干货必读:芯片从创意到制造的全过程

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干货必读:芯片从创意到制造的全过程

本文将概述性的介绍半导体器件的制作流程,不论是采用的哪种授权方式(内部设计,外部IP授权或介于两者之间)。文中主要涉及的是消费者器件,因为这也是我主要从事的领域,但芯片工艺制程方式基本上在任何芯片中都是通用的。

  因为我个人从来还为读到过从始至终的工艺描述,而早在我进入半导体IP公司之前我就一直期待能看到这样的文章。我相信很多人都有和我一样的看法。于是最终我想我为什么不自己写一篇呢?我希望这篇文章能给对半导体感兴趣的读者带来帮助。 

  晶圆上的45纳米芯片图像,来自:AMD

  创意

  半导体改进仍然来自创新和创意。和设计一部智能手机的创意相比,当然半导体行业的创意要基础和底层得多,我们的创新需要在硅的水平上进行,而这是现在几乎所有计算设备的基础。

  就我所知,所有我能想到的芯片,包括最小和最专业的芯片,都是由微小的模块构成的。如果你想进行更为复杂的计算,即使只有单个输入,你仍然需要继续这些模块进行更上层的设计。

  但芯片设计和制造并不是一蹴而就的事,不是单一的整体技术就可以办到。现代的芯片的基础模块非常小,也因为这样的原因,现在的设计师几乎不可能将芯片的整个设计装进自己的脑袋。现在芯片非常复杂,拥有上亿晶体管的芯片也已经是家常便饭,有的甚至更多。现在主流的计算机和电脑的处理器中集成了10亿以上的晶体管,甚至部分手机也有如此的集成量,其复杂程度可想而知。

  所以设计师大多数不会想自己构建一个整体,人类也无法办到这一点。但是我们可以将这个任务切割成很多块分开处理。也许某个设计师能够设计、制造、测试所有的块,但分块仍然是必须的。

  时间表

  简单起见,我要谈谈现在最常见的处理器,这些都需要一年时间才能完成制造。半导体行业没什么是发展迅速的。产品的设计、制造、验证、集成、测试、取样还有可能的返工,到最后的大规模制造,一款芯片真的需要一年时间才能出现在市面上。

  因此,一款芯片的寿命通常都不短。有一些对半导体行业的宏观看法,可能会很常见。比如说,一个现代的智能手机系统芯片供应商可能从项目开始到大规模出货仅仅用了几个月时间,但他们实际上做的不过是将已有的模块进行集成而已。每年都有成千上万人进入这一行业,将已有的模块变成全功能的SoC。

  在现代消费电子及相关领域,主要的芯片能进行复杂的计算都需要经过好几年的研发时间,而不是几个月、几周、甚至更可笑的几天。

  了解你的需求

  芯片研发需要几年时间意味着需要有一些准确的预测工作要做。聪明的芯片设计者都是依靠数据驱动芯片设计的,他们可不会盲目进行设计或者仅仅依靠直觉行动。了解自己的需求往往是纯粹的数据分析。

  芯片设计者的数据来源有很多:市场团队、销售人员、已有客户和潜在客户、产品规划、项目经理,或者像我一样的竞争力和性能分析师。另外还有的数据是来自芯片设计者自身的工作经验,因为他们知道该怎样做才是正确的。

  芯片设计师的第一个工作是过滤所有的数据并将其作为他们即将构建的模型的基础。他们需要尽可能知道所设计的芯片的未来的使用场景:最终的产品会是怎样的?客户对新一代的产品有怎样的期待?在新功能和性能的改进上有什么最低限制吗?在电池寿命、材料科学和芯片制造商的行业风向改变了吗?

  成本如何?在经济活动中,成本扮演了举重轻重的作用。许多中国商品就凭借成本优势打开了世界的市场。如果你所设计的芯片的成本需要20美元,而竞争对手只要10美元就能完成同样的新能,那么你的设计将毫无意义。所以在设计芯片之初就要考虑芯片的成本结构,从而从顶层设计上控制成本。要记住,你所做的每一项改变都会影响到成本,不管是直接还是间接的。

  比如说你的芯片需要引入A组件,这是一款20平方毫米。而你的整个芯片设计的使用面积为80平方毫米,而每一平方毫米的成本为20美分,而对于一个完整芯片,你的客户的心理价位也不超过20美元。但是你为了能够保证下一代芯片的研发,你设计的产品的毛利率必须要至少达到25%。这个时候,其它组件所需要的面积仅有60平方毫米了,结果你终于好不容易将这些组件都集成到了芯片上,却发现其中没有间隙了。有时候因为功耗或散热的原因,你还需要芯片中有一些间隙。

  所以在设计芯片时,采用组件A会有两种情况。一是芯片本身的成本低于16美元,二是你不得不修改其他组件的设计从而降低成本。

  最终芯片设计师将所有这些输入和反馈引入到设计的模型中(这里通常有很多电子表格,多到超过你的想象)。然后设计师决定芯片最终需要什么组件,并将顶层设计需要背景信息考虑进去,然后设计师就要竭尽所能完成所有的要求设计出最终的成品。

  现在我们已经知道芯片设计师在设计芯片时需要一些构造模块了,他们需要决定最终应该采用什么设计模块。如今,这些模块是来自于何处呢?

  买入或自行设计

  像英特尔这样的行业领头者,当然完全有能力自己设计所需要的模块。而且它不仅能自己设计自己的芯片,它还有自己的工厂完成自己芯片的生产。比如说如果你是下一代Core i8-6789K的首席设计师。现如今这些产品已经和过去的CPU有很大的差别了,其中系统中的其它都位于连接总线的另一端。比如Core i7-4790K就是一款包含了CPU、内存控制和内部管理、GPU、末级缓存、视频解码器、显示控制器、PCI Express根控制器等等的聚合体。现在假设你要设计的i8-6789K也至少有以上这些东西。

  作为一个像i8-6789K这样重量级产品的设计师,你应当清楚至少在i7-4790K中,设计师几乎没有从英特尔外部引入组件。不过我们可以假设你在设计过程中需要的一个组件模块是英特尔没有设计的,那么你就需要向第三方购买构造模块;不过你告诉我其中肯定没有第三方组件我也不会感到惊讶

英特尔Core i7-4790K (左)和i7-5960X (右)

  英特尔制造的一些芯片确实有引入来自其它公司的模块,但该公司收入中的大部分都来自于完全自己设计的芯片。

  那么你能够从哪里得到这些构造模块呢?英特尔自己自然有针对每个模块的设计团队。维持这些团队的运行需要强大的资金支持,但由此带来的竞争优势却是无可代替的。想一想,如果你的设计都在自己的公司内部进行,你可以控制你的时间表,而你的竞争对手对你的设计也一无所知,你自己也可以根据需要对所有的模块进行修改和修正,这样就具备了更大的灵活性。如果你能负担起其中的开支,这样所带来的竞争优势是压倒性的,因为最终的规模经济将能够抵消研发所带来的巨额开支。

  所以你能看到芯片行业自己建造的心理总是无处不在。高通尽力在做,NVIDIA也在尽量努力。苹果则依靠自己强大的垂直整合能力在消费者市场混的风生水起。在芯片模块的层次上,苹果的大部分工作也是自己在做。

  而在消费设备芯片的另一端,你还能看到一些集成的大师,它们几乎不自己设计任何东西,完全都是依靠购买IP进行生产。它们从其他供应商那里购买设计蓝图,然后将它们连接起来,得出结果,所以过程表现得相当快。采用的这样的方法当然更加容易而且便宜,但也因此很容易被模仿被超越,所以在这一领域的玩家日子都不好过,竞争非常激烈,除非它们能做出自己的差异化产品。

  选择自己设计和直接购买是一个事关资本和技术的重要选择。这些都是很重要的因素,但也仍有一些值得注意的细微之处,这也因公司的差异而有所不同。有的供应商会使用自己设计的模块渐渐取代购买的模块,尽管在这方面它所赢得的收益并没有增加,但却能够赢得客户的亲睐。

  现在我们已经制造这些模块来自何方了。如果你很有钱,而且有忠实的客户,竞争对手也不值一提,你肯定是会选择自己设计,毕竟其它对手也难以和你竞争。而如果你处在一个竞争性的市场坏境下,你的成本结构也决定你不能进行巨额投入,你还是去购买所需要的模块吧。

  但是,最后需要提醒的是,新的模块总是需要人去设计的。

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