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(lái),，國(guó)內(nèi)諸多企業(yè)先后宣布芯片流片成功,，這些成功無(wú)疑極大的證明國(guó)內(nèi)芯片的進(jìn)步,。
國(guó)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(chē)芯片領(lǐng)域,，中穎電子正在研發(fā)車(chē)規(guī)級(jí)MCU,，已流片成功，在驗(yàn)證階段,；國(guó)芯科技汽車(chē)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(chē)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(cè),。
接連不斷的流片消息，國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)一直在闖“流片”關(guān),。
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(cè)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(lái)說(shuō),，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(chǎng)中對(duì)于企業(yè)是極為致命的。
芯片設(shè)計(jì)的過(guò)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(wú)法利用軟件繞開(kāi)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(wú)法退出,，這類情況芯片雖然可以點(diǎn)亮,，但是無(wú)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(wú)法規(guī)避的,，那么芯片也算流片失敗,；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(guò)高也會(huì)屬于流片失敗,。
總的來(lái)看,，流片失敗除了在硬件方面實(shí)際無(wú)法點(diǎn)亮外，沒(méi)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(lái)是準(zhǔn)備了150小時(shí)的測(cè)試,，結(jié)果15個(gè)小時(shí)全部通過(guò),。”地平線一次通過(guò),，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(guò)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,。
極力支持的流片政策
如此關(guān)鍵的環(huán)節(jié),，極為燒錢(qián)。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(zhǎng),。
“千萬(wàn)級(jí)乃至上億”去形容流片成本并不為過(guò),，據(jù)統(tǒng)計(jì),，最便宜的ASIC流片成本需要幾十萬(wàn)一次，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(guò)億,。
在中芯國(guó)際工作過(guò)的工程師分析了流片的過(guò)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)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?gòu)圡ask,。
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(wàn)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(lái)說(shuō),，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(wàn)美元的掩膜成本平攤到各個(gè)芯片來(lái)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(wàn)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(lái)說(shuō),，確實(shí)是一大生死關(guān)，正因如此國(guó)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(guó)財(cái)政部稅務(wù)總局就已經(jīng)通知海關(guān)總署，表示國(guó)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(guó)內(nèi)無(wú)法生產(chǎn),，到國(guó)外流片、加工,，其進(jìn)口環(huán)節(jié)增值稅超過(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)1000萬(wàn)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(guò)2000萬(wàn)元,。
橫琴對(duì)開(kāi)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(wàn)元流片補(bǔ)貼,。
從流片支持力度來(lái)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(wàn)元。
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(jiǎn)單來(lái)說(shuō),，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(qián),，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30－50W對(duì)大廠來(lái)說(shuō)不算太高,；小公司偏向Share Mask,，畢竟30－50W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1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(chē),，一般來(lái)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(lái)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(lái)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(cè)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(guò)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(chǎng)賽跑的過(guò)程中,，更早的成品自然代表著更多的市場(chǎng)份額,。
同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些直接采用Full Mask的設(shè)計(jì)廠,，也是對(duì)自身開(kāi)發(fā)能力的絕對(duì)自信,。
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