整机厂主导的集成电路产业创新系统研究——基于苹果公司A4芯片研发的案例分析

成卓

（工业和信息化部赛迪智库规划研究所，北京 100846）

整机厂主导的集成电路产业创新系统研究
——基于苹果公司A4芯片研发的案例分析

成卓

（工业和信息化部赛迪智库规划研究所，北京 100846）

文章基于工业技术创新的要素联动模型，对整机厂主导的集成电路产业创新系统进行了研究，报告了世界上较为先进和成熟的集成电路产业创新系统运行现状。通过采用典型案例分析方法，对苹果公司A4芯片研发过程进行了细致调查，反映了整机厂、集成电路企业在联动过程中的技术突破、产业协同、区域分布、创新绩效等特征。文章以整个电子信息产业链视角来研究集成电路产业发展，为国家集成电路产业发展政策顶层设计提供了有益的参考。文章认为：从创新系统发起看，整机厂较强芯片评价能力、较大的芯片采购规模是加速技术创新的先决条件；从创新系统演化看，对行业发展趋势的共识是技术创新各方耦合的根本组织力量；从创新系统空间看，全球优势创新资源联动是实现快速技术突破的有效手段；从创新系统绩效看，基础软件等下游核心技术是充分释放创新能量的必要保障。

集成电路产业；创新系统；苹果公司；A4芯片

集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性以及先导性产业，拥有强大的集成电路技术和产业，是迈向创新型国家的重要标志。近年来，集成电路产业发展正向移动互联方向转型。2010-2012年全球集成电路市场年复合增长率为-2%。但是其间移动芯片市场却明显增长，预计全球通信芯片市场2014年将超越电脑芯片总产值。集成电路产业的驱动力从PC转为以手机、平板电脑为代表的智能终端，在这一过程中，整机制造商以新的模式切入集成电路领域。我国是制造业大国，电脑、手机产量居世界第一位，但缺失集成电路、操作系统等产业核心技术。深刻理解整机厂商切入集成电路产业创新模式，对于我国抓住产业转型机遇，实现整机与集成电路产业联动发展、提升产业核心竞争力、增强综合国力具有重要意义。

一、集成电路产业创新相关研究

在对集成电路产业创新发展的研究中，现有文献主要集中在创新成果总结、创新影响的宏观因素等方向上。在集成电路产业创新发展成果方面，工信部软件与集成电路促进中心(2011)在产品、技术等方面总结了我国2000-2010年集成电路产业发展的创新成果。张利华(2013)[1]对我国集成电路产业龙头企业——海思半导体自主芯片研发的各个标志性成果进行了梳理。在集成电路产业创新影响因素方面，克利斯·弗里曼等(2005)[2]分析了20世纪60-90年代集成电路制造产业的创新发展过程，认为专利制度、人员流动、政府采购、规模经济决定了集成电路产业创新发展。约翰·马修斯等(2009)[3]研究了东亚国家对集成电路技术的重组、吸收、改进和提升过程，认为国家的技术扩散的战略可推进集成电路产业创新发展。杨道虹(2008)[4]认为美国的自主创新政策推动了其集成电路产业创新发展。以上文献主要研究2008年前集成电路产业创新发展，且主要研究创新的结果、创新的影响因素，对集成电路产业创新过程本身并未给予关注。

工业技术创新模式有5种类型（详见文章第一部分）：技术推动型创新、需求拉动型创新、交互作用型创新、一体化型创新和系统集成型理论。我国学者吴辉凡(2012)[5]又在系统集成型理论的基础上提出了创新系统要素联动模式，进一步细化了产业创新的演进过程。本文以产业技术创新最新理论研究成果——创新系统要素联动模式理论为基础，以案例分析的方式，剖析集成电路产业创新过程、创新模式，总结成功经验，充分体现了集成电路产业新的发展。

二、工业技术创新模式的五种类型

集成电路产业是技术创新密集型产业，其创新过程较为复杂，技术创新模式理论有助于理解集成电路产业的创新过程。按照李保红(2010)[6]的总结，工业技术创新模式具有5种类型：技术推动型、需求拉动型、交互作用型、一体化型和系统集成型。

技术推动型创新理论认为：技术创新起始于研究开发，经过工程和制造活动，然后推向市场，市场只是技术创新的被动接受者，该理论一般适用于对原始创新的解释。需求拉动型创新理论认为：市场增长和市场潜力决定发明活动的速度与方向，技术创新是市场需求引发的结果，技术创新围绕市场需求进行新产品开发和加工制造，该理论一般适用于对渐进式创新的解释。交互作用型创新理论认为，市场与技术的配合是技术创新成功的决定性因素。一体化型创新理论认为，技术创新是研究开发、设计测试、生产制造等要素同时展开的平行过程，该理论强调研发与市场的整合、研发与生产的整合、企业与上下游供应者的联系、企业与率先消费者的联系。

系统集成型理论在一体化型创新理论的基础上引入了新技术——ICT工具，因为大规模创新的构思模拟不是只通过人脑能在短时间内完成的，借助于计算机技术和通信技术，才能把这种复杂化的创新活动组成为真正的系统工程，ICT工具可以辅助设计和研发活动，包括模型模拟、基于计算机的启发式学习，以及使用CAD系统的企业间和企业内的开发合作，ICT工具的使用使得创新各方形成了创新网络。该理论认为创新的系统关系已经不是用几条路径能够包容的，而是发展为网络关系，是由不同层级的节点汇集而成的关系。

在此基础上，吴辉凡(2012)分析了系统集成模型的内涵与内部运行机制。他认为，创新系统生成和演化的机制是：在各要素（创新的各参与者）在相互影响、相互制约的过程中，正反馈强化了联系，导致新状态产生，负反馈弱化联系，要素之间联系衰减，要素回到原始状态；随着正、负反馈的交互作用，各创新要素形成了属性不可分割的整体——创新系统，并不断演化。文章以该理论为指导，深入分析整机主导的集成电路产业创新过程。

图1 集成电路产业链裂变演化图

三、集成电路产业的裂变与重组[7]

随着技术的飞速发展，集成电路加工线宽的不断缩小，投资新的生产线成本日益高昂，在此情况下，集成电路产业分工不断细化，专业化的分工不断衍生出新的行业。

集成电路产业通常分为设计、制造和封装测试三个环节。早期的集成电路产业并没有从整机产业里完全分离出来，如通信整机制造商摩托罗拉自己就拥有规模相当大的芯片制造业务。20世纪70年代，英特尔这样的专业集成电路制造厂商(IDM)开始主导芯片制造和封装测试，由英特尔一家厂商设计、制造、封装测试集成电路，然后向整机厂供货；之后芯片设计环节在产业链条中地位上升，设计公司(Fabless)成为产业新的业态；80年代，在制造领域出现了台积电这样的代工厂(Foundry)，代工厂大量生产由Fabless设计好的芯片。

进入90年代，芯片设计领域又细分出了以ARM为代表的IP供应商。由IP供应商提供芯片设计架构，提供给其他产业链环节，其他环节进一步设计、制造集成电路。这一阶段，代工厂通过与IP供应商相互优化，确保了芯片的高性能。正是在这一IP核业务分离阶段，苹果等整机厂商采用SoC方式（系统级芯片）自行定制处理器才成为可能。

四、苹果A4芯片研发过程分析

随着电子信息技术不断更新换代、宽带网络基础设施建设不断深入、智能终端不断普及，当前电子信息产业已经进入移动互联时代，相应地，为适应智能终端需要，集成电路产品也向着低功耗方向发展，整机主导型芯片产业是集成电路产业最新的发展模式。苹果是这一模式的领导者，2010年，苹果凭借装载在iPhone4、iPad产品上A4芯片在业界独占熬头。因此，我们选取苹果A4芯片为代表，深入分析整机厂主导的集成电路产业创新过程。

表1 A4芯片产业创新系统演化分解表

A4芯片是较早用于智能终端（如iPhone4、iPad）的系统级芯片。它采用45钠米工艺制造，内部还集成了图像处理等功能，能够与苹果操作系统iOS紧密结合。A4芯片研发仅仅历时3年，其创新系统由苹果公司主导，三星、ARM、意法半导体等世界级半导体厂商都参与其中，创新系统内各厂商同时开展创新活动（图2），都不同程度地参与了芯片的设计、制造和应用等过程（以下内容依据[8-12]）。按照几个标志性事件，它的研发过程大致可以分为以下几个阶段（具体见表1）。

首先，创新系统组建阶段。主导厂商开始推动芯片创新，苹果公司收购P.A.Semi半导体，获得准确评价半导体厂商技术的能力，开始介入集成电路产业领域；苹果公司500万美元入股意法半导体，开始与其密切接触，而意法半导体也积极与苹果对接，以期谋求新的增长点，减少大客户诺基亚（占16%收入）带来的经营风险和技术风险。与此同时，由于英特尔在低功耗芯片领域进展缓慢，苹果与英特尔的合作逐渐减少，仅仅保留PC端的传统合作。

其次，创新系统关键技术成熟阶段。三星公司基于自身移动互联战略发展需要，与Intrinsity公司联合推出“蜂鸟”处理器，该处理器基于ARM架构，其技术指标与A4芯片相似，被认为是A4芯片的雏形。与此同时，苹果在与ARM公司进行长期合作后，招募具有ARM架构设计能力的程序员，希望优化下一代iPhone中的ARMCortex处理器在iOS中的性能。

最后，创新系统各方稳固阶段。苹果公司收购Intrinsity，芯片工程师达到1000余人，具备了充分利用半导体厂商（特别是三星半导体）设计和制造A4芯片的专业能力。三星宣布了36亿美元的工厂扩建计划，主要用于满足苹果在芯片等方面的需求，至此A4产业创新系统得到稳固。

图2 A4芯片产业创新系统演化图

五、整机主导集成电路产业创新成功经验

文章主要通过对A4芯片产业创新系统的深入分析，认为整机主导的集成电路产业创新系统（简称“创新系统”）符合创新要素联动发展模式。总结这一模式的成功经验对我国发展集成电路产业具有重要的指导作用：

从创新系统发起看，整机厂较强芯片评价能力、较大的芯片采购规模是加速技术创新的先决条件。一方面，整机厂是使集成电路企业与消费需求联动的中间环节，拥有较强的芯片评价能力将有利于整机厂对芯片整体成本结构、产量、知识产权分配等因素做出顶层设计，促进集成电路产业创新系统形成。另外，整机厂较大的采购规模将为集成电路企业提供充裕的资金，强化集成电路企业向既定的技术方向投资的信心。显然，这两方面因素都将引导产业创新要素向既定方向迅速集中，加快技术突破进程。案例中，苹果公司没有直接设计和制造A4芯片，但它收购P.A. Semi半导体、招募具有ARM架构设计能力的程序员，这增强了其对芯片的评价能力，为它引导相关集成电路企业提供了保障。另一方面，苹果早期的智能终端产品（2010年之前的iPod、iPad、iPhone） 风靡全球，这给了A4芯片创新系统各方巨大的芯片采购预期，有利于降低它们A4芯片研发投入的风险。显然，这两方面因素决定了A4芯片产业创新系统的形成和快速发展。

从创新系统演化看，对行业发展趋势的共识是技术创新各方耦合的根本组织力量。随着集成电路线宽不断逼向物理极限，投资设立新的芯片厂需要巨额资金，投资风险急剧增加。而且，集成电路生产需要上百道氧化、烘烤、隔离、光刻等工序，其中许多道工序并没有实现标准化操作，仅依赖只能意会的工艺，生产的不确定性较大。所有这些都导致集成电路企业在进行研发投入时非常谨慎，不同企业在对行业发展趋势具有一致的理解时，研发才可能向着一致的方向发展，并通过市场导向，以及并购等手段形成合力。案例中，苹果、三星、ARM等公司都不同程度地具有移动互联战略，他们认为芯片应向着适应于智能终端的低功耗方向发展，这是他们能够联合的重要因素，而英特尔公司没有对移动互联浪潮给予充分的重视，仍然将发展重心设定在高效能芯片，最终没有能够融入A4芯片产业创新系统。

从创新系统空间看，全球优势创新资源联动是实现快速技术突破的有效手段。随着产业分工越来越细化，产业链逐渐拉长，像集成电路这种纯知识密集型产业链裂变为架构提供、设计、制造、封装和测试等链条，各国依靠自身要素禀赋和国家战略聚焦产业链相关环节，产品向着定制化特征明显的系统级芯片(SoC)发展。在这一背景下，单个企业，特别是下游企业，单凭自身的实力是很难在短期内实现核心技术的突破，为了快速推进技术创新，大范围整合全球优势创新资源将是最有效的手段。案例中，苹果公司整合了包括美国、英国、韩国、意大利、法国等国企业的优势资源，实现了低功耗、高效能移动芯片技术的快速突破。这一过程正如ARM公司总裁在总结苹果研发芯片成功原因时所说“苹果公司有着经验十分丰富的工程师，所以他们在ARM基础上自己设计的A4芯片获得了成功，当然，他们也不是完全从头开始做的……”。

从创新系统绩效看，基础软件等下游核心技术是充分释放创新能量的必要保障。电子信息产业的两大战略制高点是集成电路和操作系统。电子信息全行业发展过去由英特尔的芯片+微软的操作系统联合主导，现在主导力量正向ARM架构+谷歌的安卓操作系统转变。集成电路和操作系统相互影响，联动发展。如果集成电路产业能够密切配合操作系统发展，其产业创新能量将得到更进一步地释放。案例中，苹果公司拥有自主开发的操作系统iOS，在A4芯片研发过程中，能够保证A4与iOS更好地适配，充分发挥A4芯片的作用。从iPhone和其他智能手机的使用效果看，同样配制规格的处理器芯片，iPhone的用户体验较其他品牌产品更为良好。

总之，集成电路产业创新发展离不开产业创新系统的优化和完善，随着产业创新系统的不断发展，集成电路发展瓶颈将不断被破解，这正是我们所期望和追求的。

[1]张利华.华为研发 [M].北京：机械工业出版社，2012：258-278.

[2]克利斯·弗里曼等.工业创新经济学 [M].北京：北京大学出版社，2005：78-95.

[3]约翰·马修斯等.技术撬动战略 [M].北京：北京大学出版社，2009：298-306.

[4]杨道虹.发达国家和地区集成电路产业技术创新模式及其启示 [J].电子工业专用设备，2008.8:53-56.

[5]吴辉凡.创新系统要素联动分析范式研究 [J].科技进步与对策，2012，8：18-23.

[6]李保红编著.ICT创新经济学 [M].北京邮电大学出版社，2010：77-83.

[7]马文芳.处理器核裂变 [N].中国计算机报，2013-8-26：18-21.

[8]贺元平.到底谁最强？市售主流CPU型号性能点评 [DB/OL]. www.zol.com.cn，2010-11-02.

[9]苹果iPhone 4的动力核心：探秘A4芯片 [DB/OL].http://iphone. tgbus.com，2010-06-09.

[10]丁兴良.苹果崛起背后的传感器巨头 [DB/OL].http://blog. chinaceot.com，2013-08-16.

[11]于薇薇.探秘iPad心脏揭开A4核神秘面纱 [DB/OL].http: //article.pchome.net，2010-08-14.

[12]Skyangeles.iPhone将使用ARMCortex处理器获证实 [DB/OL]. http://news.mydrivers.com，2009-05-22.

（责任编辑：GH）

Innovation System of IC Industry Lead by Firms in System Level——A Case Study On Apple Inc.'s A4 Chip R&D

CHENG Zhuo
（MIIT CCID Thinktank Planning Research Institute，Beijing 100846，China）

Based on factor simulation model in industrial innovation，this paper exams the creative development of IC industry lead by firm in system level and presents the situation of advanced creative system of IC industry.Through case study--the Apple Inc. 's A4 chip R&D，this paper reflects the technique outbreak，industrial interaction，geographic space and innovation performance in the ecosystem consisting of system and IC firm.This paper gives constructive implications for national IC industry policy making in the perspective of the whole IT industry chain.The conclusion implies:in the side of the initiative of creative system，system firm's strong capability of chip assessment and large procurement scale are the precondition to accelerate technique outbreak.In the side of the evolution of creative system，the consensus toward the trend of industry is the fundamental force to organize each participants for creating.In the side of the geographic space of creative system，the linkage of advantages of creation resource worldwide is the effective way to fasten technique outbreak.In the side of the performance of creative system，operating system and other core technologies in downstream are the necessary assurance to release creation potential.

IC industry；Innovation system；Apple Inc.；A4 chip

F416.63

A

1004-292X（2014）04-0034-04

2013-10-13

成 卓（1981-），男，辽宁沈阳人，博士，主要从事产业发展研究。