Fabless halfgeleiderbedrijf: chips ontwerpen zonder eigen fabriek
Een fabless halfgeleiderbedrijf ontwerpt computerchips, maar bakt ze niet zelf. Het woord komt van het Engelse "fab", een afkorting van fabricage-fabriek ("fabrication plant"). "Fabless" betekent dus letterlijk: zonder eigen fabriek. Zie het als een architect die een gebouw ontwerpt tot in de kleinste details, maar het bouwen overlaat aan een gespecialiseerd bouwbedrijf. De architect bepaalt de vorm, de functie en de kwaliteit; de bouwer zorgt dat het ontwerp met de juiste materialen en machines werkelijkheid wordt.
Bekende voorbeelden van fabless bedrijven zijn Nvidia, Qualcomm en Apple. Nvidia ontwerpt de grafische chips en AI-processoren die het bedrijf wereldberoemd maakten, maar de daadwerkelijke productie gebeurt bij het Taiwanese TSMC. Apple ontwerpt zelf de processoren in iPhones en Macs, maar laat die eveneens bij TSMC bakken. Deze werkverdeling tussen "ontwerpen" en "maken" is inmiddels de norm geworden in grote delen van de chipindustrie, juist omdat het bouwen van een moderne chipfabriek zo ontzettend duur en complex is geworden.
Wat is het precies?
Een chip maken bestaat grofweg uit twee heel verschillende activiteiten. De eerste is het ontwerp: ingenieurs bepalen hoe de chip moet werken, welke rekeneenheden erop komen, hoe snel en zuinig hij moet zijn, en welke functies hij moet uitvoeren. Dit ontwerpwerk resulteert in een digitale blauwdruk, vaak opgebouwd uit kant-en-klare bouwblokken ("IP-blokken", waarbij IP staat voor intellectual property oftewel intellectueel eigendom) die het bedrijf zelf heeft ontwikkeld of heeft ingelicentieerd bij gespecialiseerde leveranciers.
De tweede activiteit is de fabricage: het daadwerkelijk aanmaken van de chip op een schijf van zeer zuiver silicium, een zogeheten wafer. Dit gebeurt met lithografiemachines die met licht en chemische processen extreem kleine structuren op het silicium aanbrengen, soms slechts enkele nanometers (miljardste meters) groot. Deze fabricagestap vereist reusachtige, hypermoderne fabrieken die "foundries" worden genoemd.
Een fabless bedrijf doet alleen het eerste deel: het ontwerp. Voor de fabricage huurt het de diensten in van een foundry, een bedrijf dat gespecialiseerd is in het bakken van chips voor anderen. De bekendste foundry is TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), maar ook Samsung Foundry, GlobalFoundries, UMC en het Chinese SMIC vervullen deze rol.
Dit staat tegenover het model van een IDM, een Integrated Device Manufacturer, oftewel een geïntegreerde chipfabrikant die zowel ontwerpt als zelf bakt. Intel is het bekendste voorbeeld: decennialang ontwierp en produceerde het bedrijf zijn eigen processoren in eigen fabrieken. Sommige bedrijven, zoals Samsung, doen zelfs beide: ze ontwerpen en bakken hun eigen chips, maar bieden hun fabrieken ook aan als foundry voor andere bedrijven.
Wat wil men ermee bereiken?
Het fabless-model bestaat vooral om één simpele reden: een moderne chipfabriek bouwen is extreem duur geworden. Voor de nieuwste procesnodes (de aanduiding voor hoe klein en geavanceerd de structuren op een chip zijn) lopen de kosten van een enkele fabriek naar schatting op tot tientallen miljarden dollars, onder meer door de kostbare lithografiemachines die nodig zijn. Voor de meeste bedrijven is het financieel onhaalbaar om zo'n fabriek zelf te bouwen en up-to-date te houden.
Door het ontwerp te scheiden van de fabricage kan een chipbedrijf zich volledig richten op waar het goed in is: architectuur, software-integratie en innovatie, zonder de last van miljardeninvesteringen in fabrieken. Foundries op hun beurt kunnen zich specialiseren in productie-efficiëntie en profiteren van schaalvoordelen, omdat ze voor tientallen klanten tegelijk chips bakken op dezelfde fabrieksvloer.
Dit levert bovendien flexibiliteit op. Een fabless bedrijf kan makkelijker overstappen naar een andere foundry of een nieuwere procestechnologie, terwijl een IDM vastzit aan het tempo waarin het zijn eigen fabrieken kan vernieuwen. Het resultaat is doorgaans een snellere innovatiecyclus en lagere drempels voor nieuwe toetreders, wat weer bijdraagt aan meer concurrentie en variatie in chipontwerpen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het fabless-model ontstond niet toevallig. TSMC, opgericht in 1987 door Morris Chang in Taiwan, wordt algemeen gezien als de eerste "pure-play foundry": een fabriek die uitsluitend chips bakt voor andere bedrijven en zelf geen eigen chipontwerpen op de markt brengt. Dit maakte het voor kleinere ontwerpbedrijven voor het eerst mogelijk om chips te laten produceren zonder zelf een fabriek te bezitten.
AMD, van oudsher een IDM net als concurrent Intel, stootte rond 2008-2009 zijn eigen fabrieken af. Deze werden ondergebracht in een apart bedrijf dat later GlobalFoundries werd, terwijl AMD zelf fabless verderging en sindsdien zijn chips laat bakken door externe foundries, waaronder TSMC.
Apple begon met de A4-chip in 2010 (gebruikt in de eerste iPad en iPhone 4) zelf processoren te ontwerpen voor zijn mobiele apparaten, in plaats van chips van andere leveranciers te gebruiken. Met de introductie van de M1-chip in 2020 breidde Apple dit uit naar Mac-computers. Apple ontwerpt deze chips zelf, maar laat de productie over aan TSMC.
Nvidia groeide uit tot het grootste fabless bedrijf ter wereld, mede dankzij de sterke vraag naar chips voor kunstmatige intelligentie. Ook Qualcomm, bekend van de Snapdragon-chips in smartphones, en het Taiwanese MediaTek zijn voorbeelden van grote fabless spelers die zich volledig op ontwerp richten en de productie uitbesteden.
Hoe ver is de techniek?
Het fabless-model is inmiddels volwassen en dominant in grote delen van de chipindustrie, maar het brengt ook kwetsbaarheden met zich mee. TSMC heeft een zeer sterke, mogelijk zelfs dominante positie in de productie van de meest geavanceerde chips: een groot deel van de wereldwijde capaciteit voor de nieuwste procesnodes bevindt zich in Taiwan. Dat maakt de wereldwijde chipvoorziening gevoelig voor gebeurtenissen op dat eiland, van natuurrampen tot geopolitieke spanningen rond de status van Taiwan.
Intel probeert deze balans te veranderen. Rond 2021 kondigde het bedrijf, onder de noemer "IDM 2.0", aan dat het zijn fabrieken ook wil openstellen voor externe klanten via een eigen foundrytak, inmiddels Intel Foundry genoemd. Het is nog onduidelijk in hoeverre Intel hiermee echt kan concurreren met TSMC op geavanceerde procestechnologie; dit wordt in de sector nog altijd als een open vraag gezien.
Een ander onzeker punt is de toegang tot lithografiemachines. Het Nederlandse ASML is wereldwijd de enige leverancier van de meest geavanceerde EUV-lithografiemachines (Extreme Ultraviolet), die onmisbaar zijn voor de nieuwste chipgeneraties. Sinds 2023 gelden er, mede op aandringen van de Verenigde Staten, exportbeperkingen die verkoop van deze en verwante machines aan Chinese bedrijven bemoeilijken. Dit raakt met name de Chinese foundry SMIC, die daardoor moeite heeft om de allernieuwste procesnodes te bereiken. Hoe deze beperkingen zich op langere termijn ontwikkelen, is nog niet te zeggen.
Wie werken eraan?
Aan de ontwerpkant behoren Nvidia, Qualcomm, Broadcom, AMD, MediaTek, Marvell en Apple tot de grootste fabless chipbedrijven ter wereld. Zij bepalen de architectuur van chips voor onder meer AI, smartphones, netwerkapparatuur en pc's, maar bezitten zelf geen productiefaciliteiten.
Aan de productiekant (de foundries) domineert TSMC uit Taiwan, gevolgd door Samsung Foundry uit Zuid-Korea, GlobalFoundries (met wortels in de Verenigde Staten en het Midden-Oosten), UMC uit Taiwan en SMIC uit China. Een aparte, maar cruciale rol is weggelegd voor bedrijven als Arm, dat geen eigen chips maakt maar herbruikbare ontwerpen (IP) licentieert die door talloze fabless bedrijven als bouwsteen worden gebruikt.
Op landenniveau speelt Taiwan een sleutelrol dankzij TSMC en UMC, terwijl de Verenigde Staten met de CHIPS Act van 2022 en de Europese Unie met de European Chips Act van 2023 proberen om meer chipproductie binnen eigen grenzen te krijgen, deels om minder afhankelijk te worden van Aziatische foundries. Zuid-Korea (Samsung) en China (SMIC, met overheidssteun) investeren eveneens fors om hun positie in de mondiale chipketen te versterken.