手機芯片為啥這么燒錢？

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，手機逐漸成為我們的個人標配。手機的關鍵在于芯片，芯片的質量很大程度上決定了手機的性能，可是手機芯片為什么這么貴呢？

芯片就像手機的大腦，我們將輸入信號作為原材料輸入手機，通過改變芯片內部的走線、邏輯，就能對輸入信號實現(xiàn)不同的處理方式。也正因此，手機芯片是當今集成度超高的元器件，別看它只有一個指甲蓋的大小，里面可是包含了數(shù)十億晶體管呢，蘋果的A15仿生芯片包含了150億個晶體管，每秒可執(zhí)行15.8萬億次操作。因此，無論是研發(fā)還是制造難度，大家都可想而知。

經(jīng)常會有新聞講某某公司在芯片方面投了多少億，文檔君覺得好多好多錢呀，可是了解下去發(fā)現(xiàn)，這么多錢竟然只夠公司燒一年？今天我們就從芯片的研發(fā)與生產(chǎn)兩個方面來看看，手機芯片是如何產(chǎn)生的？為啥那么貴？一款芯片從無到有，要經(jīng)歷兩大階段：研發(fā)環(huán)節(jié)和制造環(huán)節(jié)。

芯片研發(fā)

芯片的研發(fā)流程大致可分為：

• IP（知識產(chǎn)權）采購
• 前端設計
• 驗證
• DFT（可測試性設計）設計
• 后端設計
• 封裝設計
• 回片測試

其中，前端設計、驗證、DFT設計、后端設計、封裝設計等過程需要大量的研發(fā)人員的人力投入和不同團隊的分工合作。有粉絲知道這里面有哪些團隊嘛，感興趣的可以在評論區(qū)留言哦~

芯片制造比起芯片的研發(fā)，芯片制造的難度更大，技術壁壘更高。芯片的生產(chǎn)與制造可以大體分為晶圓制造、晶圓光刻顯影和刻蝕、摻加雜質和封裝測試四個步驟。晶圓制造晶圓是制造芯片的物質基礎，由石英砂精煉得來，晶圓是從99.99%的純硅圓柱體（也叫“硅錠”）上切下來的（以半導體制造中最常用的尺寸12寸為例，由于芯片的尺寸各不相同，從12英寸的晶圓上可分割出來幾十個到數(shù)千個芯片），并被打磨得極為光滑，然后再根據(jù)結構需求將導體、絕緣體或半導體材料薄膜沉積到晶圓上。當前我國具備一定的晶圓制造能力，基本上可以實現(xiàn)國產(chǎn)自用。

晶圓光刻顯影和刻蝕

光刻技術決定了芯片上的晶體管可以做到多小。晶圓被放入光刻機中，暴露在深紫外光（DUV）下。光線通過掩模版投射到晶圓上，光刻機的光學系統(tǒng)（DUV系統(tǒng)的透鏡）將掩模版上設計好的電路圖案縮小并聚焦到晶圓上的光刻膠。光刻膠，又稱光致抗蝕劑，是指通過紫外光、電子束、離子束、X射線等的照射或輻射，其溶解度發(fā)生變化的耐蝕劑刻薄膜材料。當光線照射到光刻膠上時，會產(chǎn)生化學變化，將掩模版上的圖案印制到光刻膠涂層上。

刻蝕是為了去除退化的光刻膠，以顯示出預期的圖案。在刻蝕過程中，晶圓被烘烤和顯影，光刻膠被洗掉，顯示出一個開放通道的3D圖案。先進的刻蝕技術使芯片制造商能夠使用雙倍、四倍和基于間隔的圖案來創(chuàng)造出現(xiàn)代芯片設計的微小尺寸。像3D NAND這種高達175層的空腔結構的芯片設計，需要保證空腔深度完全正確，刻蝕過程格外困難。

通過光刻機對指定位置進行刻蝕，這一過程極為精密和復雜，實際上世界上只有荷蘭 ASML 公司有能力制造昂貴的光刻機，其 7nm 光刻機售價高達 1 億美元 。摻加雜質摻加雜質可以增加立體結構復雜程度，越是復雜的集成電路，其立體結構就越復雜，摻加雜質的步驟也就越復雜。集成電路的基礎是 PN 結，要想形成 PN 結，就必須在不同的晶圓里摻加不同的雜質（本質上而言是加入 P、N 型雜質，改變其導電性質）。

PN結：采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱為PN結。PN結具有單向導電性，是電子技術中許多器件所利用的特性，例如半導體二極管、雙極性晶體管的物質基礎。

封裝測試在封裝過程中，為了把芯片從晶圓上取出來，要用金剛石鋸將其切成單個芯片。從晶圓上分割出來的芯片又稱為“裸晶”，隨后會被放置在“基板”上——這種基板使用金屬箔將裸晶的輸入和輸出信號引導到系統(tǒng)的其他部分。然后我們會為它蓋上具有“均熱片”的蓋子，均熱片是一種小的扁平狀金屬保護容器，里面裝有冷卻液，確保芯片可以在運行中保持冷卻。經(jīng)過上述流程，芯片制造商就完成了從版圖到芯片實體的流程，但芯片能否具體工作，其電氣性能是否達標，還需要完成測試才能確定。

因此，芯片制造廠商均需要一批后端測試人員對芯片的性能進行測試。當然，半導體制造涉及到的步驟遠不止這些，芯片還要經(jīng)過測量檢驗、電鍍、測試等更多環(huán)節(jié)，每塊芯片在成為電子設備的一部分之前都要經(jīng)過數(shù)百次這樣的過程。

研發(fā)成本了解了芯片的研發(fā)和制造過程，文檔君帶大家繼續(xù)了解一下芯片為啥這么燒錢呢？

芯片的研發(fā)成本主要包含IP采購、前端設計、驗證、DFT設計、后端設計、封裝設計、回片測試等部分費用。

IP采購

IP采購是芯片研發(fā)中不可忽視的一個環(huán)節(jié)。

費用模式通常分為一次性授權、產(chǎn)品單獨授權，或者兩者疊加起來。例如，手機處理器芯片、AI芯片等都需要集成CPU模塊，目前國內大部分芯片設計公司都采購ARM的CPU核。IP核，全稱知識產(chǎn)權核 (intellectual property core)，是指某一方提供的、形式為邏輯單元、芯片設計的可重用模塊。

回片測試回片測試包含測試硬件、RA（Reliability Test，可靠性測試）實驗、ATE（Automatic Test Equipment，集成電路自動測試設備）機臺使用以及研發(fā)人力投入等成本。其他前端設計、驗證、DFT設計、后端設計、封裝設計支出主要以研發(fā)人員的人力投入為主，此外還包含EDA軟件的使用費、FPGA和Zebu等驗證平臺的硬件費用。

生產(chǎn)成本芯片生產(chǎn)成本主要包括流片、晶圓、CP（Chip Probe，晶圓）測試、封裝、FT（Final Test，最終測試）、SLT（System Level Test，系統(tǒng)級測試）等，其中大部分集中在流片和晶圓。

流片成本

流片，是指像流水線一樣通過一系列工藝步驟制造芯片，在集成電路設計領域，“流片”指的是“試生產(chǎn)”。一次性費用，按照掩膜版層數(shù)計算。在芯片設計完成后，會生產(chǎn)復雜的圖形文件，一般來說會有幾十層到上百層。

這些圖形文件需要在光罩廠做掩膜版。工藝節(jié)點越高，流片價格越貴，因為高工藝需要更多的掩膜版。在16 nm制程上，需要大約60張，而7nm可能就需要上百張。目前最便宜的ASIC流片成本也需要幾十萬一次，180nm的流片成本大概是50萬元，55nm的成本約200萬元。但是16nm的成本就飆升到了3000萬-5000萬元，到了7nm最低也要過億。但到了量產(chǎn)階段，尤其是產(chǎn)品的出貨量比較大，一次性流片費用平攤到數(shù)十萬顆芯片上時，相對成本就低了很多。

晶圓成本

按照出貨片數(shù)每片計算。晶圓價格也是按照工藝節(jié)點區(qū)分的。臺積電12寸晶圓40nm成本每片大約在1500～2000美元，16nm成本每片大約在4000～5000美元之間，7nm成本每片大約在9300美元左右，5nm代工價格約為17000美元，3nm價格預計會達到30000美元左右。說了這么多，終于明白了芯片為啥這么燒錢啦！不過，文檔君認為，這是挑戰(zhàn)，也是一種機遇。2023年，手機芯片行業(yè)隨著智能手機需求的增加，會有更好的前景。