掩膜組、芯片驗(yàn)證（Verification）與驗(yàn)實(shí)（Validation）讓半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司的固定成本飆升。

我們正處于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的復(fù)興之中。世界上幾乎每家大公司都有自己的芯片戰(zhàn)略，因?yàn)樗鼈兌荚噲D實(shí)現(xiàn)垂直整合。半導(dǎo)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(yīng)用在一切場(chǎng)景的時(shí)代了。隨著摩爾定律的放緩，設(shè)計(jì)正涌向異構(gòu)架構(gòu)，這些架構(gòu)更適合其特定任務(wù)。如果解決了軟件挑戰(zhàn)，專(zhuān)業(yè)化芯片的性能將大大優(yōu)于 CPU，但這種專(zhuān)業(yè)化策略也有不利的一面。固定成本正在爆炸式增長(zhǎng)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)公司的數(shù)量大幅下降。半導(dǎo)體是一個(gè)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的行業(yè)，隨著每一代新技術(shù)的發(fā)展，這一特點(diǎn)變得越來(lái)越明顯。

晶圓制造是一個(gè)用光刻定義特征隨后通過(guò)沉積、蝕刻和其他工藝步驟構(gòu)建特征的過(guò)程。前沿的半導(dǎo)體制造涉及使用 60 多個(gè)獨(dú)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(gè)獨(dú)特的光掩模。所有掩模的集合稱(chēng)為掩模組。這些光掩模組將設(shè)計(jì)從芯片架構(gòu)師轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢硖卣?。用大多?shù)外行的話(huà)來(lái)說(shuō)，掩模組可以被認(rèn)為是一組包含芯片設(shè)計(jì)的模板。每個(gè)獨(dú)特的芯片設(shè)計(jì)都需要自己的掩模組。

有許多技術(shù)手段被用來(lái)降低設(shè)計(jì)該芯片的成本，但將一個(gè)設(shè)計(jì)推向市場(chǎng)的最大成本來(lái)自于掩模組的成本。在 90nm 到 45nm 的代工工藝節(jié)點(diǎn)上，掩模組的成本約為數(shù)十萬(wàn)美元。在 28nm 時(shí)，它超過(guò)了 100 萬(wàn)美元。對(duì)于 7nm，成本增加超過(guò) 1000 萬(wàn)美元，而現(xiàn)在，隨著代工廠跨越 3nm 的障礙，掩模組成本將開(kāi)始推向 5000 萬(wàn)美元。

晶圓價(jià)格正在上漲，但掩模組的成本增長(zhǎng)得更快。來(lái)自 IC Knowledge 的上圖說(shuō)明了這個(gè)難題?？绻に嚰夹g(shù)時(shí)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(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

一些人認(rèn)為晶體管成本在 28nm、7nm、5nm 等各種工藝節(jié)點(diǎn)停止下降。聲稱(chēng)晶體管成本已經(jīng)停止下降并開(kāi)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(gè)晶體管的成本也會(huì)繼續(xù)下降，但這僅是對(duì)于擁有大量芯片出貨的企業(yè)來(lái)說(shuō)的。芯片設(shè)計(jì)很昂貴但也沒(méi)有IDC和麥肯錫所說(shuō)的那么貴，下面是他們的總結(jié)的表格。

多家芯片在臺(tái)積電 7nm 節(jié)點(diǎn)流片了 5000 萬(wàn)至 7500 萬(wàn)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(gè)軟件、設(shè)計(jì)和流片成本，這些成本將根據(jù)制造的芯片類(lèi)型而有很大差異。

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

剛剛開(kāi)始設(shè)計(jì)芯片業(yè)務(wù)的初創(chuàng)公司和非半導(dǎo)體公司不僅要應(yīng)對(duì)達(dá)到更高水平的收支平衡，還必須應(yīng)對(duì)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。最大的單項(xiàng)成本是設(shè)計(jì)驗(yàn)證和驗(yàn)實(shí)。如果驗(yàn)證和驗(yàn)實(shí)流程達(dá)不到要求，公司將面臨大量產(chǎn)品延遲的風(fēng)險(xiǎn)。這些問(wèn)題也會(huì)發(fā)生在業(yè)內(nèi)最領(lǐng)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(diǎn)，intel 4 和 3 制程節(jié)點(diǎn)可能會(huì)與臺(tái)積電的最佳節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)。即使英特爾在制程技術(shù)上與臺(tái)積電相提并論，他們還有其他可能被證明無(wú)法克服的障礙。目前來(lái)看英特爾面臨的最大問(wèn)題是他們的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和驗(yàn)實(shí)流程。為了說(shuō)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(wù)器芯片 Ice Lake 于 2018 年 12 月首次披露。產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間為 2021 年 4 月，直到 2021 年第三季度/第四季度才開(kāi)始量產(chǎn)。英特爾可能在 2018 年初首次將Ice Lake的數(shù)據(jù)寫(xiě)入（聚合 IP 以開(kāi)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(kāi)始測(cè)試。這是該芯片的第一次運(yùn)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(cè)試都需要至少一些新的掩模，這進(jìn)一步增加了開(kāi)發(fā)成本。

英特爾的下一代服務(wù)器芯片 Sapphire Rapids 在驗(yàn)證和驗(yàn)證方面也面臨著類(lèi)似的問(wèn)題。Sapphire Rapids 設(shè)計(jì)的第一個(gè)版本于 2020 年 6 月啟動(dòng)?，F(xiàn)在，在 2022 年年中，英特爾仍在修改設(shè)計(jì)和掩模組，因?yàn)樗麄冊(cè)谠O(shè)計(jì)早期沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。這主要是由于驗(yàn)證和驗(yàn)實(shí)問(wèn)題。Sapphire Rapids 似乎將在 2022 年晚些時(shí)候推出，但現(xiàn)在預(yù)計(jì)將在 2023 年初實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)量增長(zhǎng)。

英特爾的驗(yàn)證和驗(yàn)實(shí)問(wèn)題大大增加了成本并延長(zhǎng)了時(shí)間。對(duì)英特爾來(lái)說(shuō)，不得不修改掩膜對(duì)成本來(lái)說(shuō)并不是一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兂鲐浀臄?shù)量很大，但延遲對(duì)其競(jìng)爭(zhēng)力非常有影響。每個(gè)新版本都需要至少一些新的掩模，通過(guò)晶圓廠運(yùn)行晶圓并封裝芯片。這個(gè)過(guò)程需要幾個(gè)月的時(shí)間。根據(jù)Angstronomics的說(shuō)法，對(duì)于 IceLake，英特爾需要六個(gè)版本才能發(fā)布，而 Sapphire Rapids 看起來(lái)需要七個(gè)版本。

相比之下，在 AMD 和英偉達(dá)等行業(yè)中被認(rèn)為是最好的領(lǐng)先設(shè)計(jì)公司只需要一小部分時(shí)間。眾所周知，英偉達(dá)擁有非常廣泛的自定義模擬、驗(yàn)證和驗(yàn)實(shí)流程，在許多情況下甚至需要不到一年的時(shí)間。英特爾可以承受這些問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兪侨绱藦?qiáng)大，即使這是導(dǎo)致它們業(yè)務(wù)下滑的原因。不過(guò)，英特爾也已經(jīng)在努力檢修和解決這個(gè)問(wèn)題。現(xiàn)在想象一下，如果一家非半導(dǎo)體公司或全新的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)失敗了，什么會(huì)發(fā)生在他們身上。這些延遲可能會(huì)扼殺一個(gè)特定的芯片項(xiàng)目，比如 Meta 和微軟曾遭遇的。這些延遲甚至可能扼殺整個(gè)公司或戰(zhàn)略。盡管半導(dǎo)體設(shè)計(jì)復(fù)興的蓬勃發(fā)展，但這個(gè)過(guò)程不會(huì)一帆風(fēng)順。

更多成熟的公司可能會(huì)有一些完全垂直的設(shè)計(jì)，但他們也會(huì)轉(zhuǎn)向與博通、Marvell、英特爾、AMD 等公司的半定制交易。由于預(yù)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(wèn)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(gè)開(kāi)始。

盡管如此，仍有許多初創(chuàng)公司會(huì)蓬勃發(fā)展。但需要知道的事，芯片設(shè)計(jì)是一個(gè)非常高風(fēng)險(xiǎn)的游戲。

審核編輯 ：李倩