芯片行業(yè)對于流片都不陌生。所謂流片，就是像流水線(xiàn)一樣通過(guò)一系列工藝步驟制造芯片，該環(huán)節處于芯片設計和芯片量產(chǎn)的中間階段，是芯片制造的關(guān)鍵環(huán)節。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將設計好的方案，交給芯片制造廠(chǎng)，先生產(chǎn)幾片幾十片樣品，檢測一下設計的芯片能不能用，然后進(jìn)行優(yōu)化。如果測試通過(guò)，就按照這樣開(kāi)始大規模生產(chǎn)了。

所以為了測試集成電路設計是否成功，必須進(jìn)行流片。這也是芯片設計企業(yè)一般都在前期需要投入很大成本的重要原因。

一顆芯片從設計到量產(chǎn)，流片屬于非常關(guān)鍵的環(huán)節。當芯片完全設計出來(lái)以后需要按照圖紙在晶圓上進(jìn)行蝕刻，采用什么樣的制程工藝，多大尺寸的晶圓，芯片的復雜程度都會(huì )影響這顆芯片的流片成功率和成本，而且許多芯片都不是一次就能流片成功的，往往需要進(jìn)行多次流片才能獲得較為理想的效果。

但流片是一件非常燒錢(qián)的事，多幾次流片失敗，可能就會(huì )把公司搞垮。2019年就曾傳出小米旗下松果電子的澎拜S2系列芯片連續5次流片失敗，設計團隊重組的慘痛案例。

有芯片大廠(chǎng)算過(guò)這筆賬，14nm工藝芯片，流片一次需要300萬(wàn)美元左右，7nm工藝芯片，流片一次需要3000萬(wàn)美元，5nm工藝芯片，流片一次更是達到4725萬(wàn)美元?？梢?jiàn)，流片對于芯片設計企業(yè)來(lái)說(shuō)是一筆巨大花費，尤其是對于行業(yè)中小企業(yè)來(lái)講，實(shí)際流片的價(jià)格比大廠(chǎng)又高很多，讓本不富裕的“生活”更是雪上加霜。

流片為什么這么貴？

那芯片流片的價(jià)格為什么這么貴？這就要提到芯片的制造原理了。

芯片制造要在很小的芯片里放上億個(gè)晶體管，制造工藝已經(jīng)到了納米級，只能用光刻來(lái)完成。光刻就是用光刻出想要的圖形，光刻需要用到掩膜版（又稱(chēng)光罩，Mask），掩膜版就是把設計好的電路圖雕刻在上面，讓光通過(guò)后，在晶圓上刻出圖形。

流片貴，一方面是因為剛開(kāi)始有許多工藝需要驗證，從一個(gè)電路圖到一塊芯片，檢驗每一個(gè)工藝步驟是否可行，檢驗電路是否具備所要的性能和功能。芯片流片過(guò)程至少持續三個(gè)月（包括原料準備、光刻、摻雜、電鍍、封裝測試），一般要經(jīng)過(guò)1000多道工藝，生產(chǎn)周期較長(cháng)，因此也是芯片制造中最重要最耗錢(qián)的環(huán)節。

如果流片成功，就可以據此大規模地制造芯片；反之，就需要找出其中的原因，并進(jìn)行相應的優(yōu)化設計。

其中，芯片流片貴，主要貴在掩膜版和晶圓，這兩項價(jià)格不菲且都是消耗品，其中掩膜版最貴，一套中端工藝制程的掩膜版價(jià)格大約在50萬(wàn)美元左右，而一片晶圓的價(jià)額也在數千美元。

掩膜貴還是晶圓貴？

掩膜版是一種由石英為材料制成的，是微電子制造過(guò)程中的圖形轉移工具或母版，其功能類(lèi)似于傳統照相機的“底片”，根據客戶(hù)所需要的圖形，通過(guò)光刻制版工藝，將微米級和納米級的精細圖案刻制于掩膜版基板上，是承載圖形設計和工藝技術(shù)等內容的載體。

然后把這種從掩膜版的圖形轉換到晶圓上的過(guò)程，想象成印鈔機的工作流程。把光刻機想象成印鈔機，晶圓相當于印鈔紙，掩膜就是印版，把鈔票母版的圖形印到紙張上的過(guò)程，就像光刻機把掩膜版上的芯片圖形印到晶圓上一樣。

光刻需要用到掩膜版，掩膜版就是把設計好的電路圖雕刻在上面，讓光通過(guò)后，在晶圓上刻出圖形。

掩膜版的質(zhì)量會(huì )直接影響光刻的質(zhì)量，掩膜版上的制造缺陷和誤差也會(huì )伴隨著(zhù)光刻工藝被引入到芯片制造中。因此，掩膜版是下游產(chǎn)品精度和質(zhì)量的決定因素之一。

掩膜版的價(jià)格主要取決于芯片所選用的“工藝節點(diǎn)”，工藝節點(diǎn)越高、流片價(jià)格就越貴。這是因為越先進(jìn)的工藝節點(diǎn)，所需要使用的掩膜版層數就越多。據了解，在14nm工藝制程上，大約需要60張掩膜版，7nm可能需要80張甚至上百張掩膜版。

掩膜版層數多了，不僅僅是因為掩膜板的價(jià)格貴，還因為每多出一層 “掩膜板”，就要多進(jìn)行一次“光刻”，就要再多涂抹一次 “光刻膠”，就要再多一次 “曝光”，然后再來(lái)一次 “顯影” ...，整個(gè)流程下來(lái)耗費的成本就大大增加了。

據IBS數據顯示，在16/14nm制程中，所用掩膜成本在500萬(wàn)美元左右，到7nm制程時(shí)，掩膜成本迅速升至1500萬(wàn)美元。

掩膜版的總體費用，包括石英，光刻膠等原材料的成本，Mask Writer和Inspection等機臺的使用成本，另外還有掩膜版相關(guān)數據的生成，包括OPC、MDP等軟件授權、服務(wù)器使用和人工開(kāi)發(fā)成本等等。對于一款芯片，動(dòng)輒幾十層的掩膜版，需要如此多的步驟，設備、軟件、人員缺一不可，費用自然昂貴。

在流片中，Mask的費用更是占很大一塊，是因為前期流片階段就是生產(chǎn)5-25片作為產(chǎn)品驗證用的，主要成本是Mask成本。對應的，正式生產(chǎn)時(shí)，Mask的費用只算一次，后面有大量的晶圓可以分攤成本，自然就便宜了。

準確的說(shuō)應該是平均到每一顆芯片上的費用便宜了，而不是總的流片費用便宜了。

據業(yè)內人士透露，某晶圓代工廠(chǎng)（Foundry） 40nm的流片成本大概在60-90萬(wàn)美元。Mask占據大頭，大約60-90萬(wàn)美元；晶圓成本每片在3000-4000美元左右。

所以，如果生產(chǎn)10片晶圓，每片晶圓的成本是（90萬(wàn)+ 4000*10）/10=9.4萬(wàn)美元；但是如果生產(chǎn)10000片晶圓，那么每片晶圓的成本是（90萬(wàn)+4000*10000）/10000=4090美元。

可見(jiàn)，進(jìn)入量產(chǎn)之后，生產(chǎn)上萬(wàn)片晶圓，每片晶圓可能3000-4000美元左右，Mask的成本平攤到每片晶圓以后就很少了，這時(shí)候晶圓的成本就是主要的成本來(lái)源。所以，如果只是量小的流片階段，那么Mask成本是主要的。反之如果量產(chǎn)很多，那么則是晶圓主導成本。

另外，半導體制造廠(chǎng)的機臺便宜的上百萬(wàn)美元，貴的上億美元。據了解，28nm的Mask機臺就超過(guò)5000萬(wàn)美元一臺，這些儀器，機臺需要七年折舊完畢。也就是說(shuō)，大概使用一年就要損失14%的機臺價(jià)值。

晶圓代工行業(yè)設備折舊年限通常是5-7年。據報道，中芯國際2019年折舊費用超過(guò)了14億，主要是因為先進(jìn)制程的投入需要購置部分單價(jià)較高的機器設備，使得折舊費用逐年增加。臺積電2021年折舊費用更是達到近千億新臺幣，創(chuàng )史上最高。

從工藝研發(fā)周期來(lái)講，機器的成本和折舊費已然很高，但將工藝的良率及可靠性調到量產(chǎn)要求也是一項有挑戰的工作。（據悉某廠(chǎng)搞28nm，機器2011/2012年就全部到位了, 可是5、6年后良率都還沒(méi)調到嚴格的量產(chǎn)標準，可見(jiàn)有多難。同時(shí)還白白損失了多年的設備折舊費用。）

其次還有人力成本，維護成本以及耗材費等，這些都是Mask成本高的原因。

據etnews報道，隨著(zhù)當前供需狀況惡化，掩膜版的價(jià)格還在上漲，交貨時(shí)間也一再被推遲，即使支付額外費用，也很難及時(shí)購買(mǎi)到。通常需要4-7天的交期最近增至14天，部分企業(yè)的交期延長(cháng)到了原來(lái)的7倍。

此外，為了跟上摩爾定律，Foundry升級換代所需的設備和技術(shù)研發(fā)的投資不斷增大，由于Foundry對先進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)的投資巨大，必然會(huì )將其成本轉嫁到客戶(hù)的投片費用上。這也導致了制造芯片的費用在不斷上漲。

如何降低流片成本？

上述種種因素影響下，芯片流片費用成為擺在設計企業(yè)面前的一個(gè)難題。那么，面對流片價(jià)格高的問(wèn)題，有沒(méi)有什么辦法來(lái)降低成本？

摩爾精英資深總監王龍向筆者表示，MPW (Multi Project Wafer) 就是一種可以幫助設計企業(yè)降低成本的流片方式。MPW是指由多個(gè)項目共享某個(gè)晶圓，同一次制造流程可以承擔多個(gè)IC設計的制造任務(wù)，將多個(gè)使用相同工藝的集成電路設計放在同一晶圓上流片，制造完成后，每個(gè)設計可以得到數十片芯片樣品，這一數量對于原型設計階段的實(shí)驗、測試已經(jīng)足夠。

通俗來(lái)講就是幾家公司或機構一起購買(mǎi)一套掩膜版，然后生產(chǎn)出來(lái)的同一片晶圓上會(huì )同時(shí)存在有好幾款芯片，待晶圓切割后，再把各自的芯片“領(lǐng)回家”。而該次制造費用就由所有參加MPW的項目按照芯片面積分攤，極大地降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險。

據業(yè)內人士介紹，MPW有一定的流程，通常由晶圓代工廠(chǎng)或者第三方服務(wù)機構來(lái)進(jìn)行組織，各種工藝在某一年之中的MPW時(shí)間點(diǎn)是預先設定好的，通常是越先進(jìn)的工藝，安排的MPW頻率越高。晶圓代工廠(chǎng)事先會(huì )將晶圓劃好多個(gè)區域并報價(jià)，各家公司根據自己情況去預訂一個(gè)或多個(gè)區域。

這對參與者來(lái)說(shuō)，在設計和開(kāi)發(fā)方面有一定的進(jìn)度壓力。但是相比之下，MPW帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的，采用多項目晶圓能夠降低芯片的生產(chǎn)成本，為設計人員提供實(shí)踐機會(huì )，并促進(jìn)了芯片設計的成果轉化，對IC設計人才的培訓，中小設計公司的發(fā)展，以及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制都有相當大的促進(jìn)作用。

對比來(lái)看，共享Mask的好處就是省錢(qián)，但是可能要等代工廠(chǎng)的時(shí)間節點(diǎn)，需要更多的時(shí)間。對于那些不差錢(qián)或趕時(shí)間的企業(yè)當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為自己的設計來(lái)服務(wù)，通常用于設計定型后的量產(chǎn)階段。機器一響，黃金萬(wàn)兩。

但是，在當前產(chǎn)能?chē)乐鼐o缺的情況下，代工廠(chǎng)面對不同客戶(hù)的產(chǎn)品需求、競爭優(yōu)勢、市場(chǎng)前景和計劃等態(tài)度是完全不同的，代工廠(chǎng)會(huì )綜合考慮客戶(hù)下單量，后續下單穩定性以及產(chǎn)品所面向的市場(chǎng)前景來(lái)做判斷。

實(shí)際上，對于大部分的中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，除了價(jià)格以外，在流片或量產(chǎn)環(huán)節還面臨著(zhù)包括產(chǎn)能、交期在內的諸多挑戰：

1.對Foundry體系不了解，缺乏工藝選型的經(jīng)驗和Foundry打交道的經(jīng)驗；

2.主流Foundry準入門(mén)檻高，新興玩家難以申請預期的工藝或支持，溝通成本高；

3.缺乏系統的供應鏈管理能力，尤其在量產(chǎn)產(chǎn)能爬坡階段，對產(chǎn)能、交期、質(zhì)量過(guò)于樂(lè )觀(guān)；

4. 產(chǎn)能緊缺情況下，缺乏備貨機制，恐慌性下單或有了訂單再下單導致產(chǎn)能跟不上市場(chǎng)需求。此外，交期的變化、產(chǎn)能的波動(dòng)都會(huì )大大增加初創(chuàng )公司與晶圓代工廠(chǎng)的溝通成本，降低效率。

對此，中小芯片設計企業(yè)可以尋求有資源、有實(shí)力、有經(jīng)驗的第三方運營(yíng)服務(wù)機構進(jìn)行合作，一同來(lái)解決遇到的供應鏈難題。

寫(xiě)在最后

一個(gè)芯片開(kāi)發(fā)項目，需要經(jīng)歷從產(chǎn)品定義、設計、驗證仿真一直到最終流片的漫長(cháng)過(guò)程，而作為“終極大考”的流片，此前漫長(cháng)過(guò)程中的任何一個(gè)小疏忽都可能導致流片失敗，而一旦流片失敗往往意味著(zhù)企業(yè)將面臨數千萬(wàn)美元起的損失和至少半年市場(chǎng)機遇的錯失。

這對于許多企業(yè)而言，流片失敗是無(wú)法承受之痛。

對此，芯片設計企業(yè)、制造商以及相關(guān)的行業(yè)服務(wù)平臺和機構應緊密合作，優(yōu)勢互補，攜手解決困擾開(kāi)發(fā)者的“流片難題”。