造不起芯片：流片費(fèi)用是罪魁禍?zhǔn)祝?/h1>

一家Fabless（芯片設(shè)計(jì)公司）在芯片研發(fā)上的開銷大頭大概有這么幾樣：購買IP、EDA工具、芯片設(shè)計(jì)人力成本、芯片流片費(fèi)用。

今天主要討論的是芯片流片方面的費(fèi)用。

最便宜的ASIC流片成本需要幾十萬一次，但隨著半導(dǎo)體工藝的升級，芯片設(shè)計(jì)和流片費(fèi)用都要呈指數(shù)級增長。

180nm的流片成本大概是50W元，55nm的成本在200W元，16nm成本就飆升到了3000W - 5000W元，到了7nm最低也要過億。

晶圓加工廠的“點(diǎn)沙成金術(shù)”，究竟值錢在哪里？

晶圓代工

最近，Revegnus在推特曝光了臺積電目前晶圓以及先進(jìn)工藝芯片代工價的表單。其中，臺積電最先進(jìn)的制程3nm今年報(bào)價每片晶圓19865美元。

圖片來源：The Information Network

從臺積電晶圓代工價格上看：

· 90nm制程2004年第四季度量產(chǎn)，每片晶圓報(bào)價1650美元；

· 28nm于2011年第四季度量產(chǎn)，每片晶圓報(bào)價2891美元；

· 5nm制程2020年第一季度量產(chǎn)，每片晶圓報(bào)價為16988美元。相比7nm制程的7016美元，5nm價格上漲81.77%。

最先進(jìn)的3nm制程，今年的報(bào)價為每片19865美元，折合人民幣大概14.2萬。

如果僅僅是計(jì)算晶圓代工價格，顯然是達(dá)不到百萬千萬、乃至上億的級別的。

那芯片流片為何又是動輒上百萬上千萬的花銷？這里就不得不提到掩模板制作了。

掩模板

在整個流片過程中，晶圓（wafer）和掩模板（mask）是花費(fèi)最高的兩項(xiàng)。其中，掩模板的費(fèi)用還要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶圓。

什么是掩模板？我們要先理解晶圓加工的過程。

晶圓加工就是把芯片設(shè)計(jì)版圖（包括形狀、尺寸、層次等）復(fù)制到一塊半導(dǎo)體硅片上，其原理類似于膠片照相機(jī)的成像和沖洗過程。而掩模，就相當(dāng)于照相底片。

掩模是光刻過程中原始圖形的載體，光刻會通過曝光和顯影的過程，把這些圖形信息將傳遞到晶圓片上。所以掩模板的質(zhì)量就直接決定了光刻的質(zhì)量。

這里需要注意的是，這些圖形信息并不是只有一層。因?yàn)樾酒?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E8%B7%AF/">電路是多層次的、立體的，每層的圖形形狀也有所不同。芯片制造需要十幾次甚至幾十次光刻，所以每次光刻都需要一塊掩模板。

每制作一層掩模板都需要涂一遍光刻膠，進(jìn)行一遍前烘、曝光、烘烤、顯影等流程。28nm大概需要40層，而14nm、7nm工藝就需要50層乃至80+層。

用到的掩模板越多，就說明芯片規(guī)模越大、越復(fù)雜，成本也就越高。

之前有報(bào)道提到，臺積電5nm全光罩流片費(fèi)用大概在3億人民幣左右。（中國臺灣省習(xí)慣將掩模板稱為光罩）

MPW和Full Mask

上述的這種昂貴的流片方式叫做Full Mask（全掩膜），就是指承包本次流片所用到的所有掩膜，一般這么干的都是比較“壕橫”的大公司。

換句話說，只有在設(shè)計(jì)完全有把握成功并且準(zhǔn)備大批量生產(chǎn)、商用的時候，才會采用Full Mask的流片方式。

那么不能承包的公司/高校，或者產(chǎn)品首次流片還沒有足夠把握的時候，又該如何呢？

晶圓加工廠貼心地給出了Plan B——MPW（多項(xiàng)目晶圓），多個項(xiàng)目共享某個晶圓。也就是把多個具有相同工藝的集成電路設(shè)計(jì)放在同一晶圓片上流片加工服務(wù)。

這樣一來，同一次制造流程就可以承擔(dān)多個來自不同公司的IC設(shè)計(jì)的制造任務(wù)。等流片結(jié)束后，各家公司/高校按照芯片所占的面積分?jǐn)傎M(fèi)用，領(lǐng)走各自的芯片產(chǎn)品。

這種操作方式可以讓流片費(fèi)下降90%-95%，也就大幅降低了芯片研發(fā)的成本。

寫在最后

掩模板的制作成本非常高昂，即使有MPW這樣降本增效的流片方式，但大多數(shù)IC設(shè)計(jì)企業(yè)還是難以抵抗芯片失敗帶來的損失。

于是業(yè)界中自然就會有人探索“無掩模光刻技術(shù)”，不需要再制作掩模板，成本自然就更低。只是目前仍處于探索的階段，還并不能大規(guī)模推行。

在摩爾定律逐漸放緩、面臨失效的今天，集成電路的進(jìn)一步發(fā)展仍面對諸多挑戰(zhàn)。

科技的進(jìn)步，永無止境。