芯耀
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通過(guò)學(xué)習(xí)曲線預(yù)測(cè)單個(gè)晶體管的成本和收入
圖 1 是晶體管的學(xué)習(xí)曲線，它是半導(dǎo)體行業(yè)所有可用的預(yù)測(cè)參數(shù)中最基本的一個(gè)，甚至比摩爾定律還重要。從圖中可以看出，自從 1954 年以來(lái)，單個(gè)晶體管的收入（可能單個(gè)晶體管的成本也遵循這條曲線，如果我們有來(lái)自半導(dǎo)體制造商的數(shù)據(jù)的話）遵循一條高度可預(yù)測(cè)的學(xué)習(xí)曲線。在摩爾定律問(wèn)世之前，這條學(xué)習(xí)曲線指引著半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的方向。德州儀器利用這條曲線構(gòu)建了自己的戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)，并把其數(shù)據(jù)分享給波士頓咨詢(xún)集團(tuán)，后者基于這些數(shù)據(jù)出版了一本名為“觀察經(jīng)驗(yàn)”的書(shū)。在鍺和硅分立晶體管時(shí)代，TI 這樣的公司可以使用學(xué)習(xí)曲線指導(dǎo)其企業(yè)經(jīng)營(yíng)，比如，基于所生產(chǎn)的前 1000 片器件的單片成本預(yù)測(cè)生產(chǎn) 10 萬(wàn)片器件后的單片成本。那么，他們可以根據(jù)這種預(yù)測(cè)，對(duì)最初上市的產(chǎn)品進(jìn)行初步定價(jià)，即使這種定價(jià)實(shí)際上是虧本的，但是這種定價(jià)可以幫助他們獲得領(lǐng)先的市場(chǎng)份額，從而在未來(lái)的大規(guī)模銷(xiāo)售中實(shí)現(xiàn)更大的盈利，收獲更大的市場(chǎng)影響力。需要說(shuō)明的是，德州儀器并不是學(xué)習(xí)曲線的發(fā)明者，它的問(wèn)世時(shí)間要回溯至晶體管發(fā)明前的將近 100 年 -1852 年。而且，在被用于晶體管成本預(yù)測(cè)之前，它就在航空等行業(yè)找到了用武之地，人們當(dāng)時(shí)用它來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)飛機(jī)產(chǎn)量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)的單架飛機(jī)成本。后來(lái)，德州儀器把它獨(dú)特性地應(yīng)用在了新器件問(wèn)世早期的定價(jià)策略上。
圖 1. 1954 年至 2019 年晶體管的學(xué)習(xí)曲線
圖 2 顯示了學(xué)習(xí)曲線的原理?？v軸是任何可生產(chǎn)產(chǎn)品的單位成本的對(duì)數(shù)，這個(gè)產(chǎn)品可以是一個(gè)實(shí)體也可以是服務(wù)，是一種可以通過(guò)不斷復(fù)制就能創(chuàng)造價(jià)值并從中獲利的東西。公開(kāi)的學(xué)習(xí)曲線通常使用單個(gè)產(chǎn)品的收入，因?yàn)楣径疾辉敢馔嘎镀洚a(chǎn)品的成本數(shù)據(jù)。但是，這些公司自己知道產(chǎn)品的成本，而且在多年的半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展歷史中多次使用這些數(shù)據(jù)制定競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略。學(xué)習(xí)曲線的橫軸是整個(gè)生命周期中的產(chǎn)品制造數(shù)量或服務(wù)提供次數(shù)的對(duì)數(shù)。在繪制這些數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)生成一條向下傾斜的曲線。當(dāng)我們累積了更多產(chǎn)品制造或服務(wù)供應(yīng)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，我們?cè)凇皩W(xué)習(xí)”過(guò)程中的產(chǎn)品單位成本會(huì)單調(diào)下降。由于學(xué)習(xí)曲線的縱軸和橫軸取值都為對(duì)數(shù)，在曲線左端的少量生產(chǎn)數(shù)據(jù)就會(huì)勾勒出直線。隨著時(shí)間的推移，由于對(duì)數(shù)關(guān)系，顯然直線的移動(dòng)速度會(huì)變慢，因?yàn)樾枰L(zhǎng)的時(shí)間才能使產(chǎn)品的總累積單位數(shù)量增加一倍。產(chǎn)品的累積數(shù)量每增加一倍，就可以從這個(gè)曲線上發(fā)現(xiàn)單位成本降低一個(gè)固定的百分比。不同產(chǎn)品的單位成本下降速度不同，對(duì)應(yīng)于這里的百分比不同，但是在半導(dǎo)體行業(yè)中，各個(gè)產(chǎn)品的成本下降速度往往接近。
圖 2. 學(xué)習(xí)曲線是單位成本與制造總量的對(duì)數(shù) / 對(duì)數(shù)圖
更廣泛地說(shuō)，學(xué)習(xí)曲線可以用來(lái)測(cè)量任何實(shí)體商品或服務(wù)的單位生產(chǎn)成本。我們之所以到現(xiàn)在還沒(méi)有明確地觀察到這種現(xiàn)象，是因?yàn)橹挥挟?dāng)產(chǎn)品的成本以固定的貨幣進(jìn)行計(jì)量時(shí)才適用。這就意味著，必須將平減指數(shù)應(yīng)用于成本數(shù)據(jù)，以扣除由政府推動(dòng)的通貨膨脹部分。此外，學(xué)習(xí)曲線只適用于自由市場(chǎng)。在進(jìn)行實(shí)際成本的比較之前，必須扣除掉關(guān)稅、貿(mào)易壁壘帶來(lái)的成本、稅收和其它成本。學(xué)習(xí)曲線之所以在半導(dǎo)體行業(yè)中如此有價(jià)值，就在于它是全球少數(shù)幾個(gè)相對(duì)自由的市場(chǎng)之一，它的監(jiān)管力度最小，關(guān)稅最低，區(qū)域之間的運(yùn)費(fèi)成本也極低。
半導(dǎo)體學(xué)習(xí)曲線的一大優(yōu)點(diǎn)是，只要一直生產(chǎn)晶體管或者類(lèi)似的開(kāi)關(guān)器件，它們就永遠(yuǎn)適用。和它形成鮮明對(duì)比的是摩爾定律。摩爾定律很快就會(huì)過(guò)時(shí)，但是學(xué)習(xí)曲線永遠(yuǎn)不會(huì)過(guò)時(shí)。不過(guò)，隨著晶體管的累積生產(chǎn)數(shù)量已經(jīng)接近天量，橫軸上繼續(xù)向右移動(dòng)的速度會(huì)迅速下降，而且隨著摩爾定律失效后，價(jià)格也不會(huì)再像過(guò)去那樣迅速下降了。或者說(shuō)，學(xué)習(xí)帶來(lái)的效應(yīng)會(huì)明顯減弱。在某些時(shí)候，貨幣的通貨膨脹可能會(huì)大于制造成本的降低幅度，從而使得以絕對(duì)美元計(jì)價(jià)的晶體管單位價(jià)格會(huì)隨著時(shí)間增加。不過(guò)，學(xué)習(xí)曲線將始終是預(yù)測(cè)未來(lái)的有用指南。截止到現(xiàn)在，2019 年，單個(gè)晶體管的收入每年都會(huì)下降約 32%。
那些購(gòu)買(mǎi)微處理器或者片上系統(tǒng)器件的買(mǎi)家可能會(huì)意識(shí)到，從 2017 年起，單個(gè)晶體管的價(jià)格開(kāi)始以每年 32%的下降速度遞減。圖 3 解釋了這一點(diǎn)，32%這個(gè)數(shù)字適用于 2017 年生產(chǎn)的所有半導(dǎo)體元件。這是一個(gè)綜合數(shù)據(jù)，涵蓋了包括存儲(chǔ)器、邏輯器件、模擬芯片等各種不同類(lèi)型的半導(dǎo)體元件。從圖 3 中還可以看出，NAND FLAH 非易失性存儲(chǔ)器中的晶體管生產(chǎn)數(shù)量要比其它種類(lèi)多得多。當(dāng)存儲(chǔ)器的學(xué)習(xí)曲線（主要由 NAND FLASH 和 DRAM 組成）與非存儲(chǔ)器器件的學(xué)習(xí)曲線分離時(shí)，存儲(chǔ)器中每個(gè)晶體管的成本和數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了非存儲(chǔ)器器件。這沒(méi)什么，因?yàn)閷W(xué)習(xí)曲線并不能說(shuō)明每個(gè)晶體管的成本是如何降低的，它只會(huì)標(biāo)識(shí)出隨著晶體管總體生產(chǎn)數(shù)量的增加成本下降的走勢(shì)。
圖 3. 存儲(chǔ)器組件中使用的晶體管的數(shù)量比其他類(lèi)型芯片中的晶體管數(shù)量增加得快得多。
在圖 3 中還能看出比較有趣的一點(diǎn)信息，即在曲線末端的數(shù)據(jù)點(diǎn)集。它是由 2017 年和 2018 年的數(shù)據(jù)生成的，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)在學(xué)習(xí)曲線的上面。如果說(shuō)學(xué)習(xí)曲線遵循的是真正的自然法則，怎么會(huì)發(fā)生這種背離呢？其實(shí)原因很簡(jiǎn)單，從 2016 年到 2018 年，內(nèi)存產(chǎn)品特別是 DRAM 出現(xiàn)短缺，當(dāng)市場(chǎng)供不應(yīng)求時(shí)，每個(gè)晶體管的銷(xiāo)售價(jià)格自然上漲而不是下降。這會(huì)導(dǎo)致對(duì)學(xué)習(xí)曲線的長(zhǎng)期背離嗎？答案是不會(huì)，因?yàn)槊慨?dāng)市場(chǎng)供需不平衡時(shí)，晶體管的單位銷(xiāo)售價(jià)格都會(huì)高于或者低于學(xué)習(xí)曲線的長(zhǎng)期趨勢(shì)延長(zhǎng)線，但這只是一個(gè)暫時(shí)的波動(dòng)。當(dāng)供需恢復(fù)平衡時(shí)，晶體管單位銷(xiāo)售價(jià)格會(huì)逐漸回歸到趨勢(shì)線的反方向上，造成在學(xué)習(xí)曲線上方的區(qū)域和下方區(qū)域互相抵消。這就是學(xué)習(xí)曲線的另一個(gè)好處，即使市場(chǎng)在短期內(nèi)受到擾動(dòng)，它也使得我們可以預(yù)測(cè)未來(lái)價(jià)格的總體趨勢(shì)。
雖然上文對(duì)于學(xué)習(xí)曲線的討論都集中在“晶體管”上面，但是，我們也可以用電氣“開(kāi)關(guān)器件”做為我們的量測(cè)對(duì)象。然后將會(huì)發(fā)現(xiàn)，這條學(xué)習(xí)曲線也適用于機(jī)械開(kāi)關(guān)、真空管。在其它開(kāi)關(guān)器件的學(xué)習(xí)曲線上，縱軸度量的是各種類(lèi)型的每秒百萬(wàn)指令速度的電氣開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的銷(xiāo)售價(jià)格。學(xué)習(xí)曲線可以預(yù)測(cè)性能、可靠性、功耗和許多其它參數(shù)的改善趨勢(shì)，這些都是可以從累積生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)中受益改善的參數(shù)。
此外，學(xué)習(xí)曲線還為預(yù)測(cè)何時(shí)出現(xiàn)采用新技術(shù)的“臨界點(diǎn)”提供了有用的工具，一個(gè)很好的例子就是半導(dǎo)體測(cè)試行業(yè)在 2001 年引入的“壓縮技術(shù)”。事后看來(lái)，像這樣的重大創(chuàng)新不可避免地導(dǎo)致了集成電路中單位晶體管測(cè)試成本學(xué)習(xí)曲線的變化。從圖 4 可以看出，引入 ATE 后，其學(xué)習(xí)成本曲線與原有曲線不再平行。
ATE 行業(yè)應(yīng)該早就意識(shí)到這種變化是不可避免的了。Pat Gelsinger 在 1999 年的設(shè)計(jì)自動(dòng)化大會(huì)的主題演講中強(qiáng)調(diào)了他的預(yù)測(cè)，“在未來(lái)，晶體管的測(cè)試成本可能比其制造成本花費(fèi)更多”。 如果沒(méi)有出現(xiàn)壓縮技術(shù)（也稱(chēng)為“嵌入式確定性測(cè)試”），他的這個(gè)預(yù)測(cè)就要成真了。壓縮技術(shù)始于 2001 年，在實(shí)現(xiàn)相同的測(cè)試水平時(shí)，需要的“測(cè)試向量”數(shù)量下降了 10 倍，到了 2018 年時(shí)，該數(shù)量下降了接近 1000 倍。
圖 4? 直到 2001 年之前，自動(dòng)測(cè)試設(shè)備行業(yè)每個(gè)晶體管的收入下降速度一直低于其半導(dǎo)體元件客戶(hù)生產(chǎn)的晶體管的收入下降速度。
2001 年引入的“嵌入式確定性測(cè)試”或壓縮測(cè)試顯著減少了所需的測(cè)試工作以及人員數(shù)量，到 2012 年，ATE 行業(yè)的年度收入已經(jīng)減少了 250 億美元。
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