國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)持續(xù)勇闖“流片”關(guān)

從一顆到量產(chǎn)，流片決定著芯片設(shè)計(jì)方案是否能用。每一次流片成功，都意味著一次成功的芯片設(shè)計(jì)。今年以來，國內(nèi)諸多企業(yè)先后宣布芯片流片成功，這些成功無疑極大的證明國內(nèi)芯片的進(jìn)步。

國內(nèi)GPU領(lǐng)域，沐曦首顆高性能通用GPU芯片宣布流片，采用7納米工藝，預(yù)計(jì)2023年量產(chǎn)；景嘉微宣布其JM9系列第二款GPU已經(jīng)完成流片、封裝階段工作；象帝先天鈞一號(hào)GPU在今年6月進(jìn)入流片。

汽車芯片領(lǐng)域，中穎電子正在研發(fā)車規(guī)級(jí)MCU，已流片成功，在驗(yàn)證階段；國芯科技汽車域控制器芯片CCFC2016B已經(jīng)完成流片；龍芯中科在接受機(jī)構(gòu)調(diào)研時(shí)表示，其做了控制用的高可靠汽車MCU芯片，第一款已經(jīng)流片；

SoC芯片領(lǐng)域，芯原科技已實(shí)現(xiàn)5nm系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）一次流片成功，多個(gè)5nm一站式服務(wù)項(xiàng)目正在執(zhí)行；快手推出SL200自研SoC芯片，前已流片成功，正在進(jìn)行線上內(nèi)測。

接連不斷的流片消息，國內(nèi)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)一直在闖“流片”關(guān)。

01

流片“定生死”

流片的重要性就在于，能夠檢驗(yàn)芯片設(shè)計(jì)是否成功。流片是芯片制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也就是將設(shè)計(jì)好的方案，交給芯片制造廠，現(xiàn)生產(chǎn)幾片或者幾十片樣品，檢測設(shè)計(jì)的芯片是否能夠，或者是否需要進(jìn)一步優(yōu)化，如果能夠生產(chǎn)出符合要求的芯片，那么就可以大規(guī)模生產(chǎn)了。

芯片流片的風(fēng)險(xiǎn)非常高。歷史上，小米旗下松果電子的澎湃S2系列芯片因?yàn)檫B續(xù)五次的流片失敗損失慘重。對(duì)于企業(yè)來說，流片失敗意味著時(shí)間成本和資金都付諸東流，且下次流片結(jié)果依然未知。如果延誤了產(chǎn)品上市的時(shí)間，在現(xiàn)在多變的市場中對(duì)于企業(yè)是極為致命的。

芯片設(shè)計(jì)的過程中有許多步驟，其中某一個(gè)步驟的失誤都有可能造成流片失敗。有芯片設(shè)計(jì)公司人士總結(jié)了芯片流片失敗的原因：

第一，Design的版本拿錯(cuò)，尤其是ROM版本拿錯(cuò)，基本芯片就是廢片；第二，出現(xiàn)一些無法利用軟件繞開的BUG，比如在電源管理的時(shí)候，芯片在進(jìn)入低功耗狀態(tài)后無法退出，這類情況芯片雖然可以點(diǎn)亮，但是無法使用，屬于重大失誤；第三，對(duì)于安全要求非常高的芯片，如果出現(xiàn)硬件安全漏洞，軟件無法規(guī)避的，那么芯片也算流片失??；第四，即使芯片功能達(dá)到要求，但是對(duì)于功耗要求低的物聯(lián)網(wǎng)芯片，功耗過高也會(huì)屬于流片失敗。

總的來看，流片失敗除了在硬件方面實(shí)際無法點(diǎn)亮外，沒有達(dá)到功耗、電路、功能的要求都能判定流片失敗。

在去年，地平線發(fā)布征程5芯片時(shí)，其創(chuàng)始人余凱自豪的宣布：“征程5芯片一次性流片成功。我們本來是準(zhǔn)備了150小時(shí)的測試，結(jié)果15個(gè)小時(shí)全部通過?！钡仄骄€一次通過，可以看出其研究團(tuán)隊(duì)實(shí)力強(qiáng)勁。但是在芯片制造過程中，能夠一次就流片成功的案例非常少，大多設(shè)計(jì)公司都需要經(jīng)歷多次流片。

有模擬芯片公司即使在團(tuán)隊(duì)完備、思路清晰的情況下，還是耗了8年時(shí)間，歷經(jīng)18次流片，才最終完成了傳感器模擬計(jì)算IP驗(yàn)證，打造出了理想中的那顆“超低功耗、超近傳感”芯片。

02、極力支持的流片政策

如此關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，極為燒錢。某些更小的設(shè)計(jì)企業(yè)，也會(huì)在多次流片失敗中宣布倒閉。有工程師表示：“我之前的公司就是被流片失敗搞垮的?！?/p>

影響制造一顆成功芯片的因素非常多，包括采用什么樣的工藝、多大尺寸的晶圓、芯片EDA的設(shè)計(jì)等，每一個(gè)環(huán)節(jié)的選擇都會(huì)影響這顆芯片的流片成功率和成本。流片成本主要取決于半導(dǎo)體工藝，也就是芯片制程。隨著半導(dǎo)體工藝的升級(jí)，芯片設(shè)計(jì)和流片費(fèi)用都要呈指數(shù)級(jí)增長。

臺(tái)積電成本影響示例

“千萬級(jí)乃至上億”去形容流片成本并不為過，據(jù)統(tǒng)計(jì)，最便宜的ASIC流片成本需要幾十萬一次，180nm的流片成本大概是50萬元，55nm的成本在200萬元，16nm成本就飆升到了3000萬-5000萬元，到了7nm最低也要過億。

在中芯國際工作過的工程師分析了流片的過程和成本。芯片的成本分為兩部分，一部分是Mask的成本，一部分是Wafer的成本。簡單來說，費(fèi)用=Mask制版費(fèi)+N*單片晶圓成本。

在芯片設(shè)計(jì)完成后，會(huì)生產(chǎn)復(fù)雜的圖片文件，一般來說會(huì)有30-50層，這些層需要在光罩廠做Mask（掩膜版）。工藝節(jié)點(diǎn)越高流片價(jià)格越貴，因?yàn)楦吖に囆枰嗟腗ask。例如在14nm制程上，需要60張Mask，而7nm就需要上百張Mask。

由于掩膜版每層的精度不同，光罩價(jià)格有些差異，但總體上40nm大約在30-50萬美元，晶圓成本每片大約在1500-2000美元左右。因此，對(duì)于流片幾片到幾十片的設(shè)計(jì)廠來說，主要成本用于支付Mask。

由于流片生產(chǎn)的芯片數(shù)量少，30-50萬美元的掩膜成本平攤到各個(gè)芯片來看，成本也極為高昂；但量產(chǎn)時(shí)將相同的掩膜成本平攤到十萬片芯片上時(shí)，相對(duì)成本就低了很多。

流片對(duì)于設(shè)計(jì)企業(yè)來說，確實(shí)是一大生死關(guān)，正因如此國內(nèi)政府一直出臺(tái)相應(yīng)政策支持流片。實(shí)際上，從2000年時(shí)，我國財(cái)政部稅務(wù)總局就已經(jīng)通知海關(guān)總署，表示國內(nèi)設(shè)計(jì)并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成電路產(chǎn)品，因國內(nèi)無法生產(chǎn)，到國外流片、加工，其進(jìn)口環(huán)節(jié)增值稅超過6%的部分實(shí)行即征即退。

在今年各省的十四五規(guī)劃中，也都出現(xiàn)了對(duì)于流片的格外支持。

上海對(duì)于符合條件的設(shè)計(jì)企業(yè)開展有利于促進(jìn)本市集成電路線寬小于28納米（含）工藝產(chǎn)線應(yīng)用的流片服務(wù)，相關(guān)流片費(fèi)計(jì)入項(xiàng)目新增投資，對(duì)流片費(fèi)給予30%的支持，支持金額原則上不高于1億元。

北京對(duì)開展工程產(chǎn)品首輪流片(全掩膜)的企業(yè),按產(chǎn)品流片費(fèi)用的30%予以獎(jiǎng)勵(lì),單個(gè)企業(yè)年度獎(jiǎng)勵(lì)額最高不超過1000萬元;對(duì)在京代工的工程產(chǎn)品首輪流片(全掩膜)的企業(yè),按產(chǎn)品流片費(fèi)用的50%予以獎(jiǎng)勵(lì),單個(gè)企業(yè)年度獎(jiǎng)勵(lì)額最高不超過2000萬元。

橫琴對(duì)開展工程產(chǎn)品量產(chǎn)前全掩膜首輪流片的企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)，給予年度最高3000萬元流片補(bǔ)貼。

從流片支持力度來看，上海、蘇州、杭州、合肥、珠海、廣州等地給予補(bǔ)貼較大。其中，上海流片補(bǔ)貼最高額可達(dá)1億元，珠海給予年度最高補(bǔ)貼3000萬元。

03、MPW與Full?Mask模式

為了解決高昂的流片價(jià)格，行業(yè)內(nèi)也演變出兩種流片方式Full Mask和MPW。

MPW（Multi Project Wafer）是很多小設(shè)計(jì)公司采用的流片方式。簡單來說，MPW就是將多個(gè)具有相同工藝的集成電路設(shè)計(jì)放在同一圓片上流片，按面積分擔(dān)流片費(fèi)用。

業(yè)內(nèi)人士表示：“Share Mask的好處就是省錢，但是由于你要等別人的數(shù)據(jù)都ready，所以需要更多的時(shí)間。通常大廠會(huì)自己利用一套Mask，畢竟30-50萬對(duì)大廠來說不算太高；小公司偏向Share Mask，畢竟30-50萬也不容易?！?/p>

下圖是其MPW服務(wù)的一個(gè)示例，圖中右下角的圓型是一個(gè)完整的6晶圓，用方框標(biāo)出的矩形部分為MPW加工服務(wù)機(jī)構(gòu)拼接后得到的中間數(shù)據(jù)，方框中的小矩形為不同設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)的不同芯片。方框內(nèi)部放大后如圖的上半部分所示。圖中左下角是封裝后的集成電路芯片。實(shí)際加工時(shí)是將拼接后的矩形作為一個(gè)（虛擬）芯片，再進(jìn)行流片制造。按照集成電路加工線的要求，通常一次加工必須制造一定數(shù)量的wafer（通常大于5片），因此一次MPW加工可以提供給設(shè)計(jì)公司足夠多數(shù)量的樣片。

代工廠每年固定實(shí)際（大多是Q4）會(huì)放出次年的MPW計(jì)劃表，各家公司根據(jù)自己的需求報(bào)上車，一般來講，越是先進(jìn)的工藝安排的MPW頻率越高，較為成熟的工藝，可能一年下來次數(shù)很少。

有IC設(shè)計(jì)廠的業(yè)內(nèi)人士透露：“先進(jìn)工藝下（55nm以下），一般是工藝廠來安排，事先會(huì)將晶圓劃好ABCD等多個(gè)區(qū)域，并報(bào)價(jià)，各家公司根據(jù)自己情況去預(yù)訂一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，同時(shí)各家公司可以進(jìn)一步選擇在自己區(qū)域里放多個(gè)項(xiàng)目的測試片進(jìn)去。（以LOGO區(qū)分）?！?/p>

一些大晶圓廠就會(huì)選擇Full Mask模式。Full Mask就是指整個(gè)晶圓制造過程中的全部Mask都是為某個(gè)芯片所用，顯然投片的成本非常高。但是這種方式可以將流片和后續(xù)量產(chǎn)縮短三個(gè)月左右時(shí)間。在與市場賽跑的過程中，更早的成品自然代表著更多的市場份額。

同時(shí)，國內(nèi)一些直接采用Full Mask的設(shè)計(jì)廠，也是對(duì)自身開發(fā)能力的絕對(duì)自信。

編輯：黃飛

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