芯片行業對于流片都不陌生(shēng)。
所謂流片，就是像流水線一(yī)樣通過一(yī)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(shēng)産幾片幾十片樣品，檢測一(yī)下(xià)設計的芯片能不能用，然後進行優化。如果測試通過，就按照這樣開(kāi)始大(dà)規模生(shēng)産了。
所以爲了測試集成電(diàn)路設計是否成功，必須進行流片。這也是芯片設計企業一(yī)般都在前期需要投入很大(dà)成本的重要原因。
一(yī)顆芯片從設計到量産，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(zhǐ)在晶圓上進行蝕刻，采用什麽樣的制程工(gōng)藝，多大(dà)尺寸的晶圓，芯片的複雜(zá)程度都會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(yī)次就能流片成功的，往往需要進行多次流片才能獲得較爲理想的效果。
圖源：知(zhī)識向量
但流片是一(yī)件非常燒錢的事，多幾次流片失敗，可能就會把公司搞垮。2019年就曾傳出小(xiǎo)米旗下(xià)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。
有芯片大(dà)廠算過這筆賬，14nm工(gōng)藝芯片，流片一(yī)次需要300萬美元左右，7nm工(gōng)藝芯片，流片一(yī)次需要3000萬美元，5nm工(gōng)藝芯片，流片一(yī)次更是達到4725萬美元。可見，流片對于芯片設計企業來說是一(yī)筆巨大(dà)花費(fèi)，尤其是對于行業中(zhōng)小(xiǎo)企業來講，實際流片的價格比大(dà)廠又(yòu)高很多，讓本不富裕的“生(shēng)活”更是雪上加霜。
芯片流片的價格爲什麽這麽貴？這就要提到芯片的制造原理了。
芯片制造要在很小(xiǎo)的芯片裏放(fàng)上億個晶體(tǐ)管，制造工(gōng)藝已經到了納米級，隻能用光刻來完成。光刻就是用光刻出想要的圖形，光刻需要用到掩膜版（又(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(yī)方面是因爲剛開(kāi)始有許多工(gōng)藝需要驗證，從一(yī)個電(diàn)路圖到一(yī)塊芯片，檢驗每一(yī)個工(gōng)藝步驟是否可行，檢驗電(diàn)路是否具備所要的性能和功能。芯片流片過程至少持續三個月（包括原料準備、光刻、摻雜(zá)、電(diàn)鍍、封裝測試），一(yī)般要經過1000多道工(gōng)藝，生(shēng)産周期較長，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，就可以據此大(dà)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(yī)套中(zhōng)端工(gōng)藝制程的掩膜版價格大(dà)約在50萬美元左右，而一(yī)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(yī)種由石英爲材料制成的，是微電(diàn)子制造過程中(zhōng)的圖形轉移工(gōng)具或母版，其功能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細圖案刻制于掩膜版基闆上，是承載圖形設計和工(gōng)藝技術等内容的載體(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)作流程。把光刻機想象成印鈔機，晶圓相當于印鈔紙(zhǐ)，掩膜就是印版，把鈔票(piào)母版的圖形印到紙(zhǐ)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(yī)樣。
光刻需要用到掩膜版，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)作原理
掩膜版的質量會直接影響光刻的質量，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(xià)遊産品精度和質量的決定因素之一(yī)。
掩膜版的價格主要取決于芯片所選用的“工(gōng)藝節點”，工(gōng)藝節點越高、流片價格就越貴。這是因爲越先進的工(gōng)藝節點，所需要使用的掩膜版層數就越多。據了解，在14nm工(gōng)藝制程上，大(dà)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，不僅僅是因爲掩膜闆的價格貴，還因爲每多出一(yī)層 “掩膜闆”，就要多進行一(yī)次“光刻”，就要再多塗抹一(yī)次 “光刻膠”，就要再多一(yī)次 “曝光”，然後再來一(yī)次 “顯影” ...，整個流程下(xià)來耗費(fèi)的成本就大(dà)大(dà)增加了。
據IBS數據顯示，在16/14nm制程中(zhōng)，所用掩膜成本在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(dà)概爲1500萬美元（圖源：IBS）
掩膜版的總體(tǐ)費(fèi)用，包括石英，光刻膠等原材料的成本，Mask Writer和Inspection等機台的使用成本，另外(wài)還有掩膜版相關數據的生(shēng)成，包括OPC、MDP等軟件授權、服務器使用和人工(gōng)開(kāi)發成本等等。對于一(yī)款芯片，動辄幾十層的掩膜版，需要如此多的步驟，設備、軟件、人員(yuán)缺一(yī)不可，費(fèi)用自然昂貴。
在流片中(zhōng)，Mask的費(fèi)用更是占很大(dà)一(yī)塊，是因爲前期流片階段就是生(shēng)産5-25片作爲産品驗證用的，主要成本是Mask成本。對應的，正式生(shēng)産時，Mask的費(fèi)用隻算一(yī)次，後面有大(dà)量的晶圓可以分(fēn)攤成本，自然就便宜了。
準确的說應該是平均到每一(yī)顆芯片上的費(fèi)用便宜了，而不是總的流片費(fèi)用便宜了。
據業内人士透露，某晶圓代工(gōng)廠（Foundry） 40nm的流片成本大(dà)概在60-90萬美元。Mask占據大(dà)頭，大(dà)約60-90萬美元；晶圓成本每片在3000-4000美元左右。
所以，如果生(shēng)産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(shēng)産10000片晶圓，那麽每片晶圓的成本是（90萬+4000*10000）/10000=4090美元。
可見，進入量産之後，生(shēng)産上萬片晶圓，每片晶圓可能3000-4000美元左右，Mask的成本平攤到每片晶圓以後就很少了，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。反之如果量産很多，那麽則是晶圓主導成本。
另外(wài)，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(yī)台，這些儀器，機台需要七年折舊(jiù)完畢。也就是說，大(dà)概使用一(yī)年就要損失14%的機台價值。
晶圓代工(gōng)行業設備折舊(jiù)年限通常是5-7年。據報道，中(zhōng)芯國際2019年折舊(jiù)費(fèi)用超過了14億，主要是因爲先進制程的投入需要購置部分(fēn)單價較高的機器設備，使得折舊(jiù)費(fèi)用逐年增加。台積電(diàn)2021年折舊(jiù)費(fèi)用更是達到近千億新台币，創史上最高。
從工(gōng)藝研發周期來講，機器的成本和折舊(jiù)費(fèi)已然很高，但将工(gōng)藝的良率及可靠性調到量産要求也是一(yī)項有挑戰的工(gōng)作。（據悉某廠搞28nm，機器2011/2012年就全部到位了, 可是5、6年後良率都還沒調到嚴格的量産标準，可見有多難。同時還白(bái)白(bái)損失了多年的設備折舊(jiù)費(fèi)用。）
其次還有人力成本，維護成本以及耗材費(fèi)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(yī)再被推遲，即使支付額外(wài)費(fèi)用，也很難及時購買到。通常需要4-7天的交期最近增至14天，部分(fēn)企業的交期延長到了原來的7倍。
此外(wài)，爲了跟上摩爾定律，Foundry升級換代所需的設備和技術研發的投資(zī)不斷增大(dà)，由于Foundry對先進生(shēng)産線的投資(zī)巨大(dà)，必然會将其成本轉嫁到客戶的投片費(fèi)用上。這也導緻了制造芯片的費(fèi)用在不斷上漲。
如何降低流片成本？
上述種種因素影響下(xià)，芯片流片費(fèi)用成爲擺在設計企業面前的一(yī)個難題。那麽，面對流片價格高的問題，有沒有什麽辦法來降低成本？
MPW (Multi Project Wafer) 是一(yī)種可以幫助設計企業降低成本的流片方式。MPW是指由多個項目共享某個晶圓，同一(yī)次制造流程可以承擔多個IC設計的制造任務，将多個使用相同工(gōng)藝的集成電(diàn)路設計放(fàng)在同一(yī)晶圓上流片，制造完成後，每個設計可以得到數十片芯片樣品，這一(yī)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司或機構一(yī)起購買一(yī)套掩膜版，然後生(shēng)産出來的同一(yī)片晶圓上會同時存在有好幾款芯片，待晶圓切割後，再把各自的芯片“領回家”。而該次制造費(fèi)用就由所有參加MPW的項目按照芯片面積分(fēn)攤，極大(dà)地降低了産品開(kāi)發風險。
MPW有一(yī)定的流程，通常由晶圓代工(gōng)廠或者第三方服務機構來進行組織，各種工(gōng)藝在某一(yī)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，安排的MPW頻(pín)率越高。晶圓代工(gōng)廠事先會将晶圓劃好多個區域并報價，各家公司根據自己情況去(qù)預訂一(yī)個或多個區域。
這對參與者來說，在設計和開(kāi)發方面有一(yī)定的進度壓力。但是相比之下(xià)，MPW帶來的好處是顯而易見的，采用多項目晶圓能夠降低芯片的生(shēng)産成本，爲設計人員(yuán)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)設計公司的發展，以及新産品的開(kāi)發研制都有相當大(dà)的促進作用。
對比來看，共享Mask的好處就是省錢，但是可能要等代工(gōng)廠的時間節點，需要更多的時間。對于那些不差錢或趕時間的企業當然可以自己利用一(yī)套Mask（Full- Mask，全掩膜），制造流程中(zhōng)的全部掩膜都爲自己的設計來服務，通常用于設計定型後的量産階段。機器一(yī)響，黃金萬兩。
但是，在當前産能嚴重緊缺的情況下(xià)，代工(gōng)廠面對不同客戶的産品需求、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(xià)單量，後續下(xià)單穩定性以及産品所面向的市場前景來做判斷。
實際上，對于大(dà)部分(fēn)的中(zhōng)小(xiǎo)企業來說，除了價格以外(wài)，在流片或量産環節還面臨着包括産能、交期在内的諸多挑戰：
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能力，尤其在量産産能爬坡階段，對産能、交期、質量過于樂觀；
4.産能緊缺情況下(xià)，缺乏備貨機制，恐慌性下(xià)單或有了訂單再下(xià)單導緻産能跟不上市場需求。此外(wài)，交期的變化、産能的波動都會大(dà)大(dà)增加初創公司與晶圓代工(gōng)廠的溝通成本，降低效率。
對此，中(zhōng)小(xiǎo)芯片設計企業可以尋求有資(zī)源、有實力、有經驗的第三方運營服務機構進行合作，一(yī)同來解決遇到的供應鏈難題。
可以提供完整的工(gōng)藝平台，對接數十家主流晶圓代工(gōng)廠，提供MPW、Full-mask及量産在内的不同工(gōng)藝節點的流片服務，能夠顯著降低客戶的商(shāng)務成本和溝通成本。
另一(yī)方面，憑借自建的專業流片FAE團隊，不僅爲合作晶圓代工(gōng)廠提供長尾客戶的高效支持管理，也幫助中(zhōng)小(xiǎo)公司的産品快速得到支持，協助客戶選擇最優工(gōng)藝，并保障客戶的數據安全。
在産能方面，利用know-how協助中(zhōng)小(xiǎo)客戶去(qù)争取産能（包括大(dà)訂單、訂單量趨勢、提前排隊、及時跟蹤産能動态等），幫助客戶降低成本和縮短芯片研發周期。
綜合來看，無論是從技術、商(shāng)務還是産能方面，選擇一(yī)家靠譜的第三方機構都可以協助設計公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)的公司們都可能從流片服務廠商(shāng)的業務中(zhōng)獲利。
寫在最後
一(yī)個芯片開(kāi)發項目，需要經曆從産品定義、設計、驗證仿真一(yī)直到最終流片的漫長過程，而作爲“終極大(dà)考”的流片，此前漫長過程中(zhōng)的任何一(yī)個小(xiǎo)疏忽都可能導緻流片失敗，而一(yī)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平台和機構應緊密合作，優勢互補，攜手解決困擾開(kāi)發者的“流片難題”。