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都知道,芯片研发是一件特别烧钱的事儿,对于流片(Tape-out)大家一定都不陌生。所谓流片,就是像流水线一样通过一系列工艺步骤制造芯片,简单来说就是芯片公司将设计好的方案,交给晶圆制造厂,先生产少量样品,检测一下设计的芯片能不能用,根据测试结果决定是否要优化或大规模生产。为了测试集成电路设计是否成功,必须进行流片,这也是芯片设计企业一般都在前期需要投入很大成本的重要原因。
但流片是一件非常烧钱的事,哪家企业都经不住流片失败的折腾,多几次流片失败,很可能就会把公司搞垮。董明珠的格力曾号称砸几百亿搞芯片,但后续也没有了消息。2019年曾传出小米旗下松果电子的澎拜S2系列芯片连续5次流片失败,设计团队重组的惨痛案例。更有网友戏谑,“流片一次等于上海一套大平层”,甚至还放出了不同工艺类型流片一次的花费。
流片为什么这么贵
流片的价格为什么这么贵?这就要提到芯片的制造原理了。芯片制造要在指甲盖大小的芯片里放上亿个晶体管,制造工艺已经到了肉眼不可见的纳米级,只能用光刻来完成。光刻就是用光刻出想要的图形,光刻需要用到掩膜版(又称光罩,Mask),掩膜版就是把设计好的电路图雕刻在上面,让光通过后,在晶圆上刻出图形。这个东西的原材料不值钱,但制造它的机器特别贵,所以到手的掩膜版也十分昂贵。
掩膜版是微电子制造过程中的图形转移工具或母版,其功能类似于传统照相机的“底片”,根据客户所需要的图形,通过光刻制版工艺,将微米级和纳米级的精细图案刻制于掩膜版基板上,是承载图形设计和工艺技术等内容的载体。
这种从掩膜版的图形转换到晶圆上的过程,有点类似印钞机的工作流程。把***想象成印钞机,晶圆相当于印钞纸,掩膜就是印版,把钞票母版的图形印到纸张上的过程,就像***把掩膜版上的芯片图形印到晶圆上一样。
掩膜版的价格主要取决于芯片所选用的“工艺节点”,工艺节点越高、流片价格就越贵。这是因为越先进的工艺节点,所需要使用的掩膜版层数就越多。据IBS数据显示,在16/14nm制程中,所用掩膜成本在500万美元左右,到7nm制程时,掩膜成本迅速升至1500万美元。
掩膜版的总体费用,包括石英,光刻胶等原材料的成本,Mask Writer和Inspection等机台的使用成本,另外还有掩膜版相关数据的生成,包括OPC、MDP等软件授权、服务器使用和人工开发成本等等。对于一款芯片,动辄几十层的掩膜版,需要如此多的步骤,设备、软件、人员缺一不可,费用自然昂贵。
据业内人士透露,某晶圆代工厂(Foundry) 40nm流片的光罩成本大约60-90万美元;进入量产之后,每片晶圆可能3000-4000美元左右,所以,当前期生产5-25片进行产品验证用,Mask成本是主要的;如果量产很多,Mask的成本平摊到每片晶圆以后就很少了,那么则是晶圆主导成本。准确的说应该是平均到每一颗芯片上的费用便宜了,而不是总的流片费用便宜了。
如何降低流片成本
那么,面对流片价格高的问题,有没有什么办法来降低成本?
MPW ** (Multi Project Wafer) 就是一种可以帮助设计企业降低成本的流片方式。** MPW是指由多个项目共享某个晶圆,同一次制造流程可以承担多个IC设计的制造任务,将多个使用相同工艺的集成电路设计放在同一晶圆上流片,制造完成后,每个设计可以得到数十片芯片样品,这一数量对于原型设计阶段的实验、测试已经足够。
通俗来讲就是几家公司或机构一起购买一套掩膜版,然后生产出来的同一片晶圆上会同时存在有好几款芯片,待晶圆切割后,再把各自的芯片“领回家”。而该次制造费用就由所有参加MPW的项目按照芯片面积分摊,极大地降低了产品开发风险。MPW带来的好处是显而易见的,采用多项目晶圆能够降低芯片的生产成本,为设计人员提供实践机会,并促进了芯片设计的成果转化,对IC设计人才的培训,中小设计公司的发展,以及新产品的开发研制都有相当大的促进作用。
对比来看,共享Mask的好处就是省钱,但是可能要等代工厂的时间节点,需要更多的时间。对于那些不差钱或赶时间的企业当然可以自己利用一套Mask(Full- Mask,全掩膜),制造流程中的全部掩膜都为自己的设计来服务,通常用于设计定型后的量产阶段。但是,在当前产能严重紧缺的情况下,代工厂面对不同客户的产品需求、竞争优势、市场前景和计划等态度是完全不同的,代工厂会综合考虑客户下单量,后续下单稳定性以及产品所面向的市场前景来做判断。
实际上,对于大部分的中小企业来说,除了价格以外,在流片或量产环节还面临着包括产能、交期在内的诸多挑战:
1.对Foundry体系不了解,缺乏工艺选型的经验和Foundry打交道的经验;
2.主流Foundry准入门槛高,新兴玩家难以申请预期的工艺或支持,沟通成本高;
3.缺乏系统的供应链管理能力,尤其在量产产能爬坡阶段,对产能、交期、质量过于乐观;
4.产能紧缺情况下,缺乏备货机制,恐慌性下单或有了订单再下单导致产能跟不上市场需求。此外,交期的变化、产能的波动都会大大增加初创公司与晶圆代工厂的沟通成本,降低效率。
对此,中小芯片设计企业可以寻求有资源、有经验的第三方流片服务平台进行合作,一同来解决遇到的供应链难题。
审核编辑:刘清
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