芯片流片为什么贵？你经历过流片失败的噩梦吗
日期：2023-10-27 13:43:02
作者：kunshan
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NHK纪录片《电子立国自述传》里有前辈说过这样一段话：“每次芯片tapeout的两三个月里，我的内心终日惶惶不安，难以入眠。无时不刻不在想哪里对不对，会不会有问题……等到芯片送回来，第一次按RESET时，我的心情紧张到了极点，松开RESET的瞬间，便是区分天堂与地狱的瞬间。”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。把光刻机想象成印钞机，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，就像光刻机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。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。注：本文来源摩尔芯球，版权原作者所有，如侵犯你的权益，我们将第一时间删除。
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