芯片行業對于流片都不陌生。

所謂流片，就是像流水線(xiàn)一樣通過一系列工(gōng)藝步驟制造芯片，該環節處于芯片設計和芯片量産(chǎn)的中(zhōng)間階段，是芯片制造的關鍵環節。

簡單來說就是将設計好的方案，交給芯片制造廠，先生産(chǎn)幾片幾十片樣品，檢測一下設計的芯片能(néng)不能(néng)用(yòng)，然後進行優化。如果測試通過，就按照這樣開始大規模生産(chǎn)了。

所以為(wèi)了測試集成電(diàn)路設計是否成功，必須進行流片。這也是芯片設計企業一般都在前期需要投入很(hěn)大成本的重要原因。

一顆芯片從設計到量産(chǎn)，流片屬于非常關鍵的環節。當芯片完全設計出來以後需要按照圖紙在晶圓上進行蝕刻，采用(yòng)什麽樣的制程工(gōng)藝，多(duō)大尺寸的晶圓，芯片的複雜程度都會影響這顆芯片的流片成功率和成本，而且許多(duō)芯片都不是一次就能(néng)流片成功的，往往需要進行多(duō)次流片才能(néng)獲得較為(wèi)理(lǐ)想的效果。

圖源：知識向量

但流片是一件非常燒錢的事，多(duō)幾次流片失敗，可(kě)能(néng)就會把公(gōng)司搞垮。2019年就曾傳出小(xiǎo)米旗下松果電(diàn)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(yǒu)芯片大廠算過這筆(bǐ)賬，14nm工(gōng)藝芯片，流片一次需要300萬美元左右，7nm工(gōng)藝芯片，流片一次需要3000萬美元，5nm工(gōng)藝芯片，流片一次更是達到4725萬美元。可(kě)見，流片對于芯片設計企業來說是一筆(bǐ)巨大花(huā)費，尤其是對于行業中(zhōng)小(xiǎo)企業來講，實際流片的價格比大廠又(yòu)高很(hěn)多(duō)，讓本不富裕的“生活”更是雪(xuě)上加霜。

芯片流片的價格為(wèi)什麽這麽貴？這就要提到芯片的制造原理(lǐ)了。

芯片制造要在很(hěn)小(xiǎo)的芯片裏放上億個晶體(tǐ)管，制造工(gōng)藝已經到了納米級，隻能(néng)用(yòng)光刻來完成。光刻就是用(yòng)光刻出想要的圖形，光刻需要用(yòng)到掩膜版（又(yòu)稱光罩，Mask），掩膜版就是把設計好的電(diàn)路圖雕刻在上面，讓光通過後，在晶圓上刻出圖形。

流片貴，一方面是因為(wèi)剛開始有(yǒu)許多(duō)工(gōng)藝需要驗證，從一個電(diàn)路圖到一塊芯片，檢驗每一個工(gōng)藝步驟是否可(kě)行，檢驗電(diàn)路是否具(jù)備所要的性能(néng)和功能(néng)。芯片流片過程至少持續三個月（包括原料準備、光刻、摻雜、電(diàn)鍍、封裝(zhuāng)測試），一般要經過1000多(duō)道工(gōng)藝，生産(chǎn)周期較長(cháng)，因此也是芯片制造中(zhōng)最重要最耗錢的環節。

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

其中(zhōng)，芯片流片貴，主要貴在掩膜版和晶圓，這兩項價格不菲且都是消耗品，其中(zhōng)掩膜版最貴，一套中(zhōng)端工(gōng)藝制程的掩膜版價格大約在50萬美元左右，而一片晶圓的價額也在數千美元。

掩膜貴還是晶圓貴？

掩膜版是一種由石英為(wèi)材料制成的，是微電(diàn)子制造過程中(zhōng)的圖形轉移工(gōng)具(jù)或母版，其功能(néng)類似于傳統照相機的“底片”，根據客戶所需要的圖形，通過光刻制版工(gōng)藝，将微米級和納米級的精(jīng)細圖案刻制于掩膜版基闆上，是承載圖形設計和工(gōng)藝技(jì )術等内容的載體(tǐ)。

然後把這種從掩膜版的圖形轉換到晶圓上的過程，想象成印鈔機的工(gōng)作(zuò)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(yòng)到掩膜版，掩膜版就是把設計好的電(diàn)路圖雕刻在上面，讓光通過後，在晶圓上刻出圖形。

光刻工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)

掩膜版的質(zhì)量會直接影響光刻的質(zhì)量，掩膜版上的制造缺陷和誤差也會伴随着光刻工(gōng)藝被引入到芯片制造中(zhōng)。因此，掩膜版是下遊産(chǎn)品精(jīng)度和質(zhì)量的決定因素之一。

掩膜版的價格主要取決于芯片所選用(yòng)的“工(gōng)藝節點”，工(gōng)藝節點越高、流片價格就越貴。這是因為(wèi)越先進的工(gōng)藝節點，所需要使用(yòng)的掩膜版層數就越多(duō)。據了解，在14nm工(gōng)藝制程上，大約需要60張掩膜版，7nm可(kě)能(néng)需要80張甚至上百張掩膜版。

掩膜版層數多(duō)了，不僅僅是因為(wèi)掩膜闆的價格貴，還因為(wèi)每多(duō)出一層 “掩膜闆”，就要多(duō)進行一次“光刻”，就要再多(duō)塗抹一次 “光刻膠”，就要再多(duō)一次 “曝光”，然後再來一次 “顯影” ...，整個流程下來耗費的成本就大大增加了。

據IBS數據顯示，在16/14nm制程中(zhōng)，所用(yòng)掩膜成本在500萬美元左右，到7nm制程時，掩膜成本迅速升至1500萬美元。

7nm制程中(zhōng)，掩膜成本大概為(wèi)1500萬美元（圖源：IBS）

掩膜版的總體(tǐ)費用(yòng)，包括石英，光刻膠等原材料的成本，Mask Writer和Inspection等機台的使用(yòng)成本，另外還有(yǒu)掩膜版相關數據的生成，包括OPC、MDP等軟件授權、服務(wù)器使用(yòng)和人工(gōng)開發成本等等。對于一款芯片，動辄幾十層的掩膜版，需要如此多(duō)的步驟，設備、軟件、人員缺一不可(kě)，費用(yòng)自然昂貴。

在流片中(zhōng)，Mask的費用(yòng)更是占很(hěn)大一塊，是因為(wèi)前期流片階段就是生産(chǎn)5-25片作(zuò)為(wèi)産(chǎn)品驗證用(yòng)的，主要成本是Mask成本。對應的，正式生産(chǎn)時，Mask的費用(yòng)隻算一次，後面有(yǒu)大量的晶圓可(kě)以分(fēn)攤成本，自然就便宜了。

準确的說應該是平均到每一顆芯片上的費用(yòng)便宜了，而不是總的流片費用(yòng)便宜了。

據業内人士透露，某晶圓代工(gōng)廠（Foundry） 40nm的流片成本大概在60-90萬美元。Mask占據大頭，大約60-90萬美元；晶圓成本每片在3000-4000美元左右。

所以，如果生産(chǎn)10片晶圓，每片晶圓的成本是（90萬+ 4000*10）/10=9.4萬美元；但是如果生産(chǎn)10000片晶圓，那麽每片晶圓的成本是（90萬+4000*10000）/10000=4090美元。

可(kě)見，進入量産(chǎn)之後，生産(chǎn)上萬片晶圓，每片晶圓可(kě)能(néng)3000-4000美元左右，Mask的成本平攤到每片晶圓以後就很(hěn)少了，這時候晶圓的成本就是主要的成本來源。所以，如果隻是量小(xiǎo)的流片階段，那麽Mask成本是主要的。反之如果量産(chǎn)很(hěn)多(duō)，那麽則是晶圓主導成本。

另外，半導體(tǐ)制造廠的機台便宜的上百萬美元，貴的上億美元。據了解，28nm的Mask機台就超過5000萬美元一台，這些儀器，機台需要七年折舊完畢。也就是說，大概使用(yòng)一年就要損失14%的機台價值。

晶圓代工(gōng)行業設備折舊年限通常是5-7年。據報道，中(zhōng)芯國(guó)際2019年折舊費用(yòng)超過了14億，主要是因為(wèi)先進制程的投入需要購(gòu)置部分(fēn)單價較高的機器設備，使得折舊費用(yòng)逐年增加。台積電(diàn)2021年折舊費用(yòng)更是達到近千億新(xīn)台币，創史上最高。

從工(gōng)藝研發周期來講，機器的成本和折舊費已然很(hěn)高，但将工(gōng)藝的良率及可(kě)靠性調到量産(chǎn)要求也是一項有(yǒu)挑戰的工(gōng)作(zuò)。（據悉某廠搞28nm，機器2011/2012年就全部到位了, 可(kě)是5、6年後良率都還沒調到嚴格的量産(chǎn)标準，可(kě)見有(yǒu)多(duō)難。同時還白白損失了多(duō)年的設備折舊費用(yòng)。）

其次還有(yǒu)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，随着當前供需狀況惡化，掩膜版的價格還在上漲，交貨時間也一再被推遲，即使支付額外費用(yòng)，也很(hěn)難及時購(gòu)買到。通常需要4-7天的交期最近增至14天，部分(fēn)企業的交期延長(cháng)到了原來的7倍。

此外，為(wèi)了跟上摩爾定律，Foundry升級換代所需的設備和技(jì )術研發的投資不斷增大，由于Foundry對先進生産(chǎn)線(xiàn)的投資巨大，必然會将其成本轉嫁到客戶的投片費用(yòng)上。這也導緻了制造芯片的費用(yòng)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(yòng)成為(wèi)擺在設計企業面前的一個難題。那麽，面對流片價格高的問題，有(yǒu)沒有(yǒu)什麽辦(bàn)法來降低成本？

MPW (Multi Project Wafer) 是一種可(kě)以幫助設計企業降低成本的流片方式。MPW是指由多(duō)個項目共享某個晶圓，同一次制造流程可(kě)以承擔多(duō)個IC設計的制造任務(wù)，将多(duō)個使用(yòng)相同工(gōng)藝的集成電(diàn)路設計放在同一晶圓上流片，制造完成後，每個設計可(kě)以得到數十片芯片樣品，這一數量對于原型設計階段的實驗、測試已經足夠。

通俗來講就是幾家公(gōng)司或機構一起購(gòu)買一套掩膜版，然後生産(chǎn)出來的同一片晶圓上會同時存在有(yǒu)好幾款芯片，待晶圓切割後，再把各自的芯片“領回家”。而該次制造費用(yòng)就由所有(yǒu)參加MPW的項目按照芯片面積分(fēn)攤，極大地降低了産(chǎn)品開發風險。

MPW有(yǒu)一定的流程，通常由晶圓代工(gōng)廠或者第三方服務(wù)機構來進行組織，各種工(gōng)藝在某一年之中(zhōng)的MPW時間點是預先設定好的，通常是越先進的工(gōng)藝，安(ān)排的MPW頻率越高。晶圓代工(gōng)廠事先會将晶圓劃好多(duō)個區(qū)域并報價，各家公(gōng)司根據自己情況去預訂一個或多(duō)個區(qū)域。

這對參與者來說，在設計和開發方面有(yǒu)一定的進度壓力。但是相比之下，MPW帶來的好處是顯而易見的，采用(yòng)多(duō)項目晶圓能(néng)夠降低芯片的生産(chǎn)成本，為(wèi)設計人員提供實踐機會，并促進了芯片設計的成果轉化，對IC設計人才的培訓，中(zhōng)小(xiǎo)設計公(gōng)司的發展，以及新(xīn)産(chǎn)品的開發研制都有(yǒu)相當大的促進作(zuò)用(yòng)。

對比來看，共享Mask的好處就是省錢，但是可(kě)能(néng)要等代工(gōng)廠的時間節點，需要更多(duō)的時間。對于那些不差錢或趕時間的企業當然可(kě)以自己利用(yòng)一套Mask（Full- Mask，全掩膜），制造流程中(zhōng)的全部掩膜都為(wèi)自己的設計來服務(wù)，通常用(yòng)于設計定型後的量産(chǎn)階段。機器一響，黃金萬兩。

但是，在當前産(chǎn)能(néng)嚴重緊缺的情況下，代工(gōng)廠面對不同客戶的産(chǎn)品需求、競争優勢、市場前景和計劃等态度是完全不同的，代工(gōng)廠會綜合考慮客戶下單量，後續下單穩定性以及産(chǎn)品所面向的市場前景來做判斷。

實際上，對于大部分(fēn)的中(zhōng)小(xiǎo)企業來說，除了價格以外，在流片或量産(chǎn)環節還面臨着包括産(chǎn)能(néng)、交期在内的諸多(duō)挑戰：

1.對Foundry體(tǐ)系不了解，缺乏工(gōng)藝選型的經驗和Foundry打交道的經驗；

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

3.缺乏系統的供應鏈管理(lǐ)能(néng)力，尤其在量産(chǎn)産(chǎn)能(néng)爬坡階段，對産(chǎn)能(néng)、交期、質(zhì)量過于樂觀；

4.産(chǎn)能(néng)緊缺情況下，缺乏備貨機制，恐慌性下單或有(yǒu)了訂單再下單導緻産(chǎn)能(néng)跟不上市場需求。此外，交期的變化、産(chǎn)能(néng)的波動都會大大增加初創公(gōng)司與晶圓代工(gōng)廠的溝通成本，降低效率。

對此，中(zhōng)小(xiǎo)芯片設計企業可(kě)以尋求有(yǒu)資源、有(yǒu)實力、有(yǒu)經驗的第三方運營服務(wù)機構進行合作(zuò)，一同來解決遇到的供應鏈難題。

可(kě)以提供完整的工(gōng)藝平台，對接數十家主流晶圓代工(gōng)廠，提供MPW、Full-mask及量産(chǎn)在内的不同工(gōng)藝節點的流片服務(wù)，能(néng)夠顯著降低客戶的商(shāng)務(wù)成本和溝通成本。

另一方面，憑借自建的專業流片FAE團隊，不僅為(wèi)合作(zuò)晶圓代工(gōng)廠提供長(cháng)尾客戶的高效支持管理(lǐ)，也幫助中(zhōng)小(xiǎo)公(gōng)司的産(chǎn)品快速得到支持，協助客戶選擇最優工(gōng)藝，并保障客戶的數據安(ān)全。

在産(chǎn)能(néng)方面，利用(yòng)know-how協助中(zhōng)小(xiǎo)客戶去争取産(chǎn)能(néng)（包括大訂單、訂單量趨勢、提前排隊、及時跟蹤産(chǎn)能(néng)動态等），幫助客戶降低成本和縮短芯片研發周期。

綜合來看，無論是從技(jì )術、商(shāng)務(wù)還是産(chǎn)能(néng)方面，選擇一家靠譜的第三方機構都可(kě)以協助設計公(gōng)司解決當前所遇到的供應鏈難點，提供最優解。

總而言之，處于這些需求賽道中(zhōng)的公(gōng)司們都可(kě)能(néng)從流片服務(wù)廠商(shāng)的業務(wù)中(zhōng)獲利。

寫在最後

一個芯片開發項目，需要經曆從産(chǎn)品定義、設計、驗證仿真一直到最終流片的漫長(cháng)過程，而作(zuò)為(wèi)“終極大考”的流片，此前漫長(cháng)過程中(zhōng)的任何一個小(xiǎo)疏忽都可(kě)能(néng)導緻流片失敗，而一旦流片失敗往往意味着企業将面臨數千萬美元起的損失和至少半年市場機遇的錯失。

這對于許多(duō)企業而言，流片失敗是無法承受之痛。

對此，芯片設計企業、制造商(shāng)以及相關的行業服務(wù)平台和機構應緊密合作(zuò)，優勢互補，攜手解決困擾開發者的“流片難題”。