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| 本文作者： 鐵流 | 2016-04-23 09:28 |
集成電路產(chǎn)業(yè)的特色是贏者通吃，像Intel這樣的巨頭，巔峰時(shí)期的利潤(rùn)可以高達(dá)60%。
那么，相對(duì)應(yīng)動(dòng)輒幾百、上千元的CPU，它的實(shí)際成本到底是多少呢？
｜芯片的硬件成本構(gòu)成
芯片的成本包括芯片的硬件成本和芯片的設(shè)計(jì)成本。
芯片硬件成本包括晶片成本+掩膜成本+測(cè)試成本+封裝成本四部分（像ARM陣營(yíng)的IC設(shè)計(jì)公司要支付給ARM設(shè)計(jì)研發(fā)費(fèi)以及每一片芯片的版稅，但筆者這里主要描述自主CPU和Intel這樣的巨頭，將購(gòu)買IP的成本省去），而且還要除去那些測(cè)試封裝廢片。
用公式表達(dá)為：
芯片硬件成本=（晶片成本+測(cè)試成本+封裝成本+掩膜成本）/ 最終成品率
對(duì)上述名稱做一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋，方便普通群眾理解，懂行的可以跳過(guò)。
從二氧化硅到市場(chǎng)上出售的芯片，要經(jīng)過(guò)制取工業(yè)硅、制取電子硅、再進(jìn)行切割打磨制取晶圓。晶圓是制造芯片的原材料，晶片成本可以理解為每一片芯片所用的材料（硅片）的成本。一般情況下，特別是產(chǎn)量足夠大，而且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以億為單位量產(chǎn)來(lái)計(jì)算的話，晶片成本占比最高。不過(guò)也有例外，在接下來(lái)的封裝成本中介紹奇葩的例子。
封裝是將基片、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了大家日常見(jiàn)到的CPU，封裝成本就是這個(gè)過(guò)程所需要的資金。在產(chǎn)量巨大的一般情況下，封裝成本一般占硬件成本的5%-25%左右，不過(guò)IBM的有些芯片封裝成本占總成本一半左右，據(jù)說(shuō)最高的曾達(dá)到過(guò)70%......
測(cè)試可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級(jí)，比如將一堆芯片分門別類為：I5 4460、I5 4590、I5 4690、I5 4690K等，之后Intel就可以根據(jù)不同的等級(jí)，開(kāi)出不同的售價(jià)。不過(guò)，如果芯片產(chǎn)量足夠大的話，測(cè)試成本可以忽略不計(jì)。
掩膜成本就是采用不同的制程工藝所需要的成本，像40/28nm的工藝已經(jīng)非常成熟，成本也低——40nm低功耗工藝的掩膜成本為200萬(wàn)美元；28nm SOI工藝為400萬(wàn)美元；28nm HKMG成本為600萬(wàn)美元。
（光刻機(jī)掩膜臺(tái)曝光）
不過(guò)，在先進(jìn)的制程工藝問(wèn)世之初，耗費(fèi)則頗為不菲——在2014年剛出現(xiàn)14nm制程時(shí)，其掩膜成本為3億美元（隨著時(shí)間的推移和臺(tái)積電、三星掌握14/16nm制程，現(xiàn)在的價(jià)格應(yīng)該不會(huì)這么貴）；而Intel正在研發(fā)的10nm制程。根據(jù)Intel官方估算，掩膜成本至少需要10億美元。不過(guò)如果芯片以億為單位量產(chǎn)的話（貌似蘋果每年手機(jī)+平板的出貨量上億），即便掩膜成本高達(dá)10億美元，分?jǐn)偟矫恳黄酒希涑杀疽簿?0美元。而這從另一方面折射出為何像蘋果這樣的巨頭采用臺(tái)積電、三星最先進(jìn)，也是最貴的制程工藝，依舊能賺大錢，這就是為什么IC設(shè)計(jì)具有贏者通吃的特性。
像代工廠要進(jìn)行的光刻、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測(cè)試與切割、核心封裝、等級(jí)測(cè)試等步驟需要的成本，以及光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、減薄機(jī)、劃片機(jī)、裝片機(jī)、引線鍵合機(jī)、倒裝機(jī)等制造設(shè)備折舊成本都被算進(jìn)測(cè)試成本、封裝成本、掩膜成本中，就沒(méi)有必要另行計(jì)算了。
（晶圓）
由于在將晶圓加工、切割成晶片的時(shí)候，并不是能保證100%利用率的，因而存在一個(gè)成品率的問(wèn)題，所以晶片的成本用公式表示就是：
晶片的成本=晶圓的成本/（每片晶圓的晶片數(shù)*晶片成品率）
由于晶圓是圓形的，而晶片是矩形的，必然導(dǎo)致一些邊角料會(huì)被浪費(fèi)掉，所以每個(gè)晶圓能夠切割出的晶片數(shù)就不能簡(jiǎn)單的用晶圓的面積除以晶片的面積，而是要采用以下公式：
每個(gè)晶圓的晶片數(shù)=（晶圓的面積/晶片的面積）-（晶圓的周長(zhǎng)/（2*晶片面積）的開(kāi)方數(shù)）
晶片的成品率和工藝復(fù)雜度、單位面積的缺陷數(shù)息息相關(guān)，晶片的成品率用公司表達(dá)為：
晶片的成品率=（1+B*晶片成本/A）的(-A次方)
A是工藝復(fù)雜度，比如某采用40nm低功耗工藝的自主CPU-X的復(fù)雜度為2～3之間；
B是單位面積的缺陷數(shù)，采用40nm制程的自主CPU-X的單位面積的缺陷數(shù)值為0.4～0.6之間。
假設(shè)自主CPU-X的長(zhǎng)約為15.8mm，寬約為12.8mm，（長(zhǎng)寬比為37:30，控制一個(gè)四核芯片的長(zhǎng)寬比在這個(gè)比例可不容易）面積約為200平方毫米（為方便計(jì)算把零頭去掉了）。一個(gè)12寸的晶圓有7萬(wàn)平方毫米左右，于是一個(gè)晶圓可以放299個(gè)自主CPU-X,晶片成品率的公式中，將a=3，b=0.5帶入進(jìn)行計(jì)算，晶片成品率為49%，也就是說(shuō)一個(gè)12寸晶圓可以搞出146個(gè)好芯片，而一片十二寸晶圓的價(jià)格為4000美元，分?jǐn)偟矫恳黄希杀緸?8美元。
封裝和測(cè)試的成本這個(gè)沒(méi)有具體的公式，只是測(cè)試的價(jià)格大致和針腳數(shù)的二次方成正比，封裝的成本大致和針腳乘功耗的三次方成正比......如果CPU-X采用40nm低功耗工藝的自主芯片，其測(cè)試成本約為2美元，封裝成本約為6美元。
（芯片的封裝形式，以上兩圖都較為古老了）
因40nm低功耗工藝掩膜成本為200萬(wàn)美元，如果該自主CPU-X的銷量達(dá)到10萬(wàn)片，則掩膜成本為20美元，將測(cè)試成本=2美元，封裝成本=6美元，晶片成本=28美元代入公式，則芯片硬件成本=（20+2+6）/0.49+28=85美元
自主CPU-X的硬件成本為85美元。
如果自主CPU-Y采用28nm SOI工藝，芯片面積估算為140平方毫米，則可以切割出495個(gè)CPU，由于28nm和40nm工藝一樣，都屬于非常成熟的技術(shù)，切割成本的影響微乎其微，因此晶圓價(jià)格可以依舊以4000萬(wàn)美元計(jì)算，晶片成品率同樣以49%的來(lái)計(jì)算，一個(gè)12寸晶圓可以切割出242片晶片，每一片晶片的成本為16美元。
如果自主CPU-X產(chǎn)量為10萬(wàn)，則掩膜成本為40美元，按照封裝測(cè)試約占芯片總成本的20%、晶片成品率為49%來(lái)計(jì)算，芯片的硬件成本為122美元。
如果該自主芯片產(chǎn)量為100萬(wàn)，則掩膜成本為4美元，按照封裝測(cè)試約占芯片總成本的20%來(lái)，最終良品率為49%計(jì)算，芯片的硬件成本為30美元。
如果該自主芯片產(chǎn)量為1000萬(wàn)，則掩膜成本為0.4美元，照封裝測(cè)試約占芯片總成本的20%來(lái)，最終良品率為49%計(jì)算，芯片的硬件成本21美元。
顯而易見(jiàn)，在相同的產(chǎn)量下，使用更先進(jìn)的制程工藝會(huì)使芯片硬件成本有所增加，但只要產(chǎn)量足夠大，原本高昂的成本就可以被巨大的數(shù)量平攤，芯片的成本就可以大幅降低。
硬件成本比較好明確，但設(shè)計(jì)成本就比較復(fù)雜了。這當(dāng)中既包括工程師的工資、EDA等開(kāi)發(fā)工具的費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用、場(chǎng)地費(fèi)用等等......另外，還有一大塊是IP費(fèi)用——如果是自主CPU到還好（某自主微結(jié)構(gòu)可以做的不含第三方IP），如果是ARM陣營(yíng)IC設(shè)計(jì)公司，需要大量外購(gòu)IP，這些IP價(jià)格昂貴，因此不太好將國(guó)內(nèi)外各家IC設(shè)計(jì)公司在設(shè)計(jì)上的成本具體統(tǒng)一量化。
按國(guó)際通用的低盈利芯片設(shè)計(jì)公司的定價(jià)策略8：20定價(jià)法，也就是硬件成本為8的情況下，定價(jià)為20，自主CPU-X在產(chǎn)量為10萬(wàn)片的情況下售價(jià)為212美元。別覺(jué)得這個(gè)定價(jià)高，其實(shí)已經(jīng)很低了，Intel一般定價(jià)策略為8：35，AMD歷史上曾達(dá)到過(guò)8：50......
在產(chǎn)量為10萬(wàn)片的情況下，自主CPU-Y也采用8：20定價(jià)法，其售價(jià)為305美元；
在產(chǎn)量為100萬(wàn)的情況下，自主CPU-Y也采用8：20定價(jià)法，其售價(jià)為75美元；
在產(chǎn)量為1000萬(wàn)的情況下，自主CPU-Y也采用8：20定價(jià)法，其售價(jià)為52.5美元。
由此可見(jiàn)，要降低CPU的成本/售價(jià)，產(chǎn)量至關(guān)重要，而這也是Intel、蘋果能采用相對(duì)而昂貴的制程工藝，又能攫取超額利潤(rùn)的關(guān)鍵。
編者注：以上提到的芯片硬件成本這里僅做綜述開(kāi)篇，后續(xù)雷鋒網(wǎng)會(huì)繼續(xù)刊載芯片成本系列文章——“芯片為什么那么貴”，對(duì)硬件成本和設(shè)計(jì)成本的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)解讀梳理。
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