芯耀
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通過學(xué)習(xí)曲線預(yù)測單個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)測參數(shù)中最基本的一個，甚至比摩爾定律還重要。從圖中可以看出，自從 1954 年以來，單個晶體管的收入（可能單個晶體管的成本也遵循這條曲線，如果我們有來自半導(dǎo)體制造商的數(shù)據(jù)的話）遵循一條高度可預(yù)測的學(xué)習(xí)曲線。在摩爾定律問世之前，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)略優(yōu)勢，并把其數(shù)據(jù)分享給波士頓咨詢集團(tuán)，后者基于這些數(shù)據(jù)出版了一本名為“觀察經(jīng)驗”的書。在鍺和硅分立晶體管時代，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，比如，基于所生產(chǎn)的前 1000 片器件的單片成本預(yù)測生產(chǎn) 10 萬片器件后的單片成本。那么，他們可以根據(jù)這種預(yù)測，對最初上市的產(chǎn)品進(jìn)行初步定價，即使這種定價實際上是虧本的，但是這種定價可以幫助他們獲得領(lǐng)先的市場份額，從而在未來的大規(guī)模銷售中實現(xiàn)更大的盈利，收獲更大的市場影響力。需要說明的是，德州儀器并不是學(xué)習(xí)曲線的發(fā)明者，它的問世時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)測之前，它就在航空等行業(yè)找到了用武之地，人們當(dāng)時用它來預(yù)測當(dāng)飛機(jī)產(chǎn)量達(dá)到一定數(shù)量時的單架飛機(jī)成本。后來，德州儀器把它獨特性地應(yīng)用在了新器件問世早期的定價策略上。
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)品的單位成本的對數(shù)，這個產(chǎn)品可以是一個實體也可以是服務(wù)，是一種可以通過不斷復(fù)制就能創(chuàng)造價值并從中獲利的東西。公開的學(xué)習(xí)曲線通常使用單個產(chǎn)品的收入，因為公司都不愿意透露其產(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)制定競爭戰(zhàn)略。學(xué)習(xí)曲線的橫軸是整個生命周期中的產(chǎn)品制造數(shù)量或服務(wù)提供次數(shù)的對數(shù)。在繪制這些數(shù)據(jù)時，會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)驗時，我們在“學(xué)習(xí)”過程中的產(chǎn)品單位成本會單調(diào)下降。由于學(xué)習(xí)曲線的縱軸和橫軸取值都為對數(shù)，在曲線左端的少量生產(chǎn)數(shù)據(jù)就會勾勒出直線。隨著時間的推移，由于對數(shù)關(guān)系，顯然直線的移動速度會變慢，因為需要更長的時間才能使產(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，就可以從這個曲線上發(fā)現(xiàn)單位成本降低一個固定的百分比。不同產(chǎn)品的單位成本下降速度不同，對應(yīng)于這里的百分比不同，但是在半導(dǎo)體行業(yè)中，各個產(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數(shù) / 對數(shù)圖
更廣泛地說，學(xué)習(xí)曲線可以用來測量任何實體商品或服務(wù)的單位生產(chǎn)成本。我們之所以到現(xiàn)在還沒有明確地觀察到這種現(xiàn)象，是因為只有當(dāng)產(chǎn)品的成本以固定的貨幣進(jìn)行計量時才適用。這就意味著，必須將平減指數(shù)應(yīng)用于成本數(shù)據(jù)，以扣除由政府推動的通貨膨脹部分。此外，學(xué)習(xí)曲線只適用于自由市場。在進(jìn)行實際成本的比較之前，必須扣除掉關(guān)稅、貿(mào)易壁壘帶來的成本、稅收和其它成本。學(xué)習(xí)曲線之所以在半導(dǎo)體行業(yè)中如此有價值，就在于它是全球少數(shù)幾個相對自由的市場之一，它的監(jiān)管力度最小，關(guān)稅最低，區(qū)域之間的運(yùn)費成本也極低。
半導(dǎo)體學(xué)習(xí)曲線的一大優(yōu)點是，只要一直生產(chǎn)晶體管或者類似的開關(guān)器件，它們就永遠(yuǎn)適用。和它形成鮮明對比的是摩爾定律。摩爾定律很快就會過時，但是學(xué)習(xí)曲線永遠(yuǎn)不會過時。不過，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)向右移動的速度會迅速下降，而且隨著摩爾定律失效后，價格也不會再像過去那樣迅速下降了。或者說，學(xué)習(xí)帶來的效應(yīng)會明顯減弱。在某些時候，貨幣的通貨膨脹可能會大于制造成本的降低幅度，從而使得以絕對美元計價的晶體管單位價格會隨著時間增加。不過，學(xué)習(xí)曲線將始終是預(yù)測未來的有用指南。截止到現(xiàn)在，2019 年，單個晶體管的收入每年都會下降約 32%。
那些購買微處理器或者片上系統(tǒng)器件的買家可能會意識到，從 2017 年起，單個晶體管的價格開始以每年 32%的下降速度遞減。圖 3 解釋了這一點，32%這個數(shù)字適用于 2017 年生產(chǎn)的所有半導(dǎo)體元件。這是一個綜合數(shù)據(jù)，涵蓋了包括存儲器、邏輯器件、模擬芯片等各種不同類型的半導(dǎo)體元件。從圖 3 中還可以看出，NAND FLAH 非易失性存儲器中的晶體管生產(chǎn)數(shù)量要比其它種類多得多。當(dāng)存儲器的學(xué)習(xí)曲線（主要由 NAND FLASH 和 DRAM 組成）與非存儲器器件的學(xué)習(xí)曲線分離時，存儲器中每個晶體管的成本和數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了非存儲器器件。這沒什么，因為學(xué)習(xí)曲線并不能說明每個晶體管的成本是如何降低的，它只會標(biāo)識出隨著晶體管總體生產(chǎn)數(shù)量的增加成本下降的走勢。
圖 3. 存儲器組件中使用的晶體管的數(shù)量比其他類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信息，即在曲線末端的數(shù)據(jù)點集。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)點在學(xué)習(xí)曲線的上面。如果說學(xué)習(xí)曲線遵循的是真正的自然法則，怎么會發(fā)生這種背離呢？其實原因很簡單，從 2016 年到 2018 年，內(nèi)存產(chǎn)品特別是 DRAM 出現(xiàn)短缺，當(dāng)市場供不應(yīng)求時，每個晶體管的銷售價格自然上漲而不是下降。這會導(dǎo)致對學(xué)習(xí)曲線的長期背離嗎？答案是不會，因為每當(dāng)市場供需不平衡時，晶體管的單位銷售價格都會高于或者低于學(xué)習(xí)曲線的長期趨勢延長線，但這只是一個暫時的波動。當(dāng)供需恢復(fù)平衡時，晶體管單位銷售價格會逐漸回歸到趨勢線的反方向上，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)曲線的另一個好處，即使市場在短期內(nèi)受到擾動，它也使得我們可以預(yù)測未來價格的總體趨勢。
雖然上文對于學(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“開關(guān)器件”做為我們的量測對象。然后將會發(fā)現(xiàn)，這條學(xué)習(xí)曲線也適用于機(jī)械開關(guān)、真空管。在其它開關(guān)器件的學(xué)習(xí)曲線上，縱軸度量的是各種類型的每秒百萬指令速度的電氣開關(guān)對應(yīng)的銷售價格。學(xué)習(xí)曲線可以預(yù)測性能、可靠性、功耗和許多其它參數(shù)的改善趨勢，這些都是可以從累積生產(chǎn)經(jīng)驗中受益改善的參數(shù)。
此外，學(xué)習(xí)曲線還為預(yù)測何時出現(xiàn)采用新技術(shù)的“臨界點”提供了有用的工具，一個很好的例子就是半導(dǎo)體測試行業(yè)在 2001 年引入的“壓縮技術(shù)”。事后看來，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)該早就意識到這種變化是不可避免的了。Pat Gelsinger 在 1999 年的設(shè)計自動化大會的主題演講中強(qiáng)調(diào)了他的預(yù)測，“在未來，晶體管的測試成本可能比其制造成本花費更多”。 如果沒有出現(xiàn)壓縮技術(shù)（也稱為“嵌入式確定性測試”），他的這個預(yù)測就要成真了。壓縮技術(shù)始于 2001 年，在實現(xiàn)相同的測試水平時，需要的“測試向量”數(shù)量下降了 10 倍，到了 2018 年時，該數(shù)量下降了接近 1000 倍。
圖 4? 直到 2001 年之前，自動測試設(shè)備行業(yè)每個晶體管的收入下降速度一直低于其半導(dǎo)體元件客戶生產(chǎn)的晶體管的收入下降速度。
2001 年引入的“嵌入式確定性測試”或壓縮測試顯著減少了所需的測試工作以及人員數(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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