IDM vs Fabless: comparación de los modelos, ventajas y desventajas

Aquella época en la que solo existían IDMs ha quedado atrás. Actualmente el modelo de negocio de los semiconductores se ha dividido, apareciendo otras empresas que son fabless y también las famosas foundries. Todos estos modelos tienen sus diferencias, así como una serie de ventajas y desventajas que analizaré aquí.

En el caso de una foundry, es simplemente una fábrica de semiconductores. Por tanto, quedaría fuera de la ecuación, ya que no es un modelo comparable al carecer de equipos de diseño. Por eso, me centraré en comparar los dos modelos que sí son comparables, ya que ambos diseñan los chips: IDM vs fabless.

Terminología

Lo primero es conocer a qué se refiere cada término

¿Qué es una foundry?

capacidad foundries semiconductores 2015
Capacidad de foundries 2015-2016. Fuente: Anysilicon

También existen las MPW sobre las que comenté aquí.

Una planta de fabricación de semiconductores también se conoce como fab o fundición (foundry) en el argot. Como su nombre indica, es una fábrica en la que se producen obleas semiconductoras que son encargos de otras empresas denominadas fabless. Un ejemplo de foundry sería TSMC, SMIC, UMC, etc., que son foundries puras.

Por supuesto, también se puede denominar foundry o fab a la propia fábrica que tiene un IDM. De hecho, en ocasiones, algunos IDMs también actúa como una foundry produciendo para terceros (fabless), como es el caso de Samsung.

La gran cantidad de clientes y enormes volúmenes de producción de este modelo hacen que sean rentables, pudiendo hacer frente a los costes de mantener y actualizar las fábricas de una mejor forma que lo haría un IDM puro.

Tanto si se trata de una foundry pura o de una fábrica de un IDM, este tipo de factorías se componen de:

  • Una nave en la que se alojan los crisoles para el crecimiento de cristal (método Czochralski), donde se producen los ingots o lingotes y luego se cortan en rodajas (obleas o wafers), se pulen, etc. Esto se aparta del resto de la factoría debido a que son procesos más «sucios» que podrían contaminar las salas donde se fabrican los chips. No obstante, algunas foundries puede que carezcan de este apartado al comprar las obleas ya producidas por terceros…
  • La parte principal de la foundry se conoce como sala blanca, un ambiente controlado para evitar las partículas en suspensión en el aire, además de la temperatura, humedad relativa, etc. También cuentan con zonas de presión positiva (para evitar que aire sucio entre) y negativa (para evitar que el aire sucio salga), dependiendo del proceso que se realice. Por ejemplo, la tecnología de interconexiones de cobre se considera bastante «sucia» por los procesos que implica, por lo que se debe realizar en una zona controlada, al igual que ciertos ataques químicos que necesitan presión negativa para evitar que vapores puedan salir. El resto de la sala blanca suele ser de presión positiva, para que cuando se accede a ella no entre aire sucio del exterior. El motivo de ese minucioso control es que sería imposible conseguir un buen yield debido a la deposición de partículas que podrían arruinar las estructuras que se fabrican (a escala de nm). La humedad y temperatura también son críticas por las ESD (descargas electroestáticas). Además, dentro de estas salas es donde se encuentran los steppers, grabado, implantadores iónicos, reactores de crecimiento epitaxial o deposición, y maquinaria de litografía, etc.
  • También existen otras zonas donde se llevan los wafers fabricados para los tests, corte, empaquetado, etc. En algunos casos, puede que el packaging no se haga dentro de la fab, sino que sea encargado a una empresa externa. Por eso puedes ver en algunos chips cosas como Diffused in X y Made in Y o Assembled in Y. Es decir, estarían fabricados en la foundry X y empaquetados en Y. Incluso los hay que son MCM o chiplets que puede que haya dos fuentes de fabricación de los chips que integra…

Sabías que una foundry suele tardar unos tres meses en terminar de fabricar un chip. Durante ese tiempo se realizan unos 700 pasos para completar el proceso desde que entra el wafer en blanco hasta que sale grabado listo para el corte.

Dicho esto, hay que tener en cuenta que los costes de una fab se han ido incrementando progresivamente, siendo actualmente extremadamente caras. Esto ha sido lo que ha propiciado que algunas IDM se deshagan de sus fábricas para transformarse en una fabless o que nazcan ya siendo fabless.

¿Qué es un IDM?

Samsung IDM

Empresas como Samsung, Intel, Texas Instruments, STMicroelectronics, IBM, Infineon, Renesas, Freescale, Fujitsu, Micron Technology, National Semiconductor, NXP, SK Hynix, Sony, Toshiba, etc., se pueden considerar modelos IDM (Integrated Device Manufacturer). Es decir, un fabricante de dispositivos integrados, que no es más que una compañía de semiconductores que se encarga de todo el proceso internamente.

El caso de NXP es particular, ya que fueron las ex fábricas de Philips al deshacerse de su división de semiconductores, pero luego se asociaron con Freescale Semiconductor, volviendo a convertirse en un IDM.

Desde que se comienza a diseñar el chip hasta la fabricación. Por tanto, cuenta con oficinas donde se realiza el desarrollo y también fabs donde se lleva el diseño final para que sea producido.

No obstante, incluso algunos grandes IDMs han optado por externalizar parte de su producción para poder hacer frente a la demanda. Es el caso de Intel, que ya ha usado otras factorías como las de TSMC para algunos de sus diseños.

¿Qué es una fabless?

AMD fabless

Otras compañías como Xilinx, AMD, NVIDIA, Apple, Qualcomm, Broadcom, VIA, Mediatek, Motorola, Philips, Siemens, etc., son modelos fabless desde su comienzo o se han transformado en fabless en algún momento de su historia. Por ejemplo, Motorola vendió sus fábricas que terminaron convirtiéndose en Freescale, mientras AMD haría lo mismo para dar lugar a GF o Global Foundries, o Philips cuando se separó de su división de semiconductores para dar lugar a NXP Semiconductor…

El término sin fábricas se refiere precisamente a eso, empresas que diseñan sus circuitos, pero no tienen planta de procesamiento, por lo que le deben encargar la fabricación a una foundry. De esa forma, pueden centrar todos sus recursos en el diseño, eludiendo los costes de una factoría, que pueden ser de miles de millones (+ las respectivas actualizaciones para nuevos nodos).

Historia

exportación de semiconductores mundial

Al principio, ser un IDM eran todo ventajas, y las fábricas no costaban demasiado. Poco a poco, esa ventaja se ha ido disipando. Eso se puede apreciar en el cambio de modelo que han seguido algunos en esta industria, ya que hasta la década de 1980, era vertical, comenzando desde el diseño hasta la fabricación.

Algunos IDMs crecieron tanto que incluso tenían exceso de capacidad de producción, permitiendo que otros pequeños diseñasen y subcontrataran a estos IDMs para producir sus chips. Además, el Dr. Morris Chang también crearía el gigante TSMC, que nació siendo una foundry pura. Todo eso propició el nacimiento de las primeras fabless, que podían contar con socios muy competitivos para la fabricación.

Gordon Campbell, el fundador de C&T (Chips and Technologies) sería el que desarrollaría este modelo para su empresa. Siendo C&T la primera fabless que nacería como tal en 1985, para dar comienzo a un nuevo modelo tal como se conoce actualmente. Esta compañía sería popular en esta década por sus productos WinGine y HiQV (GPU empleada en NeXTSTEP y Apple PowerBook), Super386 (CPU resultado de ingeniería inversa en una sala limpia del 80386) o SuperMath (coprocesador), F8680 PC/CHIP (SoC compatible con el 8086) y chipsets (82Cxxx). Finalmente, sería absorbida por Intel en 1998, principalmente interesada por el negocio de chips gráficos.

Mirando hacia atrás, ya hubo algunos precedentes como LSI Computer Systems, aunque eran casos raros en aquella época. Luego vendrían otros como IDT/Centaur Technology (ahora propiedad de VIA Technologies). Después darían el paso algunas grandes, como Motorola, que sería una de las pioneras en vender sus fábricas como he citado antes. Algo parecido hizo Siemens, desprendiéndose de su filial Infineon. La siguiente grande en hacerlo sería AMD…

Otras más jóvenes ya han nacido directamente como fabless, y cada vez son más numerosas. Todo lo contrario que los grandes IDMs, que van mermando en número, al igual que las foundries, que también son cada vez más descomunales, pero menos numerosas. De hecho, algunas grandes foundries han terminado absorbiendo a otras más pequeñas, como es el caso de Chartered Semiconductor, que sería comprada por Global Foundries.

Todo esto ha propiciado que se hagan alianzas como la FSA (Fabless Semiconductor Association), creada en 1994 por Jodi Shelton, junto con otros directores ejecutivos de fabless. En 2007, FSA se transformaría en GSA (Global Semiconductor Alliance), y es una organización que tomaría el relevo de la FSA, es decir, promover el modelo empresarial fabless a nivel mundial, organizar eventos, etc.

Comparativa IDM vs fabless (ventajas y desventajas)

ventajas y desventajas IDM vs fabless

Cada modelo tiene sus ventajas y desventajas, como es evidente.

Ventajas de IDM

  • Tener los medios para diseñar y fabricar, lo que reduce costes pagando a fuentes externas.
  • Mejor feedback, ya que los equipos de diseño pueden trabajar de forma más íntima con los de la fábrica, adaptando mejor el diseño a los procesos de fabricación. Ten en cuenta que un diseño tiene que estar en consonancia con el proceso de fabricación, de lo contrario, habría problemas de sincronización e integridad de la señal, además de otros posibles problemas.
  • Aunque esto no es siempre así, también puede eliminar cuellos de botella en la producción cuando una foundry está muy congestionada al fabricar para múltiples fabless.

Desventajas del IDM

  • Eres prisionero de tus propias factorías, es decir, en caso de que no puedas invertir suficiente dinero para mejorar el nodo de fabricación o tengas problemas para mejorar, terminará afectando al producto final. En esos casos, la solución es actuar como una fabless y externalizar la producción. Pero eso supone tener el coste de tus propias fábricas paradas o con una producción menor, y también pagar a un tercero.
  • Mayores costes al tener que pagar costes de diseño y también la fabricación (recursos humanos, materiales, I+D, etc.). Aunque esto se puede compensar con los mayores beneficios.
  • Esquema más complejo y pesado, ya que se tienen que ocupar de todo el proceso, incluida la obtención de materias primas, hasta el empaquetado y logística para hacer llegar el producto final a las cadenas de ventas y OEMs.

Ventajas de la fabless

  • Permite aliviar los costes que implica mantener la fábrica. Así pueden centrar más recursos al diseño. Esto permite que, incluso startups o empresas pequeñas, puedan competir en el mercado.
  • Flexibilidad, al poder elegir las fábricas. Esto permite obtener el mejor nodo o proceso del sector, las mejores condiciones, e incluso tener varias fuentes. Además, los gigantes de la fundición se están haciendo cada vez más grandes y poderosos, como el caso de TSMC, lo que les permite invertir enormes cantidades de recursos en mejorar para estar a la vanguardia de los procesos de fabricación. Para hacerte una idea de las inversiones, TSMC anunció la contratación de 3000 trabajadores (ingenieros y científicos) para mejorar el nodo de 7nm y también comenzar con los de 5nm y 3nm, con costes en material para actualizar la fábrica de miles de millones.

costes producción chip

  • Simplificación de la logística, ya que en muchos casos son los fabricantes los que se encargan de enviar la producción hacia las cadenas de suministros, según los acuerdos del contrato.

Desventajas de la fabless

  • Esa flexibilidad se puede tornar en una desventaja, al tener una dependencia total de un productor externo. Por tanto, si tienen problemas para encontrar el adecuado o está saturado, podría haber problemas con el rendimiento o con la capacidad de producción. Esto genera que en muchos casos la capacidad de la fabless sea plana, es decir, que tenga un contrato de determinados miles de obleas por mes con la foundry y no pueda moverse de ese margen, teniendo que priorizar entre los diferentes chips que necesita. Por ejemplo, priorizar los microprocesadores de servidores frente a los del escritorio, o los chips gráficos frente a los procesadores, etc.
  • Menores márgenes de beneficios, ya que se debe pagar una cuota por oblea fabricada a la foundry.
  • Peor feedback, ya que la integración no es tan íntima como en el IDM. En este caso, el diseñador adapta su diseño al proceso de fabricación de la foundry, pero no habrá una relación tan estrecha para optimizar los procesos para un diseño, ya que simplemente podrás optar a lo que ofrece la foundry a todos sus clientes (por ejemplo, no se pueden sincronizar hojas de ruta como la famosa Tick-Tock de Intel). Además de no personalizar los procesos, también hay otros problema derivado de esto, y es que al tener que adaptar el diseño a los procesos de la foundry, en caso de tener que cambiar de foundry se deben re-adaptar (algo que no es barato).
  • Limitaciones por contratos. Mientras en un IDM se cuenta siempre con toda la capacidad de producción de la fab y con lo último en nodos de fabricación, cuando se contrata una foundry externa te puedes topar con que otros clientes han firmado contratos de exclusividad de ciertos nodos de fabricación para ser los primeros en usarlos, evitando que otros lo hagan de forma anticipada. Además, esos contratos pueden tener cláusulas para ocupar la mayor parte de la capacidad de producción. Algo así como el contrato de Apple con TSMC, con el que consiguen la exclusividad de los nuevos nodos para ser los primeros en usarlos. El resto de clientes podrán usarlo una vez Apple de el salto al siguiente, lo que los hace ir un paso por detrás…

Isaac

Apasionado de la computación y la tecnología en general. Siempre intentando desaprender para apreHender.

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