設計一顆2nm芯片，至少要7.25億美元！
來(lái)源：半導體行業(yè)觀(guān)察（ID：icbank）
近日，Marvell高管在一場(chǎng)分析會(huì )上表示，隨著(zhù)制程工藝的演進(jìn)，芯片的研發(fā)成本正在飆升。
如下圖所示，在28nm的時(shí)候，設計一顆芯片的成本僅為4280萬(wàn)美元。在接下來(lái)的的22和16nm，芯片設計成本有穩步上升，但幅度還是可控。到了10nm一下，芯片成本則同步飆升。
芯片工藝越來(lái)越先進(jìn)了，今年三星量產(chǎn)了3nm工藝，臺積電的3nm也是箭在弦上了，明年就會(huì )是3nm的高光時(shí)代，2024到2025年則是2nm工藝量產(chǎn)。
先進(jìn)工藝生產(chǎn)出來(lái)的芯片性能更強大，能效也更好，但這也不是沒(méi)有代價(jià)的，最大的麻煩就是燒錢(qián)，不僅是3nm、2nm工廠(chǎng)建設需要200億美元以上的資金，哪怕是AMD、NVIDIA、蘋(píng)果、高通這樣的芯片設計公司，開(kāi)發(fā)一款芯片的成本也會(huì )越來(lái)越高。
在前不久的IEDM會(huì )議上，Marvell公司公布了一些數據，援引IBS機構分析了各個(gè)工藝下芯片開(kāi)發(fā)成本，其中28nm工藝只要4280萬(wàn)美元，22nm工藝需要6300萬(wàn)美元，16nm工藝需要8960萬(wàn)美元。
后面的先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)成本就直線(xiàn)上漲，7nm需要2.486億美元，5nm需要4.487億美元，3nm需要5.811億美元，而2nm工藝需要的開(kāi)發(fā)資金是7.248億美元，人民幣約合50億。
換句話(huà)說(shuō)，如果某家公司想要自己搞一款先進(jìn)工藝芯片，比如2nm處理器，不說(shuō)設計周期要幾年時(shí)間，光是投入的資金就得50億元。
還不算生產(chǎn)的費用，2nm代工價(jià)格現在還沒(méi)有，但是3nm工藝就要2萬(wàn)美元以上了，漲價(jià)25%。
照這樣發(fā)展下去，未來(lái)2nm的CPU及顯卡就算能做出來(lái)，成本也會(huì )一路上漲，在這個(gè)方向上已經(jīng)沒(méi)有退路了。
在筆者看來(lái)，按照這個(gè)增長(cháng)幅度，芯片設計成本突破10億美元指日可待。
從Marvell分享的這個(gè)圖我們可以看到，在芯片設計成本中，軟件占了大頭，緊隨其后的是Verification、Validation、physicical、IP qualification、prototype和architecture。按照上頭的展示，本來(lái)在28nm的時(shí)候，軟件就是芯片設計的最巨大的成本，但這種情況在22nm和16nm的時(shí)候被扭轉了。但進(jìn)入到了10nm以后，這種情況重新出現。由此可以看到先進(jìn)工藝給芯片設計產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的挑戰。
先進(jìn)制程芯片成本為啥這么貴？
- 晶圓代工成本
根據CEST的模型，在5nm節點(diǎn)上構建的單個(gè)300mm晶圓的成本約為16988美元，在7nm節點(diǎn)上構建的類(lèi)似晶圓成本為9346美元?？梢钥吹?，相同尺寸晶圓，5nm工藝節點(diǎn)相比7nm每片晶圓代工售價(jià)高7000多美元。
按節點(diǎn)計算2020年每個(gè)芯片的代工銷(xiāo)售價(jià)格（圖源：CSET）從中可以推斷出，在3nm節點(diǎn)上構建的晶圓成本或將達到3萬(wàn)美元左右，晶圓代工成本將進(jìn)一步提高。
另一組數據也對此進(jìn)行了印證，成本價(jià)格在很大程度上取決于芯片制程和晶圓尺寸的不同。IC Insights提供的數據顯示，每片0.5μ 200mm晶圓代工收入（370美元）與≤20nm 300mm晶圓的代工收入（6050美元）之間相差超過(guò)16倍。即使同樣是在300mm晶圓尺寸下，≤20nm 相比28nm工藝，成本相差也達到一倍。
2018年主要技術(shù)節點(diǎn)和晶圓尺寸的每片晶圓代工收入（圖源：IC Insights）可見(jiàn)，隨著(zhù)工藝節點(diǎn)的提升，晶圓代工成本隨之大幅度提升。
- 掩膜（Mask）成本
據IBS數據顯示，在16/14nm制程中，所用掩膜成本在500萬(wàn)美元左右，到7nm制程時(shí)，掩膜成本迅速升至1500萬(wàn)美元。
又從臺積電（IEDM 2019）了解到，從10nm到5nm，隨著(zhù)EUV光刻技術(shù)的應用，掩膜使用數量有所減少，5nm與10nm制程中掩膜使用數量相差不多。
不同制程中的Mask數量（圖源：臺積電）但是，在掩膜數量基本持平的情況下，更先進(jìn)的制程工藝使得掩膜總成本提升，能側面反映出掩膜平均成本在不斷升高。
再反映到芯片成本上，每片CPU的掩膜成本等于掩膜總成本/總產(chǎn)量。如果總體產(chǎn)量小，芯片的成本會(huì )因為掩膜成本而較高；如果產(chǎn)量足夠大，比如每年出貨以?xún)|計，掩膜成本被巨大的產(chǎn)量分攤，可以使每塊CPU的掩膜成本大幅降低，使擁有“更貴的制程工藝+更大的產(chǎn)量”屬性的CPU，比“便宜的制程工藝+較小的產(chǎn)量”的CPU成本更低。
可以預見(jiàn)，到3nm時(shí)，掩膜成本預計將會(huì )再度攀升，進(jìn)一步增加芯片成本。
- EUV光刻機
隨著(zhù)工藝制程的發(fā)展，到7nm及更先進(jìn)的技術(shù)節點(diǎn)時(shí)，需要波長(cháng)更短的極紫外（EUV）光刻技術(shù)來(lái)實(shí)現更小的制程。荷蘭ASML是全球唯一有能力制造EUV光刻機的廠(chǎng)商。
但EUV光刻機的價(jià)格一直以來(lái)十分昂貴，2018年，中芯國際和ASML簽訂了訂購協(xié)議，以1.2億美元的價(jià)格訂購了一臺EUV光刻機。這一價(jià)格與PHOTRONICS披露的EUV光刻機價(jià)格基本吻合。
設備成本（圖源：PHOTRONICS）從ASML最新公布的2021年第二季度財報來(lái)看，截止2021年7月4日，ASML今年出貨EUV光刻機16臺，銷(xiāo)售額達到24.561億歐元，平均每臺EUV光刻機價(jià)格高達1.535億歐元。
ASML 2021年Q2財報（圖源：ASML）再結合ASML歷年（2018/2019/2020三年）財報數據，能夠看到ASML的EUV光刻機單從1.045億歐元到1.44億歐元，價(jià)格逐年攀升。
ASML 近三年財報（圖源：ASML）一臺EUV光刻機售價(jià)超過(guò)1億美元，而且還相當不好買(mǎi)。ASML每推出一代EUV光刻機，新設備的生產(chǎn)能力在穩步提升，但價(jià)格自然更高。據披露，ASML第二代EUV光刻機將會(huì )是NXE:5000系列，進(jìn)一步提高光刻精度，原計劃2023年問(wèn)世，現推遲到2025-2026年，而價(jià)格預計將突破3億美元。
當然，除了價(jià)格最貴的EUV光刻機之外，沉積、刻蝕、清洗、封裝等環(huán)節所采用的設備和材料也價(jià)格不菲，且成本都在隨著(zhù)工藝制程向前發(fā)展不斷提高。
- 研發(fā)&人力成本
先進(jìn)制程不僅需要巨額的建設成本，高昂的研發(fā)和人力費用也提高了設計企業(yè)的門(mén)檻。
人力成本是研發(fā)成本的重要部分，項目開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量與工程師數量和水平相關(guān)，國內資深芯片設計工程師年薪一般在50-100萬(wàn)元之間。
另一方面，晶體管架構轉向GAA，也在增加芯片成本。
當前隨著(zhù)深寬比不斷拉高，FinFET逼近物理極限，為了制造出密度更高的芯片，環(huán)繞式柵極晶體管（GAAFET）成為新的技術(shù)選擇。因此，晶體管結構從FinFET走向GAA，成為摩爾定律續命的關(guān)鍵。
- EDA成本
根據ESD Alliance數據顯示，2020年EDA全球市場(chǎng)規模114.67億美元，相對于幾千億美元的芯片市場(chǎng)來(lái)說(shuō)占比較小，但EDA對芯片設計的效率和成本都起著(zhù)至關(guān)重要的作用。
Synopsys 2021年Q2財報（圖源：Synopsys）根據Synopsys 最新財報來(lái)數據，2021年第二季度營(yíng)收10.243億美元，半導體和系統設計，包括EDA工具、IP產(chǎn)品、系統集成解決方案和相關(guān)服務(wù)；軟件完整性，包括用于軟件開(kāi)發(fā)的安全和質(zhì)量解決方案等。EDA營(yíng)收達到5.876億美元，占比在57%左右。
Synopsys財報數據（圖源：Synopsys）據網(wǎng)上數據，20人的研發(fā)團隊設計一款芯片所需要的EDA工具采購費用在100萬(wàn)美元／年（包括EDA和LPDDR等IP購買(mǎi)成本）。從EDA的行業(yè)屬性及高昂的研發(fā)投入能夠預測，待到3nm制程時(shí)，EDA工具授權費自然更是不菲。
- IP授權成本
半導體IP是指在集成電路設計中那些已驗證、可復用、具有某種確定功能和自主知識產(chǎn)權功能的設計模塊，芯片公司可以通過(guò)購買(mǎi)IP實(shí)現某個(gè)特定功能（例如ARM的Cortex系列CPU、Mali系列GPU IP授權等，其他小的模塊也要購買(mǎi)，如音視頻編****、DSP、NPU...等），這種類(lèi)似“搭積木”的開(kāi)發(fā)模式可大大縮短芯片的開(kāi)發(fā)周期，在降低芯片設計難度的同時(shí)提高性能和可靠性。
2017-2020年Synopsys營(yíng)收拆分（單位：百萬(wàn)美元）可見(jiàn)，IP作為技術(shù)含量最高的價(jià)值節點(diǎn)，隨著(zhù)芯片制程越來(lái)越先進(jìn)，芯片價(jià)格的提升，IP研發(fā)難度和授權費用也將隨之升高。
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