半導體產業怎麼分工？有哪些商業模式？要怎麼理解半導體市場？本文帶你看。
你是否曾經對半導體產業感到好奇？台灣半導體產業有著「矽盾」美名，同時又讓人擔心，在地緣政治變遷下，會不會反而「懷璧其罪」，因此，我們有必要了解半導體產業。本文從不同方式介紹半導體產業，包含商業模式的差異、分工的差異、市場產品的分隔、供應鏈環節等。
半導體產業背景知識
如何理解半導體產業？
有許多種方式理解半導體產業，本文會從四個視角出發，分別是供應面、市場面、商業模式、時代變化，介紹半導體產業。
從「商業模式」區分，會以經營方式區分產業中的廠商，例如專注於晶圓代工廠業務的台積電，還有強攻IC設計的高通與聯發科，以及做到垂直整合的英特爾等。
從「市場面」觀察，我們可以利用「產品」的市場需求，定義半導體市場的規模，例如將產品拆解成記憶體與非記憶體，或者是細分為電腦運算、通訊、車等。以半導體產業協會公布的2022年全年統計，全球半導體市場規模為5741億美元（2021年為5559億美元）。
從「供應面」觀察，則不只考慮產品，還會把生產產品前後的所有相關產業都納入。因此，在IC設計、製造、封測以外，還會納入電子設計自動化（EDA）、矽智財、材料設備，以及設備、原料、零件通路等，因此「半導體產業產值」規模會比只考慮「半導體市場規模」還大。
從「分工的時代變化」區分，則是細數半導體產業分工模式的變化，如何從最初的垂直整合，展開精細的分工，也就是後面竄出的純IC設計廠，還有純晶圓代工廠，再往後又是如何重新迎向所謂「分整合」的時代。
半導體、晶圓、晶片的關係
半導體（semiconductor）是有特殊性質的材料，半導體能夠製作成半導體元件（semiconductor devices），半導體元件構成晶圓（wafer），晶圓是晶片（chips）的載體，晶片又被稱為集成電路（integrated circuit）。總結來說，晶片是半導體的應用產品。
- 半導體是一種導電率會變化的材料
- 這種材料具有特殊物理性質，它的電導率（導電程度）介於導體和絕緣體之間，不施加電壓時它不會導電，若從外部施加電壓，就可以改變它的導電能力、讓電導率發生變化。最常見應用於商業的半導體材料有矽（Si）與鍺（Ge）。
- 半導體可以製作成半導體元件
- 半導體可以製作成半導體元件，例如二極體與電晶體，二極體能讓電流單向通過，電晶體則讓電流雙向通過。活用上述的導電變化特性，可以執行特定電子功能，讓晶片得以運作。
- 晶圓由半導體材料組成
- 晶圓由半導體材料，如矽、鍺、碳化矽等所組成。製作出矽晶棒後去掉頭尾，接著研磨成所需尺寸，再將其切割成一片一片，得到的成品即為晶圓。然後對晶圓拋光，去除表面的缺陷和雜質，就會得到成品。
- 晶圓上可以製造出半導體元件
- 在晶圓上按照電路設計圖，通過一系列微電子製造過程，就能製造半導體元件。例如，一個晶片上可能包含數十億個二極體、電晶體、電阻、電容等半導體元件，形成具有計算、儲存、通訊等功能的電子設備。我們也可以反過來說，晶圓是半導體元件的載體。
- 切割晶圓後會得到晶片
- 前面提到晶圓上能製造出半導體元件，接著會以電路連接元件，這兩者構成集成電路／積體電路（IC，integrated circuit）。再將晶圓切割，就會得到很多晶片，每個晶片都是集成電路，所以平常才會用IC稱呼晶片。
半導體的製程節點是什麼？
講到台積電，民眾除了討論股價，另一個熱門話題是台積電到美國、日本設廠，將會導致技術外流將，使得台積電作為台灣「矽盾」的優勢不再，例如美國廠2024年生產4奈米、2026年生產3奈米。
對於這種看法，政府相關人士則會反駁，所謂先進製程，將會留在台灣；外媒也表示，對比同期台灣技術，美國採用的已非最先進的技術。究竟，這裡使用的奈米是什麼？
根據《晶片對決》（尹啟銘著，2023）書中所述，討論半導體產業用到的奈米一詞，其實和電晶體有關。半導體晶片上，會放置許多電晶體，而電晶體閘極的長度就被稱為「製程節點」（node），所謂10奈米、3奈米、2奈米，指的就是這個電晶體閘極長度。
著名的摩爾定律（Moore’s Law）預測，半導體晶片上，單位面積電晶體的數量平均每1.5年，就會增加一倍。想要增加數量，意味著電晶體的體積縮小，讓性能（如速度）提升，所以新聞上提到廠房的製程越先進，製程節點就會越小。
當然，想要縮小電晶體的體積，代表電晶體結構和製程技術都要提升，這就是各家半導體製造廠商要努力的地方。因此，有另一個洛克定律（Rock’s Law），預測生產半導體處理器的建廠成本每4年會加倍，能夠負擔如此成本的企業因此越來越少。
這張表格，清楚呈現出想在製程上維持領先的不容易：
半導體產業詳解
半導體產業如何分工？
半導體產業在不同時期的分工方式不同。根據《矽島的危與機：半導體與地緣政治》（黃欽勇、黃逸平合著，2022）整理，可將半導體產業的分工變化分為以下四個時期：
- 1950-1970「垂直整合時代」：因應下游終端產品需求，向上研發所需半導體，也會自行生產半導體所需材料設備，也就是一條龍包辦整個生產流程。代表企業有IBM、西門子、夏普、飛利浦等。
- 1970-1990「系統與IC分離」：終端系統產品和半導體分離，出現獨立製作半導體的公司，也有大集團的半導體事業以自有品牌銷售半導體。代表企業中，半導體專業公司如英特爾、Fairchild，企業開創專門事業部的如NEC、東芝、日立。
- 1990-2010「設計與製造代工」：設計與製造流程獨立，展開專業分工，出現更多IC設計公司，以及專攻晶圓製造的晶圓代工廠，還有下游的封測廠，代表企業有高通、博通、台積電等。
- 2010至今「分整合時代」：面向消費者的品牌如蘋果、谷歌和特斯拉等，都有專屬於自家的晶片需求，自行跳下設計後，再將製造委託給代工廠如台積電與三星。代表企業有蘋果、谷歌、微軟等。
半導體產業商業模式有哪些？
主要可以分為三種模式：IDM、Fabless、Foundry/OSAT。
- IDM（Integrated Device Manufacturer）：整合元件製造商
- IDM模式指一家企業包辦半導體設計、製造、封測等所有環節，是半導體產業最早出現的商業模式。
- IDM模式的優點是可以實現上下游的垂直整合，從而提高效率和降低成本。但IDM模式的缺點是需要投入大量的資金和技術，門檻較高。隨的專業分工變得更細，例如晶圓製造對先進製程的投資，無論是研發技術，或者是建制廠房與添購設備都耗資甚巨，讓英特爾在與台積電爭霸時，陷入困境。
- 世界上著名的IDM公司有英特爾、三星、德州儀器；台灣的IDM廠有旺宏(2337)、華邦電(2344)等。
- Fabless：無晶圓廠的半導體公司
- Fabless模式指一家企業專注於半導體設計，而將製造環節外包給晶圓代工廠，是半導體產業近年來發展迅速的商業模式。請注意，這些公司是會販售晶片的，只是將晶片生產外包出去，因此晶片會掛在企業品牌之下，例如高通驍龍（Snapdragon）、聯發科天璣（Dimensity）等。
- Fabless模式的優點是可以降低企業的資本投入和風險，提高企業的靈活性和應變能力。但Fabless模式的缺點是需要與晶圓代工廠密切合作，才能確保產品的品質和良率，例如NVIDIA和AMD都和台積電緊密合作。
- 世界上著名的Fabless公司有高通、輝達、超微；台灣的Fabless廠有聯發科(2454)、瑞昱(2379)等。
- Foundry 與 OSAT：晶圓代工廠與封測廠
- Foundry模式代表「有工廠」，恰好與Fabless對比，是指一家企業專門從事半導體製造，為客戶提供晶圓製造服務，是半導體產業中重要的環節。OSAT則是指專注封裝測試環節的廠商。
- Foundry模式的優點是可以降低客戶的資本投入和風險，提高客戶的靈活性和應變能力。但Foundry模式的缺點是需要具備先進的製造技術和設備，才能滿足客戶的需求，若不具有資本，或者有資本但跟不上領跑者的腳步，則可能要轉換策略，不再向先進製程投入、轉向成熟製程。
- 世界上著名的Foundry廠有格羅方德、中芯國際；台灣的Foundry廠有台積電(2330)、聯電(2303)等；OSAT以台灣的日月光和矽品(股票下市，合組日月光投控3711)、南茂(8150)最有名。
除了上述三種商業模式以外，半導體產業鏈還有其他環節，例如IC設計階段，會求助EDA與設計服務公司；另外還有提供半導體設備的企業如ASML，這些公司就不能用上述三種商業模式歸類。
半導體市場有哪些產品？市場有多大？
前面提過，2022年全球半導體市場規模為5741億美元，2021年為5559億美元，具體區分方式可以用記憶體與非記憶體的產品區分，也能用品牌的母國區分。
以記憶體 vs. 非記憶體分
- 記憶體市場約占35%，主要業者有三星、SK海力士、美光、鎧俠
- 非記憶體市場約占65%，包含微元件與邏輯晶片，
以生產企業母國分
- 美國占49.3%，記憶體代表企業有美光，非記憶體市場則有英特爾、德州疑義、高通、輝達、超微等，主要生產邏輯運算晶片
- 韓國占19.2%，主要仰賴生產記憶體的三國與SK海力士，主導記憶體生產產業
- 台灣占9.7%、歐系廠商占8.5%、日系廠商占6.6%、中國占6.1%
半導體產業供應鏈怎麼拆分？
2021全年，半導體產業總產值為8943億美元。其中，IC設計與IDM合計創造5560億美元產值，這也就是2021年全球半導體市場規模。。因此，我們可理解，半導體產業總產值，等於賣出去的半導體產品市場（IC設計跟IDM），再加上其他生產環節，包含晶圓代工、封裝測試、設計端、設備與材料端等。
根據Digitimes在2022年整理的資料，2021年半導體產業供應鏈各個區段的產值占比如下：
- IC設計占21%
- IDM占41%
- 晶圓代工占12%
- 封裝與測試占4%
- EDA/IP/設計服務占2%
- 設備/材料占19%
