俗话说的好:不经历风雨,怎么见彩虹!

从事半导体芯片行业的人们,想必对芯片流片这一环节并不陌生;其中,芯片制造是将芯片从图纸变成实物的关键一步,但在芯片量产之前还有个重要步骤就是流片,该环节处于芯片设计和芯片量产的中间阶段,可谓是芯片制造的关键环节;

流片之于芯片开发者,相当于考试之于学生,学生“闻考变色”,芯片开发者“闻流片变色”。

其实流片说得通俗易懂一点,就是将设计好的方案,交给芯片制造厂商,然后生产几片或者几十片的样品,通过检测后看一下设计的芯片能不能用,最后进行优化。

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在此之中:从一颗到量产,流片就已决定芯片设计方案是否能使用,每一次流片成功,都意味着一次成功的芯片设计;且,要制作出好的芯片,在芯片的生产上需要非常多的工艺:

首先,在生产上,芯片制作一般需要1000多道工艺,并且生产的周期会比较长。

其次,在刚开始的时候,有部分工艺要经过验证,并且生产的量较少。

另外,在芯片制作的时候,有两个阶段是流片,其中一个就是在芯片大规模生产的时候像流水线一样生产。

尤其,在制造芯片的过程中,需要在很小的芯片里放上亿个晶体管,制造工艺已经到了纳米级,所以只能用光刻来完成。

其核心点在于:光刻就是用光刻出想要的图形,这一步骤需要用到掩膜版,掩膜版就是将设计好的电路图雕刻在上面,让光通过后,在晶圆上刻出图形。掩膜版和晶圆都是消耗品,而且价格不菲,一套中端工艺制程的掩膜版价格大约在50万美元,而一片晶圆起码要数千美元。

由此可见,用“千万级乃至上亿”去形容流片成本并不为过,前期的流片所需费用也不可小觑:

制程研发成本:ASIC(Application-Specific Integrated Circuit,特定应用集成电路)的制程需要进行大量的研发和优化,以适应特定的应用需求。这包括电路设计、物理布局、逻辑验证等方面的工作,需要投入大量时间和资源。

制程设备投资:ASIC制程需要使用先进的半导体制造设备,例如光刻机、化学气相沉积设备等。这些设备价格昂贵,并且需要进行定期的维护和升级,以保持制程的稳定性和可靠性。

生产规模限制:ASIC制程通常需要进行大规模的生产,以实现成本的分摊和经济效益。但是,由于ASIC是为特定应用而设计的,需求量相对较小,因此无法像通用的处理器那样实现大规模的生产,导致成本上升。

制程复杂性和低良品率:ASIC制程在设计和制造过程中面临着更高的复杂性和要求。由于特定应用的定制需求,电路设计更为复杂,而制程过程中的一小部分缺陷或不良会导致整个芯片的失效。因此,为了确保良好的良品率,制程需要更加严格的质量控制和测试步骤,这进一步增加了制程的成本。

据数据统计,最便宜的ASIC流片成本需要几十万一次,180nm的流片成本大概是50W元,55nm的成本在200W元,16nm成本就飙升到了3000W-5000W元,到了7nm最低也要过亿。

综上所述,从最开始的电路图到芯片,每一个工艺都要检查,另一个流片就是检查电路的性能和功能。如果流片成功,就能开始大规模制造芯片,但如果没有成功,就要继续优化设计,直到成功为止;

图片为:台积电成本影响示例
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图片为:台积电成本影响示例

当然,在制作芯片流片的过程当中,时间成本也在提高,我们举个例子:

目前来看,三星的12英寸和8英寸晶圆厂都有开展MPW服务,其中12英寸目前最高公开提供5LPE这一5nm的工艺。

一般来说,越是先进的工艺,往往每年的MPW流片次数就越少,比如台积电的CyberShuttle可能只提供一次3nm的MPW服务。

那么,如何缩短这些MPW项目的周转时间,其实也是晶圆代工厂需要考虑的问题之一。

需要注意的是:芯片流片的风险非常高。

历史上,小米旗下松果电子的澎湃S2系列芯片因为连续五次的流片失败损失惨重。对于企业来说,流片失败意味着时间成本和资金都付诸东流,且下次流片结果依然未知;如果延误了产品上市的时间,在现在多变的市场中对于企业是极为致命的。

图片来自:三星MPW Shuttle 服务
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图片来自:三星MPW Shuttle 服务

从2022年开始,国内诸多企业先后宣布芯片流片成功,这些成功无疑极大的证明国内芯片正在进步。

国内GPU领域,沐曦首颗高性能通用GPU芯片宣布流片,采用7纳米工艺,预计2023年量产。

景嘉微宣布其JM9系列第二款GPU已经完成流片、封装阶段工作。

象帝先天钧一号GPU在2022年6月6号正式进入流片。

汽车芯片领域,中颖电子正在研发车规级MCU,已流片成功,在验证阶段

国芯科技汽车域控制器芯片CCFC2016B已经完成流片。

龙芯中科在接受机构调研时表示,其做了控制用的高可靠汽车MCU芯片,第一款已经流片。

SoC芯片领域,芯原科技已实现5nm系统级芯片(SoC)一次流片成功,多个5nm一站式服务项目正在执行。

其实,流片对于设计企业来说,确实是一大生死关,正因如此国内政府一直出台相应政策支持流片;

实际上,从2000年时,我国财政部税务总局就已经通知海关总署,表示国内设计并具有自主知识产权的集成电路产品,因国内无法生产,到国外流片、加工,其进口环节增值税超过6%的部分实行即征即退。

写在文章最后:

随着半导体工艺的升级,芯片设计和流片费用都要呈指数级增长,影响制造一颗成功芯片的因素非常多,包括采用什么样的工艺、多大尺寸的晶圆、芯片EDA的设计等;每一个环节的选择都会影响这颗芯片的流片成功率和成本。

且,有一些大晶圆厂会选择Full Mask模式,Full Mask就是指整个晶圆制造过程中的全部Mask都是为某个芯片所用,显然投片的成本非常高。

但,这种方式可以将流片和后续量产缩短三个月左右时间。在与市场赛跑的过程中,更早的成品自然代表着更多的市场份额;

由于篇幅受限,本次芯片流片就先介绍这么多......

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