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中國(guó)斥資數(shù)千億打造芯片強(qiáng)國(guó)
作者： 合力為科技
來源： 21IC中國(guó)電子網(wǎng)
發(fā)布時(shí)間：2017-02-06 00:00
法國(guó)《費(fèi)加羅報(bào)》發(fā)表的文章，稱中國(guó)斥巨資打造芯片強(qiáng)國(guó)。文中指出，中國(guó)以真金白銀的方式同美國(guó)在最尖端科技領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)，并以紫光集團(tuán)在南京投資300億美元和在武漢投資240億美元建立半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界基地為例，說明中國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的雄心壯志。中國(guó)希望在2025年能夠?qū)崿F(xiàn)滿足本國(guó)市場(chǎng)的70%需求，而非現(xiàn)在的僅能滿足10%的市場(chǎng)需求。??文章還指出：這是中國(guó)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
法國(guó)《費(fèi)加羅報(bào)》發(fā)表的文章，稱中國(guó)斥巨資打造芯片強(qiáng)國(guó)。文中指出，中國(guó)以真金白銀的方式同美國(guó)在最尖端科技領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)，并以紫光集團(tuán)在南京投資300億美元和在武漢投資240億美元建立半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界基地為例，說明中國(guó)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的雄心壯志。中國(guó)希望在2025年能夠?qū)崿F(xiàn)滿足本國(guó)市場(chǎng)的70%需求，而非現(xiàn)在的僅能滿足10%的市場(chǎng)需求。
文章還指出：這是中國(guó)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(duì)手，并引用了北京大學(xué)教授姚洋的話“中國(guó)將在創(chuàng)新領(lǐng)域投入巨資，將在5—10年內(nèi)看到效果，力量在于半導(dǎo)體規(guī)?！薄?br>
很顯然，自2014年中國(guó)成立集成電路大基金以來，中國(guó)斥巨資打造芯片強(qiáng)國(guó)已然是事實(shí)。那么為什么打造芯片強(qiáng)國(guó)的投資要耗費(fèi)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(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation)，是用來輔助芯片設(shè)計(jì)的工具——在集成電路還不太復(fù)雜的階段，靠人手工可以完成集成電路設(shè)計(jì)，但在超大規(guī)模集成電路時(shí)代，要完成上億晶體管芯片的設(shè)計(jì)，完全靠手工的工作量異常巨大，這時(shí)候就必須采用EDA工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)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(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，有的可以進(jìn)行PCB自動(dòng)布局布線，按照功能和使用場(chǎng)合，可以分為電路設(shè)計(jì)與仿真工具、PCB設(shè)計(jì)軟件、IC設(shè)計(jì)軟件等。因此，在設(shè)計(jì)CPU的過程中，不可避免的使用各種EDA工具。具體來說，在設(shè)計(jì)芯片時(shí)會(huì)用到一些電路，簡(jiǎn)單比如與非門，復(fù)雜的比如內(nèi)嵌的RAM、PLL電路，這時(shí)SPICE是用來仿真這些電路的，提取時(shí)序信息及RC參數(shù)。在設(shè)計(jì)仿真中往往會(huì)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(chǎng)份額基本被Synopsys、Cadence、Mentor瓜分。EDA工具成本則是IC設(shè)計(jì)公司購(gòu)買EDA工具所必須支付的費(fèi)用，在EDA工具軟件計(jì)價(jià)上，有的按照功能模塊計(jì)價(jià)，有的按照使用EDA工具的計(jì)算機(jī)數(shù)量來計(jì)價(jià)。
不過，不同的客戶購(gòu)買EDA工具的價(jià)格存在不小的差異，像大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)往往能夠享受到很高的優(yōu)惠，因?yàn)镋DA三巨頭自然希望學(xué)術(shù)界和莘莘學(xué)子能習(xí)慣自家的產(chǎn)品，那么在這些學(xué)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(jià)能力較強(qiáng)的大公司也可以獲得比較高的折扣，但也有全價(jià)購(gòu)買的情況，比如國(guó)內(nèi)個(gè)別IC設(shè)計(jì)公司。
專利授權(quán)成本
IC設(shè)計(jì)公司在設(shè)計(jì)CPU或SOC中不可避免的要購(gòu)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(gòu)買自ARM，GPU部分的G71也購(gòu)買自ARM，此外，CCI—550互聯(lián)也是購(gòu)買自ARM。購(gòu)買ARM 的CPU核與GPU核以及互聯(lián)所支付的對(duì)價(jià)，就是專利授權(quán)成本。
除了華為這種購(gòu)買CPU核與GPU核的授權(quán)外，還有購(gòu)買指令集的授權(quán)，比如高通和蘋果雖然有自己設(shè)計(jì)的CPU，但指令集授權(quán)依舊從ARM購(gòu)買，購(gòu)買指令集授權(quán)的費(fèi)用也屬于專利授權(quán)成本。
其實(shí)，不同的IC設(shè)計(jì)公司根據(jù)其技術(shù)路線和自身的技術(shù)實(shí)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(fèi)用，或像華為那樣需要支付ARM CPU核與GPU核授權(quán)的費(fèi)用。
另外，對(duì)一些以商業(yè)化賺快錢為目的的IC設(shè)計(jì)公司而言，是否掌握核心IP不是這些IC設(shè)計(jì)公司所關(guān)心的，怎么樣能更好的在市場(chǎng)上賺錢才是這些公司所追求的，因此這些IC設(shè)計(jì)公司會(huì)大量使用商用IP，其專利授權(quán)成本會(huì)相對(duì)較高。
而像龍芯這樣堅(jiān)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(luò)、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(huì)使龍芯在專利授權(quán)成本上相對(duì)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(shè)計(jì)公司在這方面的支出會(huì)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(duì)充足的。制造晶片首先是以二氧化硅為材料制取純度高達(dá)99.9999%電子級(jí)硅，然后將電子級(jí)硅放在石英坩堝中制取硅錠，最后對(duì)硅錠進(jìn)行切割，將得到的硅錠橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，然后進(jìn)行研磨，將凹凸的切痕磨掉，再用化學(xué)機(jī)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(fèi)的資金分?jǐn)偟矫恳黄蟮某杀荆梢院?jiǎn)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(jìn)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(jìn)步而變小。
雖然有的網(wǎng)友會(huì)說，晶圓制造屬于代工，而且硅的冶煉和提純有點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致較嚴(yán)重的后果，但現(xiàn)在的生產(chǎn)都實(shí)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(yīng)商均為日廠，分別是信越和Sumco，之后是德國(guó)Siltronic、美國(guó)SunEdison(2016年臺(tái)系供應(yīng)商環(huán)球晶圓并購(gòu)了SunEdison)、韓國(guó)LG Siltron。中國(guó)在晶圓制造上和境外企業(yè)差距巨大，前中芯國(guó)際前創(chuàng)辦人張汝京創(chuàng)辦的上海新升半導(dǎo)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(duì)德國(guó)Siltronic提出收購(gòu)邀約案，若大陸成功收購(gòu)國(guó)際硅晶圓廠Siltronic，則可讓大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)擺脫對(duì)于國(guó)際硅晶圓廠的依賴。不過，聯(lián)想到前不久德國(guó)政府對(duì)中資收購(gòu)愛思強(qiáng)公司的百般阻擾，以及中資收購(gòu)Siltronic可能會(huì)導(dǎo)致行業(yè)動(dòng)蕩——Siltronic的客戶覆蓋臺(tái)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(dǎo)體等公司。一旦Siltronic被大陸收購(gòu)，有可能會(huì)對(duì)上述公司的硅晶圓供應(yīng)造成影響。因此，這些國(guó)際公司及其背后的國(guó)家未必樂意中資收購(gòu)Siltronic。對(duì)于收購(gòu)Siltronic，筆者對(duì)此并不看好。
掩膜成本和封裝測(cè)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(shè)備的折舊都被算在其中。掩膜費(fèi)用上，新制程工藝貴，在2014年剛出現(xiàn)14nm制程時(shí)，曾有消息稱其掩膜成本為3億美元。當(dāng)然，隨著時(shí)間的推移和臺(tái)積電、三星掌握14/16nm制程，現(xiàn)在的價(jià)格應(yīng)該不會(huì)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?yàn)楣饪虣C(jī)、刻蝕機(jī)等設(shè)備的價(jià)格異常昂貴。舉例來說，ASML的EUV光刻機(jī)售價(jià)高達(dá)1億美元一臺(tái)，而且依舊供不應(yīng)求，訂單已經(jīng)排到了2018年……落后EUV一代的ArF光刻機(jī)平均售價(jià)也在4000萬至5000萬歐元左右。
光刻機(jī)
在獲得加工好的晶片后，就要使用封裝設(shè)備給晶片裝個(gè)殼，封裝能起到保護(hù)、固定、密封和給CPU散熱的作用，封裝成本就是這個(gè)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(cè)成本超過硬件成本的60%，當(dāng)然，這是比較奇葩的情況。
測(cè)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(jí)，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(shí)是同一款芯片，只是經(jīng)過測(cè)試后，根據(jù)測(cè)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(jī)上。如果芯片產(chǎn)量足夠大的話，測(cè)試成本在CPU總成本的占比可以忽略不計(jì)。
人工成本和其他成本
除了剛才介紹的各項(xiàng)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(guó)硅谷，從事CPU設(shè)計(jì)的工程師的薪酬不會(huì)低于10萬美元。
在中國(guó)，有本科以上學(xué)歷和3-5年工作經(jīng)驗(yàn)的IC設(shè)計(jì)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(yàn)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(guó)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(qǐng)。至于那些主導(dǎo)大項(xiàng)目的頂級(jí)工程師，其薪酬更是高得嚇人。
至于IC設(shè)計(jì)公司的人力成本，就以國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)的領(lǐng)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(jì)算，一年的人力成本也是驚人的數(shù)字。
事實(shí)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(gè)和IBM合作，并處于僵尸狀態(tài)，最后不得不由政府接盤的項(xiàng)目為例，雖然這個(gè)項(xiàng)目政府和國(guó)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(gè)業(yè)內(nèi)人士就告訴筆者，這個(gè)項(xiàng)目最終走到這一步，原因有很多，但投資人之間爭(zhēng)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(duì)養(yǎng)隊(duì)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?yàn)橐恍┮?guī)模較小的IC設(shè)計(jì)公司或體制內(nèi)IC設(shè)計(jì)單位無法開出那些大公司的價(jià)碼，會(huì)采用別的方式留住人才。有的小公司會(huì)采取股權(quán)激勵(lì)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(huì)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(bào)國(guó)之心在工作。
雖然CPU設(shè)計(jì)屬于高科技，但也和普通的工廠一樣，要有水電支出、辦公設(shè)備開支和辦公用房的房租，以及各種管理成本。由于IC設(shè)計(jì)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(huì)相對(duì)偏低。不過，考慮到中國(guó)的IC設(shè)計(jì)主要集中在北京和上海，以兩地的房?jī)r(jià)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(dǎo)體的錢都花到哪里去了。半導(dǎo)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(shí)期的利潤(rùn)可以高達(dá)60%。筆者衷心祝愿中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能在國(guó)家投資下蓬勃發(fā)展，也希望在國(guó)家巨額投資半導(dǎo)體領(lǐng)域的新聞出現(xiàn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上能少一些諸如“貪官吃撐了”這類冷嘲熱諷。
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