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中國斥資數(shù)千億打造芯片強國

作者：合力為科技

來源： 21IC中國電子網(wǎng)

發(fā)布時間：2017-02-06 00:00

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法國《費加羅報》發(fā)表的文章，稱中國斥巨資打造芯片強國。文中指出，中國以真金白銀的方式同美國在最尖端科技領域競爭，并以紫光集團在南京投資300億美元和在武漢投資240億美元建立半導體產(chǎn)業(yè)界基地為例，說明中國在半導體領域的雄心壯志。中國希望在2025年能夠?qū)崿F(xiàn)滿足本國市場的70%需求，而非現(xiàn)在的僅能滿足10%的市場需求。
文章還指出：這是中國繼鋼鐵、船舶制造、太陽能面板之后，又一次打算采用巨額投資擊暈對手，并引用了北京大學教授姚洋的話“中國將在創(chuàng)新領域投入巨資，將在5—10年內(nèi)看到效果，力量在于半導體規(guī)?！薄?br> 很顯然，自2014年中國成立集成電路大基金以來，中國斥巨資打造芯片強國已然是事實。那么為什么打造芯片強國的投資要耗費如此多的錢，這些錢都用到哪里去了呢?筆者僅以CPU為例說明芯片從原材料到成品的過程中，投資的錢都花到哪里去了。
EDA工具成本
EDA工具是電子設計自動化(Electronic Design Automation)，是用來輔助芯片設計的工具——在集成電路還不太復雜的階段，靠人手工可以完成集成電路設計，但在超大規(guī)模集成電路時代，要完成上億晶體管芯片的設計，完全靠手工的工作量異常巨大，這時候就必須采用EDA工具進行輔助設計。某種程度上，正是有了EDA工具，才有了超大規(guī)模集成電路設計的可能。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，EDA工具也非常豐富，有的可以進行電路設計與仿真，有的可以進行PCB自動布局布線，按照功能和使用場合，可以分為電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、IC設計軟件等。因此，在設計CPU的過程中，不可避免的使用各種EDA工具。具體來說，在設計芯片時會用到一些電路，簡單比如與非門，復雜的比如內(nèi)嵌的RAM、PLL電路，這時SPICE是用來仿真這些電路的，提取時序信息及RC參數(shù)。在設計仿真中往往會將Verilog—XL、NC—verilog用于Verilog仿真，Leapfrog用于VHDL仿真，Analog Artist用于模擬電路仿真。目前，EDA工具市場份額基本被Synopsys、Cadence、Mentor瓜分。EDA工具成本則是IC設計公司購買EDA工具所必須支付的費用，在EDA工具軟件計價上，有的按照功能模塊計價，有的按照使用EDA工具的計算機數(shù)量來計價。
不過，不同的客戶購買EDA工具的價格存在不小的差異，像大學、科研機構(gòu)往往能夠享受到很高的優(yōu)惠，因為EDA三巨頭自然希望學術(shù)界和莘莘學子能習慣自家的產(chǎn)品，那么在這些學生畢業(yè)后，自然優(yōu)先選擇自己熟悉的EDA工具。而一些議價能力較強的大公司也可以獲得比較高的折扣，但也有全價購買的情況，比如國內(nèi)個別IC設計公司。
專利授權(quán)成本
IC設計公司在設計CPU或SOC中不可避免的要購買各種專利授權(quán)。以華為的麒麟960為例，雖然麒麟960是由華為海思開發(fā)的，但CPU部分的Cortex A53和Cortex A73都購買自ARM，GPU部分的G71也購買自ARM，此外，CCI—550互聯(lián)也是購買自ARM。購買ARM 的CPU核與GPU核以及互聯(lián)所支付的對價，就是專利授權(quán)成本。
除了華為這種購買CPU核與GPU核的授權(quán)外，還有購買指令集的授權(quán)，比如高通和蘋果雖然有自己設計的CPU，但指令集授權(quán)依舊從ARM購買，購買指令集授權(quán)的費用也屬于專利授權(quán)成本。
其實，不同的IC設計公司根據(jù)其技術(shù)路線和自身的技術(shù)實力，專利授權(quán)成本上是存在較大差異的。比如申威的指令集為自主定義的SW—64指令集，CPU也是自主研發(fā)，因此，就避免了像高通、蘋果那樣需要支付ARM指令集授權(quán)的費用，或像華為那樣需要支付ARM CPU核與GPU核授權(quán)的費用。
另外，對一些以商業(yè)化賺快錢為目的的IC設計公司而言，是否掌握核心IP不是這些IC設計公司所關(guān)心的，怎么樣能更好的在市場上賺錢才是這些公司所追求的，因此這些IC設計公司會大量使用商用IP，其專利授權(quán)成本會相對較高。
而像龍芯這樣堅持核心IP自己掌握的公司，龍芯的CPU核、內(nèi)存控制器、DDR2/3/4的PHY、互連網(wǎng)絡、HT控制器、HT PHY等全部自主研發(fā)，只在少量外圍IP上使用商業(yè)IP，這就會使龍芯在專利授權(quán)成本上相對偏低。

申威26010，用于神威太湖之光

因此，在專利授權(quán)成本上，不同的IC設計公司在這方面的支出會有較大差異。
晶片成本
要獲得晶片，就必須制造出晶圓，而要制造晶圓，就必須先制造出硅錠。晶圓的成分是硅，而沙子的主要成分是二氧化硅，硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，所以原材料是相對充足的。制造晶片首先是以二氧化硅為材料制取純度高達99.9999%電子級硅，然后將電子級硅放在石英坩堝中制取硅錠，最后對硅錠進行切割，將得到的硅錠橫向切割成圓形的單個硅片，然后進行研磨，將凹凸的切痕磨掉，再用化學機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡。
因此，晶片成本就是以二氧化硅制取晶圓所耗費的資金分攤到每一片晶片后的成本，可以簡單理解為每一片芯片所用的材料(硅片)的成本。由于采用越先進的制程工藝，就可以在同一片晶圓上切割出越多的CPU，因此，單片CPU的晶片成本隨著制程工藝的進步而變小。
雖然有的網(wǎng)友會說，晶圓制造屬于代工，而且硅的冶煉和提純有點類似于煉鋼，屬于高污染、高能耗行業(yè)，而且由于以前控制不好，容易有四氯化硅泄漏，由于四氯化硅毒性比較大，會導致較嚴重的后果，但現(xiàn)在的生產(chǎn)都實現(xiàn)了閉環(huán)，除非發(fā)生事故，已經(jīng)沒有泄漏了。
必須說明的是，千萬別小看硅晶圓制造，目前全球前兩大硅晶圓供應商均為日廠，分別是信越和Sumco，之后是德國Siltronic、美國SunEdison(2016年臺系供應商環(huán)球晶圓并購了SunEdison)、韓國LG Siltron。中國在晶圓制造上和境外企業(yè)差距巨大，前中芯國際前創(chuàng)辦人張汝京創(chuàng)辦的上海新升半導體是內(nèi)地第一家12寸硅晶圓廠。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士消息，中資對德國Siltronic提出收購邀約案，若大陸成功收購國際硅晶圓廠Siltronic，則可讓大陸半導體產(chǎn)業(yè)擺脫對于國際硅晶圓廠的依賴。不過，聯(lián)想到前不久德國政府對中資收購愛思強公司的百般阻擾，以及中資收購Siltronic可能會導致行業(yè)動蕩——Siltronic的客戶覆蓋臺積電、聯(lián)電、Intel、三星、東芝、格羅方德、SK海力士、德儀、恩智浦、美光、意法半導體等公司。一旦Siltronic被大陸收購，有可能會對上述公司的硅晶圓供應造成影響。因此，這些國際公司及其背后的國家未必樂意中資收購Siltronic。對于收購Siltronic，筆者對此并不看好。

掩膜成本和封裝測試成本
掩膜成本就是采用某種的制程工藝所需要的成本，加工的人工成本和加工設備的折舊都被算在其中。掩膜費用上，新制程工藝貴，在2014年剛出現(xiàn)14nm制程時，曾有消息稱其掩膜成本為3億美元。當然，隨著時間的推移和臺積電、三星掌握14/16nm制程，現(xiàn)在的價格應該不會這么貴。Intel正在研發(fā)的10nm制程，根據(jù)Intel官方估算，掩膜成本至少需要10億美元。
新制程工藝之所以貴，一方面是貴在新工藝高昂的研發(fā)成本和偏低的成品率，另一方面也是因為光刻機、刻蝕機等設備的價格異常昂貴。舉例來說，ASML的EUV光刻機售價高達1億美元一臺，而且依舊供不應求，訂單已經(jīng)排到了2018年……落后EUV一代的ArF光刻機平均售價也在4000萬至5000萬歐元左右。

光刻機

在獲得加工好的晶片后，就要使用封裝設備給晶片裝個殼，封裝能起到保護、固定、密封和給CPU散熱的作用，封裝成本就是這個過程所需要的資金。在產(chǎn)量巨大的一般情況下，封裝成本一般占硬件成本的5%-25%左右。不過，也有封裝成本比較高的情況，比如IBM某型芯片的封測成本超過硬件成本的60%，當然，這是比較奇葩的情況。
測試可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級，比如將一堆芯片分門別類，像華為麒麟920、麒麟925、麒麟928，其實是同一款芯片，只是經(jīng)過測試后，根據(jù)測試結(jié)果，將不同主頻的芯片篩選出來，在給以不同的命名被安裝在華為不同檔次的手機上。如果芯片產(chǎn)量足夠大的話，測試成本在CPU總成本的占比可以忽略不計。
人工成本和其他成本
除了剛才介紹的各項成本之外，人工成本也是CPU成本中的重要組成部分。畢竟作為資本、技術(shù)密集型行業(yè)，高素質(zhì)的人力資源投入是必不可少的。在美國硅谷，從事CPU設計的工程師的薪酬不會低于10萬美元。
在中國，有本科以上學歷和3-5年工作經(jīng)驗的IC設計工程師大多可以拿到18—35K的月薪，至于那些有10年以上工作經(jīng)驗的資深工程師可以輕易拿到百萬年薪——華為就曾開出百萬年薪去國防科大招賢，龍芯的很多技術(shù)骨干都接到過獵頭公司百萬年薪的邀請。至于那些主導大項目的頂級工程師，其薪酬更是高得嚇人。
至于IC設計公司的人力成本，就以國內(nèi)IC設計的領頭羊華為海思為例，海思員工過萬，許多都是工程師，如果以人均年薪30萬計算，一年的人力成本也是驚人的數(shù)字。
事實上，不少投資人不明白為何養(yǎng)這些工程師要花這么多錢。就以蘇州某個和IBM合作，并處于僵尸狀態(tài)，最后不得不由政府接盤的項目為例，雖然這個項目政府和國有資本投入不少錢，但也有不少錢來自民間，比如房地產(chǎn)開發(fā)商。一個業(yè)內(nèi)人士就告訴筆者，這個項目最終走到這一步，原因有很多，但投資人之間爭權(quán)奪利，和房地產(chǎn)開發(fā)商著眼于短期利益也是原因之一——某房地產(chǎn)開發(fā)商就是對養(yǎng)隊伍的高成本感到不可思議，也無法理解為什么養(yǎng)這些工程師要花這么多錢。
不過，人力成本也是非常難統(tǒng)一量化的，因為一些規(guī)模較小的IC設計公司或體制內(nèi)IC設計單位無法開出那些大公司的價碼，會采用別的方式留住人才。有的小公司會采取股權(quán)激勵的模式，比如龍芯就推行員工持股鎖定人才。有的科研院所會有一些研究生、博士生做部分工作。還有一些體制內(nèi)單位的技術(shù)人員雖然工資不高，但是滿懷報國之心在工作。
雖然CPU設計屬于高科技，但也和普通的工廠一樣，要有水電支出、辦公設備開支和辦公用房的房租，以及各種管理成本。由于IC設計屬于技術(shù)密集型行業(yè)，這方面的成本在總成本的占比上會相對偏低。不過，考慮到中國的IC設計主要集中在北京和上海，以兩地的房價來看，這方面的成本也并非是可以完全忽略的。
就此，筆者分析了每一片芯片的成本有哪些，以及投資半導體的錢都花到哪里去了。半導體行業(yè)，本身就是高投資高收益的行業(yè)，像Intel這樣的巨頭，巔峰時期的利潤可以高達60%。筆者衷心祝愿中國半導體產(chǎn)業(yè)能在國家投資下蓬勃發(fā)展，也希望在國家巨額投資半導體領域的新聞出現(xiàn)時，網(wǎng)絡上能少一些諸如“貪官吃撐了”這類冷嘲熱諷。

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