和电脑开始平行发展。
1958 年，德州仪器的杰克·基尔比和仙童半导体及 Intel 的联合创办人罗伯特·诺伊斯几乎同时发明了集成电路。
1965 年的摩尔定律。
1980 年代至今，半导体应用快速扩展，IBM 发布 PC，把 PC 普遍化。
半导体产业的分工从 1960 年代开始，先分出来封装与测试，在低工资的地区做，包括台湾、菲律宾、新加坡、香港，甚至日本。然后再到芯片设计，再到晶圆制造。1987 年，张忠谋在台湾成立崭新商业模式的台积电，专门从事晶圆制造服务。
八、扩展阅读
张忠谋演讲-珍惜台湾半导体晶圆制造的优势
揭秘全球硅片产业变迁历史及未来中心
