來簡單理解一下嵌入式非揮發性記憶體IP(eNVM IP)晶片設計公司,億而得。這是一家創新板的晶片IP設計公司。
億而得,為嵌入式非揮發性矽智財公司,專門開發與邏輯製程相容並可單次或多次性寫入之嵌入式非揮發性記憶體,並以 NVM cell 及 array 為矽智財(IP) 核心技術。產品涵蓋 MTP(Multi-Time Programming, 簡稱 MTP)、FTP(Few-Time Programming,簡稱 FTP)、EEPROM(ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory,簡稱 EEPROM)、Flash Memory 及 OTP(One-Time Programming,簡稱 OTP)等。主要客戶為全球各大半導體廠商及 IC 設計公司,客戶群遍及臺灣、美國、中國、日本及韓國等地區。
所謂嵌入式非揮發性記憶體(以下簡稱 eNVM),有別於常見的動態隨機存取記憶體(DRAM)和靜態隨機存取記憶體(SRAM),eNVM 係指當電流關掉後,所儲存的資料不會消失的資料儲存裝置,其中依記憶體內的資料是否能在使用系統時隨時改寫為標準,又可分為光罩式唯讀記憶體(Mask ROM)、單次寫入唯讀記憶體(One-Time Programming,以下簡稱 OTP)、多次寫入記憶體 (Multi-Times Programming,以下簡稱 MTP)及快閃記憶體(Flash)等四種不同性質之記憶體。
對於嵌入式非揮發性記憶體 SIP 的市場而言,有分為於特殊製程上開發的嵌入式非揮發性記憶體 SIP,如 SST(Microchip) 公司的 Flash SIP;另一種則為於邏輯製程上開發的嵌入式非揮發性記憶體 SIP,如億而得開發的 NVM SIP。
嵌入式非揮發性記憶體為不可或缺的架構,市場上目前已經存在的技術如下 :
a.嵌入式 Mask ROM 技術 : 開發早期,技術門檻較低,適合大批量生產,不過風險度高,應用無彈性。
b.嵌入式 OTP 技術:只能寫入一次,彈性度低。
c.嵌入式 Flash 技術:因為特殊製程開發,致使成本高昂,研發時程冗長, 無法快速在晶圓代工廠間轉換製程。
d.邏輯製程嵌入式 MTP 技術:MTP SIP,相較於傳統製程便宜卻僅能一次性可程式之 OTP SIP 或製程昂貴但可多次可程式之 Flash SIP,MTP SIP 結合可多次編程且低成本兩者優勢。
億而得主要產品為以邏輯製程開發之 MTP 為主,OTP 為輔,並提供客戶具備不同記憶體容量、燒寫次數、操作溫度與操作電壓的產品規格。公司研發之NVM SIP面積小、光罩數少、功能強CP值高,在中容量市場以下具競爭力,可使用於少光罩製程約只需15層光罩而且可以多次寫入,邏輯製程記憶細胞也是同業中最小,目前中容量產品在MCU及智慧電源市場已佔有一席的地位。
公司在超過十家以上的晶圓代工廠及整合元件製造廠晶圓生產線上,建置了 0.5 微米、0.4 微米、0.35 微米、0.3 微米、0.25 微米、0.18 微米、0.16 微米、0.15 微米、0.13 微米、0.11 微米、90 奈米、80 奈米、65 奈米等製程技術平台,提供客戶多樣化選擇。億而得目前提供 4bit~512kbit 容量 SIP 產品,已有眾多不同應用的客戶採用並設計、量產及出貨。
在多種製程平台上完成產品的驗證,已建置的有 LG (Logic)、HV (High Voltage)、BCD, 與 MM 製程,並積極開發 CIS 製程。億而得開發之 NVM SIP 產品可使用於 TFT LCD driver IC、LED driverIC、Power IC、MCU IC、車用 IC、IOT IC 等應用領域,同時為配合客戶產品,已擴大進行 55 奈米乃至 40 及 28 奈米製程開發。
億而得產品之收入如下:
(1)技術服務費
包含授權金(License fee)、使用費(Usage fee)與產品設計開發費(NonRecurring Engineering ; NRE)。
a.授權金(License fee):
億而得授權對象主要為晶圓代工廠,通常是針對基本記憶體單元及個別製程技術授權,晶圓代工廠可採用基本記憶體單元自行設計 NVM SIP 並提供予其 IC 設計客戶使用和後續的生產製造。雙方在簽訂合約時會設立階段性里程碑,當彼此開發進程達到特定階段里程碑時,即須支付一定比例之授權費。
b.使用費(Usage fee):
億而得已事先在晶圓代工廠及整合元件製造廠開發完成一系列標準型 SIP 區塊(macro)。使用費係指晶圓代工廠(Foundry)、整合元件製造廠(IDM) 及 IC 設計公司若使用標準型 SIP 區塊,億而得會依客戶使用次數收取固定費用,亦即一個標準型 SIP 區塊,使用在一個產品上,需支付一次使用費,使用在二個產品上,則需支付二次使用費,依此類推。
c.產品設計開發費(Non-Recurring Engineering ; NRE):
產品設計開發費係指依據晶圓代工廠、整合元件製造廠及 IC 設計公司所要求之規格,客製化非標準型 SIP 區塊(macro),且以規格複雜與難易程度所收取之費用。雙方在簽訂合約時會設立階段性里程碑,當彼此開發進程達到特定階段里程碑時,即須支付一定比例之產品設計開發費。
(2)權利金(Royalty)
億而得已通過晶圓代工廠及整合元件製造廠驗證之 NVM SIP 產品,於客戶量產後,晶圓代工廠依據其售予客戶晶圓(wafer)價格或整合元件製造廠依據自行量產晶圓價格,由億而得收取一定比例權利金,一般約為 1%~5%。晶圓代工廠及整合元件製造廠需每季提供億而得其客戶產品之生產產量報表 (quantity report),計算出應收取權利金金額。
開發高階 SIP 設計
億而得持續開發高階 SIP 設計方法與流程,發展可提供 100,000 寫入次數之 HEEPROM 產品,以符合工業控制、車用及電腦週邊等終端市場應用,目前已進入產品驗證階段;另由於現行 MTP 受寫入方式限制,無法成功應用於先進製程,億而得積極研發高精密度之非揮發性元件—高介電常數金屬閘極陣列(HKMG array),尋找適用於先進製程之 MTP 解決方案,目前進行產學合作初步量測且提出專利申請中。
產業狀況
(1)eNVM SIP規模
非揮發性記憶體技術不斷演進,現今發展之新興記憶體雖然皆具有非揮發性功能,但受限於特殊製程要求、面積較大或材料特性等因素,目前僅有少數晶圓代工廠具備開發元件與製程之能力,使得新興記憶體技術僅局限於部份領域應用,且其開發時間及製造成本相對於 MTP 與 OTP 皆高出許多,更不易跟上製程研發的演進,故仍未被市場廣泛採用,因此具備低研發費用、研發時間短之 MTP 及 OTP 市場將持續存在,不易有被新興記憶體取代之風險。
根據 Arsta Research Analysis 研究報告,112 年~117 年 eNVM 市場每年成長率皆高於 15%,其中 OTP 及 MTP 規模佔整體 eNVM 市場約佔30%。eNVM SIP 市場產值將從 2022 年的 3.1 億美元,成長至 2028 年 8.1 億美元之水準,預估年均複合成長率將達到 14.7%。OTP 及 MTP SIP, 其市場產值更將從 2022 年的 0.9 億美元,成長至 2028 年 2.5 億美元。
若以各領域應用類別來看,Arsta Research Analysis 預估,eNVM SIP 金額最大市場仍以消費性電子產品為主, 由 2022 年的 1.3 億美元成長至 2028 年的 3.3 億美元。車用領域將成為一匹黑馬,由 2022 年約 0.8 億美元的市場成長至 2028 年 2 億美元,另外,通訊領域也有顯著成長,由 2022 年約 0.4 億美元的市場成長至 2028 年 1.1 億美 元。
(2)IP產業
(a)SIP
所謂矽智財(Silicon Intellectual Property SIP) 其實就是一種智慧財產權的觀念,凡是加入IC晶片中可使IC晶片正常運作的功能區塊,即可稱為矽智財(SIP)元件,此智慧財產權因在半導體領域中被採用,通常會加上silicon成為SIP做為區分。此區塊是一種事先經過設計、驗證過並可重複使用之功能性模組。
有些矽智財(SIP)元件功能已固定,使用者無法修改;另有某些矽智財(SIP)元件允許使用者做限度的個別化修改。IC設計人員能使用這些矽智財(SIP)元件完成其設計中的部份功能,不需重新設計此功能區塊,可讓IC設計上更快、更有效率的完成,除縮短IC產品開發的時程,並可加速IC產品上市日期。
(b)IP類型
依據國際研究機構資料顯示,就IP領域而言,以功能來區分,有處理器類IP,實體IP(Physical IP)、數位IP(Digital IP) 、Wired interface IP。其中,
(A)Processor IP(包含CPU, DSP, GPU & ISP)佔47.4%。
(B)Wired interface佔27.8%。
(C)Physical IP(包含SRAM Memory Compiler, Flash Memory Compiler, Library and I/O, AMS, Wireless Interface)佔15.6%。
(D)Digital IP(包含System, Security and Misc. Digital)佔9.1%。
目前半導體業界普遍採行的 IC 設計流程係 Top-Down 的設計方法,由抽象到實體,一個層次接著一個層次進行設計的方法,因此依照設計與製造層次的不同,矽智財元件可分成以下三種類型:
(A) Soft SIP
在邏輯 IC 設計的過程中,IC 設計者會在系統規格制定(specification)完成後,利用 Verilog 或VHDL 等硬體描述語言,依照所制定的規格,將系統所需的功能寫成暫存器層級(Register Transfer Level ; RTL)的檔案,這個 RTL 檔就被稱之為 Soft SIP。Soft SIP 仍是軟體形式,故客戶可根據自己需求修改功能或調整參數。
(B) Firm SIP
當完成邏輯合成所得到的設計結果稱為 Firm SIP,是以 Netlist 呈現,客製化動作的難度增高。本身是介於 Hard 與 Soft SIP 之間的形式,,佈局可依客戶需求而改變。
(C) Hard SIP
Netlist 檔案經過驗證(Verification)後,則進入實體設計(Physical Design) 的步驟,先進行功能區塊的位置配置規劃(Floor Planning),再進行佈局與繞線步驟,做完實體的佈局與繞線後所產生的 GDS II 檔案,即稱之為 Hard SIP. Hard SIP 元件是已佈局完成的設計,所以使用者無法修改其內容。每一 Hard SIP 會被指定是在那一家晶圓代工廠的那一個製程上開發,兩個不同製程開發的 Hard SIP 是無法整合在同一個晶片上。
(3)SIP相關業務之公司
一般而言,會經營 SIP 相關業務之公司可分為5類:
(A)專業 SIP 供應商
如 ARM、MIPS 等公司,以自行開發出來的 SIP 授權給其他廠商使用, 以授權及收取權利金作為公司營利的模式。
(B)EDA 軟體開發公司
如 Synopsys、Mentor 等公司,其 SIP 多半會配合其開發出來的 EDA 工具銷售。
(C)大型整合元件製造廠(IDM)
如 TI、INTEL 等公司,這類型公司所開發出來的 SIP 主要是自己使用為主,鮮少對外授權營利。
(D)晶圓代工廠
如台積電、聯電等公司,為了吸收更多客戶下單,此類業者會盡量充實其 SIP 庫,免費提供客戶使用,以增加市佔率。
(F)IC 設計服務公司
IC 設計服務公司為推展多元化服務,也推出自行開發的 SIP 產品。
以上這5類公司,經營 SIP 業務之目的各有不同,其中專業 SIP 供應商及 EDA 軟體開發公司會將開發出來之 SIP 當作商品對外推展銷售或是授權。至於IC 設計服務公司,大型整合元件製造廠與晶圓代工廠則是藉由 SIP 來提供完整服務和整體方案,以爭取客戶的青睞並提高興趣,將SIP 作為間接營利的手段之一,並非以主要營收為目的。
英國的ARM 目前是全球 SIP 供應商中排名第一的公司,也是第一家以授權為營運模式的公司,透過授權及收取權利金的方式行銷其晶片技術,此行銷方式徹底改變了以往微處理器是由一家公司統攬設計、製造與銷售,而是轉變成產業特定分工與專精導向的模式。
ARM 早期授權對象都是半導體大廠如 TI、Motorola 等,慢慢將授權模式改變,將客戶由半導體大廠擴及至中小型 IC 設計公司,針對不同客戶收取不同費用,此方式造就了 ARM 成為全球 SIP 供應商中排名第一的公司,也使得 ARM 處理器核心成為產業的標準。這也影響半導體產業營運模式更趨向專業分工,半導體大廠或 IC 設計公司更專注在自己熟悉產品領域,某些需整合的功能區塊,則以外購 SIP 進行產品整合,大大縮短產品開發時程,也提早產品上市時間。
(4)IP未來
(A)SIP 差異化
不同類型的 SIP 供應商必須找到其相對應的利基市場,例如基本型 SIP 因進入門檻低,附加價值與利潤也較低,此類型的 SIP 供應商可與晶圓代工廠合作,利用晶圓代工廠新的或先進製程,開發新的 SIP 元件,即可區隔與競爭者差異。同樣的,標準型 SIP 供應商眾多, 競爭相當激烈,價格必須保有優勢,此類 SIP 與產業標準有關,需注意領導廠商走向,也須與制定機構維持良好互動。SIP 供應商為了提供差異化產品,必須投資更多資源在研發及市場分析,其技術難度較高,開發時程長,不一定短時間內可以見到成效,不過此陣痛期若能熬過,即能提供客戶多樣化的解決方案, 配合技術支援服務,將能確保公司最佳獲利。
(B)IC設計服務公司提供 SIP
IC 設計服務公司提供自身 SIP 產品供選擇,服務展現多元化並逐漸擴大到設計前段專業的 SIP 供應商專責提供矽智財(SIP)產品,另有業者取得國際大廠 SIP 的授權,導入設計平台中。當 IC 設計服務公司業務由佈局、平面配置、 繞線,轉往設計流程前端的 RTL 執行、邏輯合成、功能模擬,甚至由規格制定 (Specification)就可幫客戶規畫,其與晶圓代工廠關係愈形緊密,客戶在先進製程開發新產品時,由於製程技術往往快過設計精進速度,晶片驗證所面臨問題可藉由與晶圓代工廠關係緊密之 IC 設計服務公司協助解決不同 SIP、不同製程相互整合的問題。
(C)具備 AI 應用潛力
隨著 AI 技術的發展,智慧化的需求開始湧現在各個產品應用,對運算效能的需求也倍速增加,其所使用的記憶體將比以往更加吃重,除了儲存所擷取的資訊外,也需要大量儲存空間用以學習演算法、演算結果及大數據分析等,因此除了具備足夠的記憶體儲存容量外,長期讀寫的可靠度、高速讀寫的能力、在不同環境下仍具備穩定的性能,未來將尋求效能更好的記憶體解決方案,以達成 AI 的需求。而目前新一代的嵌入式記憶體技術與次世代非揮發性記憶體的結合,已成為主要半導體業者研發重點,如 RRAM、MRAM 及 FRAM 等,除具有上述特性, 並可以滿足龐大運算需求,帶動前瞻記憶體研發能量。
半導體產業上、中、下游之關聯性
我國 IC 產業之上、中、下游關係大致可歸類為上游之 IC 設計公司,中游之 IC 晶圓製造廠及下游之 IC 封裝、測試廠。近年來由於我國 IC 產業之蓬勃發展及分工體系走向專業化,在每一生產環節皆有許多個別廠商投入,垂直分工明確且各有專精。使我國 IC 工業體系之上、中、下游結構更加完整。
上游主要參與廠商/人員包括系統設計公司、IC 設計公司、IP 供應商、設計服務公司及 EDA 公司。系統設計公司訂定其系統產品所需 ASIC 晶片規格,IC 設計公司依據此晶片規格進行 ASIC 的設計,IP 供應商提供智財核心元件,設計服務公司提供 IC 設計公司相關矽智財、設計流程、設計整合及統包服務(Turnkey Service),EDA 廠商則支援設計服務公司及 IC 設計公司自動化設計工具,以提昇設計效率。
中游主要參與廠商為晶圓製造廠,以進行 ASIC 晶圓的生產製造工作。中游之 IC 晶圓製造廠提供所有有關晶圓生產的技術及流程,同時也提供設計服務公司及 IC 設計公司製程及元件的參數,以確保上游設計及中游製程的一致性。
下游之 IC 封裝廠進行晶片封裝的工作,包括切割,塑模,和銲線,測試廠則進行晶圓及最後晶片產品的測試工作。
億而得,是一家嵌入式非揮發性記憶體IP(eNVM IP)晶片設計公司,主要以 MTP為主。2023年ROE為10%,毛利率為99%,資產負債率為14%。營收為2億,其中收入以技術權利金佔營收74.34%,技術服務收入佔25.66%。應用以MCU佔34%,高階電源管理佔25%,電壓調控佔11%,電源管理佔14%,顯示器驅動IC佔12%,其它佔3%。銷售區域以台灣佔33%,中國佔37%,新加坡佔19%,南韓佔9.6%,美國佔1.2%。2023年度研發費用佔營業收入為57.70%。
國內開發記憶體(memory)IC 的時間可推移至早期的華邦電子、聯華電子、旺宏電子,由 Mask ROM,EPROM、SRAM,而後有Flash、DRAM,不過國內整體DRAM規模還是遠大於Flash, NVM (非揮發性記憶體) 領域人才比較於類比 IC、邏輯元件、微元件 IC 的人 才更顯稀少。
市場佔有率
億而得的MTP SIP 抹除寫入次數(endurance) 10~100K 次,居業界領先地位,支援 in system programming 功能,使用 in system programming 功能時,不需額外的 RAM buffer,也不需經過抹除的動作,可以直接寫入,大大的增加了使用 in system programming 時的方便性,不但提升產品效能,更增加了客戶產品競爭優勢,此功能適合為參數與組態設定、系統程式碼(program code)儲存與紀錄、數位版權管理、安全辨識管理等提供最理想且經濟實惠的 NVM SIP 選擇。
MTP SIP 產品技術較嵌入式 Flash SIP 擁有更佳成本優勢,嵌入式 Flash 因為製程複雜,還要增加額外的 7~11 層光罩,使得晶圓價格要比一般製程多出 30~50%,現在使用億而得 MTP SIP 可以同時兼顧,以一般製程的晶圓價格,得到比嵌入式 Flash 方便使用的效能。
億而得2023 年營收 187,384 仟元,此營收全部來自於技術服務費和權利金。根據 Arsta Research Analysis 研究報告,億而得於 106 年~111 年之市場佔有率約為 2%,在整體 eNVM 市場中位居第四名。目前主要競爭對手國外以美國 Microchip、Synopsys 及國內力旺公司,三者囊括全球高達八成之市佔率。億而得與競爭對手有顯著差距。
產品之生命週期
MTP SIP 所需之技術層級高,多應用於穩定性高及可量產性之非專用製程,需遵照晶圓廠提供之超規格製程規範,額外通過高低溫寫入次數、讀取能力及製程可靠度測試等各項功能驗證,故 MTP SIP 從開發至完成驗證一般需要 2 年的時間才可進入量產階段。
然億而得主要產品由於並非終端產品,其生命週期應依各式 MTP SIP 終端應用而定,而目前客戶終端產品多應用於對產品耐用性及穩定性要求甚高之家用電器及車用電子市場,其產品生命週期可長達 5~10 年之久,隨著客戶 SIP 累積使用量逐年增加,將帶動億而得權利金收入持續成長。
風險
早期記憶體 SIP 產業由於技術發展受限,使得億而得主要產品 MTP SIP 雖可提供客戶多次讀寫之功能,惟因面積仍較 OTP SIP 為大而不具備相應之成本優勢,且下游 IC 設計業者多考量採以數顆面積較小之 OTP SIP 組合方案來取代其僅能一次性編寫之效能限制,進而與億而得產品產生排擠效應,故 MTP SIP 並非成為初期市場上主流採用之記憶體SIP技術,進而導致億而得營運規模不及同業競爭者。
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