半導體設計公司的固定成本飆升

掩膜組、芯片驗證（Verification）與驗實（Validation）讓半導體設計公司的固定成本飆升。

我們正處于半導體設計的復興之中。世界上幾乎每家大公司都有自己的芯片戰(zhàn)略，因為它們都試圖實現(xiàn)垂直整合。半導體行業(yè)有比以往更多的芯片初創(chuàng)公司，該行業(yè)已經(jīng)不再是把英特爾 CPU 應用在一切場景的時代了。隨著摩爾定律的放緩，設計正涌向異構(gòu)架構(gòu)，這些架構(gòu)更適合其特定任務。如果解決了軟件挑戰(zhàn)，專業(yè)化芯片的性能將大大優(yōu)于 CPU，但這種專業(yè)化策略也有不利的一面。固定成本正在爆炸式增長，導致設計公司的數(shù)量大幅下降。半導體是一個規(guī)模經(jīng)濟的行業(yè)，隨著每一代新技術(shù)的發(fā)展，這一特點變得越來越明顯。

晶圓制造是一個用光刻定義特征隨后通過沉積、蝕刻和其他工藝步驟構(gòu)建特征的過程。前沿的半導體制造涉及使用 60 多個獨特的光刻層和伴隨的步驟。這些光刻層中的每一層都需要一個獨特的光掩模。所有掩模的集合稱為掩模組。這些光掩模組將設計從芯片架構(gòu)師轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢硖卣?。用大多?shù)外行的話來說，掩模組可以被認為是一組包含芯片設計的模板。每個獨特的芯片設計都需要自己的掩模組。

有許多技術(shù)手段被用來降低設計該芯片的成本，但將一個設計推向市場的最大成本來自于掩模組的成本。在 90nm 到 45nm 的代工工藝節(jié)點上，掩模組的成本約為數(shù)十萬美元。在 28nm 時，它超過了 100 萬美元。對于 7nm，成本增加超過 1000 萬美元，而現(xiàn)在，隨著代工廠跨越 3nm 的障礙，掩模組成本將開始推向 5000 萬美元。

晶圓價格正在上漲，但掩模組的成本增長得更快。來自 IC Knowledge 的上圖說明了這個難題?？绻に嚰夹g(shù)時代的芯片的產(chǎn)量必須顯著提高，才能利用晶體管縮小帶來的經(jīng)濟效益。

一些人認為晶體管成本在 28nm、7nm、5nm 等各種工藝節(jié)點停止下降。聲稱晶體管成本已經(jīng)停止下降并開始增加的人數(shù)似乎以比摩爾定律速度快一倍。需要明確的是，即使在 5nm 甚至 3nm ，每個晶體管的成本也會繼續(xù)下降，但這僅是對于擁有大量芯片出貨的企業(yè)來說的。芯片設計很昂貴但也沒有IDC和麥肯錫所說的那么貴，下面是他們的總結(jié)的表格。

多家芯片在臺積電 7nm 節(jié)點流片了 5000 萬至 7500 萬美元的芯片的初創(chuàng)公司表示，他們的成本包括他們的整個軟件、設計和流片成本，這些成本將根據(jù)制造的芯片類型而有很大差異。

隨著行業(yè)在工藝技術(shù)方面的進步，成本不斷增加。更多的公司將沒有足夠高的產(chǎn)量來攤銷與掩模組相關的固定成本，以利用每晶體管成本的提高。

剛剛開始設計芯片業(yè)務的初創(chuàng)公司和非半導體公司不僅要應對達到更高水平的收支平衡，還必須應對巨大的風險。最大的單項成本是設計驗證和驗實。如果驗證和驗實流程達不到要求，公司將面臨大量產(chǎn)品延遲的風險。這些問題也會發(fā)生在業(yè)內(nèi)最領先的企業(yè)身上。

英特爾在制程技術(shù)方面落后，如果英特爾能夠快速提升節(jié)點，intel 4 和 3 制程節(jié)點可能會與臺積電的最佳節(jié)點競爭。即使英特爾在制程技術(shù)上與臺積電相提并論，他們還有其他可能被證明無法克服的障礙。目前來看英特爾面臨的最大問題是他們的設計驗證和驗實流程。為了說明，讓我們看一下英特爾的數(shù)據(jù)中心芯片。

英特爾目前的服務器芯片 Ice Lake 于 2018 年 12 月首次披露。產(chǎn)品發(fā)布時間為 2021 年 4 月，直到 2021 年第三季度/第四季度才開始量產(chǎn)。英特爾可能在 2018 年初首次將Ice Lake的數(shù)據(jù)寫入（聚合 IP 以開始制作掩模組）。在tape-in之后，英特爾完成了這些晶圓并封裝了芯片，并于 2018 年底開始測試。這是該芯片的第一次運行，但 Ice Lake 需要許多新的試用才能完全發(fā)揮作用。每次新的測試都需要至少一些新的掩模，這進一步增加了開發(fā)成本。

英特爾的下一代服務器芯片 Sapphire Rapids 在驗證和驗證方面也面臨著類似的問題。Sapphire Rapids 設計的第一個版本于 2020 年 6 月啟動?，F(xiàn)在，在 2022 年年中，英特爾仍在修改設計和掩模組，因為他們在設計早期沒有發(fā)現(xiàn)問題。這主要是由于驗證和驗實問題。Sapphire Rapids 似乎將在 2022 年晚些時候推出，但現(xiàn)在預計將在 2023 年初實現(xiàn)銷量增長。

英特爾的驗證和驗實問題大大增加了成本并延長了時間。對英特爾來說，不得不修改掩膜對成本來說并不是一個大問題，因為它們出貨的數(shù)量很大，但延遲對其競爭力非常有影響。每個新版本都需要至少一些新的掩模，通過晶圓廠運行晶圓并封裝芯片。這個過程需要幾個月的時間。根據(jù)Angstronomics的說法，對于 IceLake，英特爾需要六個版本才能發(fā)布，而 Sapphire Rapids 看起來需要七個版本。

相比之下，在 AMD 和英偉達等行業(yè)中被認為是最好的領先設計公司只需要一小部分時間。眾所周知，英偉達擁有非常廣泛的自定義模擬、驗證和驗實流程，在許多情況下甚至需要不到一年的時間。英特爾可以承受這些問題，因為它們是如此強大，即使這是導致它們業(yè)務下滑的原因。不過，英特爾也已經(jīng)在努力檢修和解決這個問題?，F(xiàn)在想象一下，如果一家非半導體公司或全新的芯片設計團隊失敗了，什么會發(fā)生在他們身上。這些延遲可能會扼殺一個特定的芯片項目，比如 Meta 和微軟曾遭遇的。這些延遲甚至可能扼殺整個公司或戰(zhàn)略。盡管半導體設計復興的蓬勃發(fā)展，但這個過程不會一帆風順。

更多成熟的公司可能會有一些完全垂直的設計，但他們也會轉(zhuǎn)向與博通、Marvell、英特爾、AMD 等公司的半定制交易。由于預算更加有限，初創(chuàng)企業(yè)的情況要艱難得多。AI芯片初創(chuàng)公司可能是成本問題首先造成影響的地方。多家知名人工智能初創(chuàng)公司已經(jīng)裁員，而這僅僅是個開始。

盡管如此，仍有許多初創(chuàng)公司會蓬勃發(fā)展。但需要知道的事，芯片設計是一個非常高風險的游戲。

審核編輯 ：李倩