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中国斥资数千亿打造芯片与美竞争 钱都花在哪?  

2017-01-24 17:39:06|  分类: 其他:科技制造等 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国斥资数千亿打造芯片与美竞争   钱都花在哪?


2017-01-24 10:28:04 来源: 观察者网(上海)

法国《费加罗报》121日发表《中国在高科技领域挑战美国》的文章,称中国斥巨资打造芯片强国。文中指出,中国以真金白银的方式同美国在最尖端科技领域竞争,并以紫光集团在南京投资300亿美元和在武汉投资240亿美元建立半导体产业界基地为例,说明中国在半导体领域的雄心壮志。中国希望在2025年能够实现满足本国市场的70%需求,而非现在的仅能满足10%的市场需求。

文章还指出:这是中国继钢铁、船舶制造、太阳能面板之后,又一次打算采用巨额投资击晕对手,并引用了北京大学教授姚洋的话中国将在创新领域投入巨资,将在510年内看到效果,力量在于半导体规模

很显然,自2014年中国成立集成电路大基金以来,中国斥巨资打造芯片强国已然是事实。那么为什么打造芯片强国的投资要耗费如此多的钱,这些钱都用到哪里去了呢?笔者仅以CPU为例说明芯片从原材料到成品的过程中,投资的钱都花到哪里去了。


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EDA工具成本

EDA工具是电子设计自动化(Electronic DesignAutomation),是用来辅助芯片设计的工具——在集成电路还不太复杂的阶段,靠人手工可以完成集成电路设计,但在超大规模集成电路时代,要完成上亿晶体管芯片的设计,完全靠手工的工作量异常巨大,这时候就必须采用EDA工具进行辅助设计。某种程度上,正是有了EDA工具,才有了超大规模集成电路设计的可能。

经过几十年的发展,EDA工具也非常丰富,有的可以进行电路设计与仿真,有的可以进行PCB自动布局布线,按照功能和使用场合,可以分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件等。因此,在设计CPU的过程中,不可避免的使用各种EDA工具。具体来说,在设计芯片时会用到一些电路,简单比如与非门,复杂的比如内嵌的RAMPLL电路,这时SPICE是用来仿真这些电路的,提取时序信息及RC参数。在设计仿真中往往会将VerilogXLNCverilog用于Verilog仿真,Leapfrog用于VHDL仿真,AnalogArtist用于模拟电路仿真。目前,EDA工具市场份额基本被SynopsysCadenceMentor瓜分。EDA工具成本则是IC设计公司购买EDA工具所必须支付的费用,在EDA工具软件计价上,有的按照功能模块计价,有的按照使用EDA工具的计算机数量来计价。

不过,不同的客户购买EDA工具的价格存在不小的差异,像大学、科研机构往往能够享受到很高的优惠,因为EDA三巨头自然希望学术界和莘莘学子能习惯自家的产品,那么在这些学生毕业后,自然优先选择自己熟悉的EDA工具。而一些议价能力较强的大公司也可以获得比较高的折扣,但也有全价购买的情况,比如国内个别IC设计公司。

专利授权成本

IC设计公司在设计CPUSOC中不可避免的要购买各种专利授权。以华为的麒麟960为例,虽然麒麟960是由华为海思开发的,但CPU部分的Cortex A53Cortex A73都购买自ARMGPU部分的G71也购买自ARM,此外,CCI550互联也是购买自ARM。购买ARMCPU核与GPU核以及互联所支付的对价,就是专利授权成本。

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除了华为这种购买CPU核与GPU核的授权外,还有购买指令集的授权,比如高通和苹果虽然有自己设计的CPU,但指令集授权依旧从ARM购买,购买指令集授权的费用也属于专利授权成本。

其实,不同的IC设计公司根据其技术路线和自身的技术实力,专利授权成本上是存在较大差异的。比如申威的指令集为自主定义的SW64指令集,CPU也是自主研发,因此,就避免了像高通、苹果那样需要支付ARM指令集授权的费用,或像华为那样需要支付ARMCPU核与GPU核授权的费用。

另外,对一些以商业化赚快钱为目的的IC设计公司而言,是否掌握核心IP不是这些IC设计公司所关心的,怎么样能更好的在市场上赚钱才是这些公司所追求的,因此这些IC设计公司会大量使用商用IP,其专利授权成本会相对较高。

而像龙芯这样坚持核心IP自己掌握的公司,龙芯的CPU核、内存控制器、DDR2/3/4PHY、互连网络、HT控制器、HTPHY等全部自主研发,只在少量外围IP上使用商业IP,这就会使龙芯在专利授权成本上相对偏低。


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申威26010,用于神威太湖之光 

因此,在专利授权成本上,不同的IC设计公司在这方面的支出会有较大差异。

晶片成本

要获得晶片,就必须制造出晶圆,而要制造晶圆,就必须先制造出硅锭。晶圆的成分是硅,而沙子的主要成分是二氧化硅,硅是地壳内第二丰富的元素,所以原材料是相对充足的。制造晶片首先是以二氧化硅为材料制取纯度高达99.9999%电子级硅,然后将电子级硅放在石英坩埚中制取硅锭,最后对硅锭进行切割,将得到的硅锭横向切割成圆形的单个硅片,然后进行研磨,将凹凸的切痕磨掉,再用化学机械抛光工艺使其至少一面光滑如镜。


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因此,晶片成本就是以二氧化硅制取晶圆所耗费的资金分摊到每一片晶片后的成本,可以简单理解为每一片芯片所用的材料(硅片)的成本。由于采用越先进的制程工艺,就可以在同一片晶圆上切割出越多的CPU,因此,单片CPU的晶片成本随着制程工艺的进步而变小。

虽然有的网友会说,晶圆制造属于代工,而且硅的冶炼和提纯有点类似于炼钢,属于高污染、高能耗行业,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较大,会导致较严重的后果,但现在的生产都实现了闭环,除非发生事故,已经没有泄漏了。

必须说明的是,千万别小看硅晶圆制造,目前全球前两大硅晶圆供应商均为日厂,分别是信越和Sumco,之后是德国Siltronic、美国SunEdison2016年台系供应商环球晶圆并购了SunEdison)、韩国LGSiltron。中国在晶圆制造上和境外企业差距巨大,前中芯国际前创办人张汝京创办的上海新升半导体是内地第一家12寸硅晶圆厂。

据业内人士消息,中资对德国Siltronic提出收购邀约案,若大陆成功收购国际硅晶圆厂Siltronic,则可让大陆半导体产业摆脱对于国际硅晶圆厂的依赖。不过,联想到前不久德国政府对中资收购爱思强公司的百般阻扰,以及中资收购Siltronic可能会导致行业动荡——Siltronic的客户覆盖台积电、联电、Intel、三星、东芝、格罗方德、SK海力士、德仪、恩智浦、美光、意法半导体等公司。一旦Siltronic被大陆收购,有可能会对上述公司的硅晶圆供应造成影响。因此,这些国际公司及其背后的国家未必乐意中资收购Siltronic。对于收购Siltronic,笔者对此并不看好。


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掩膜成本和封装测试成本

掩膜成本就是采用某种的制程工艺所需要的成本,加工的人工成本和加工设备的折旧都被算在其中。掩膜费用上,新制程工艺贵,在2014年刚出现14nm制程时,曾有消息称其掩膜成本为3亿美元。当然,随着时间的推移和台积电、三星掌握14/16nm制程,现在的价格应该不会这么贵。Intel正在研发的10nm制程,根据Intel官方估算,掩膜成本至少需要10亿美元。


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新制程工艺之所以贵,一方面是贵在新工艺高昂的研发成本和偏低的成品率,另一方面也是因为光刻机、刻蚀机等设备的价格异常昂贵。举例来说,ASMLEUV光刻机售价高达1亿美元一台,而且依旧供不应求,订单已经排到了2018……落后EUV一代的ArF光刻机平均售价也在4000万至5000万欧元左右。


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光刻机

在获得加工好的晶片后,就要使用封装设备给晶片装个壳,封装能起到保护、固定、密封和给CPU散热的作用,封装成本就是这个过程所需要的资金。在产量巨大的一般情况下,封装成本一般占硬件成本的5%-25%左右。不过,也有封装成本比较高的情况,比如IBM某型芯片的封测成本超过硬件成本的60%,当然,这是比较奇葩的情况。

测试可以鉴别出每一颗处理器的关键特性,比如最高频率、功耗、发热量等,并决定处理器的等级,比如将一堆芯片分门别类,像华为麒麟920、麒麟925、麒麟928,其实是同一款芯片,只是经过测试后,根据测试结果,将不同主频的芯片筛选出来,在给以不同的命名被安装在华为不同档次的手机上。如果芯片产量足够大的话,测试成本在CPU总成本的占比可以忽略不计。

人工成本和其他成本

除了刚才介绍的各项成本之外,人工成本也是CPU成本中的重要组成部分。毕竟作为资本、技术密集型行业,高素质的人力资源投入是必不可少的。在美国硅谷,从事CPU设计的工程师的薪酬不会低于10万美元。

在中国,有本科以上学历和3-5年工作经验的IC设计工程师大多可以拿到1835K的月薪,至于那些有10年以上工作经验的资深工程师可以轻易拿到百万年薪——华为就曾开出百万年薪去国防科大招贤,龙芯的很多技术骨干都接到过猎头公司百万年薪的邀请。至于那些主导大项目的顶级工程师,其薪酬更是高得吓人。

至于IC设计公司的人力成本,就以国内IC设计的领头羊华为海思为例,海思员工过万,许多都是工程师,如果以人均年薪30万计算,一年的人力成本也是惊人的数字。

事实上,不少投资人不明白为何养这些工程师要花这么多钱。就以苏州某个和IBM合作,并处于僵尸状态,最后不得不由政府接盘的项目为例,虽然这个项目政府和国有资本投入不少钱,但也有不少钱来自民间,比如房地产开发商。一个业内人士就告诉笔者,这个项目最终走到这一步,原因有很多,但投资人之间争权夺利,和房地产开发商着眼于短期利益也是原因之一——某房地产开发商就是对养队伍的高成本感到不可思议,也无法理解为什么养这些工程师要花这么多钱。

不过,人力成本也是非常难统一量化的,因为一些规模较小的IC设计公司或体制内IC设计单位无法开出那些大公司的价码,会采用别的方式留住人才。有的小公司会采取股权激励的模式,比如龙芯就推行员工持股锁定人才。有的科研院所会有一些研究生、博士生做部分工作。还有一些体制内单位的技术人员虽然工资不高,但是满怀报国之心在工作。


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虽然CPU设计属于高科技,但也和普通的工厂一样,要有水电支出、办公设备开支和办公用房的房租,以及各种管理成本。由于IC设计属于技术密集型行业,这方面的成本在总成本的占比上会相对偏低。不过,考虑到中国的IC设计主要集中在北京和上海,以两地的房价来看,这方面的成本也并非是可以完全忽略的。

就此,笔者分析了每一片芯片的成本有哪些,以及投资半导体的钱都花到哪里去了。半导体行业,本身就是高投资高收益的行业,像Intel这样的巨头,巅峰时期的利润可以高达60%。笔者衷心祝愿中国半导体产业能在国家投资下蓬勃发展,也希望在国家巨额投资半导体领域的新闻出现时,网络上能少一些诸如贪官吃撑了这类冷嘲热讽。


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