芯片固定成本飆升，投資半導(dǎo)體已成為高風(fēng)險游戲。
我們正處于半導(dǎo)體設(shè)計的復(fù)興之中。世界上幾乎每家大公司都有自己的硅戰(zhàn)略，因為它們試圖實現(xiàn)垂直整合。也有比以往更多的芯片初創(chuàng)公司。該行業(yè)正在迅速從使用英特爾 CPU 轉(zhuǎn)變?yōu)橐磺小?br/>
隨著摩爾定律的放緩，設(shè)計正涌向異構(gòu)架構(gòu)，這些架構(gòu)更適合其特定任務(wù)。如果解決了軟件挑戰(zhàn)，專業(yè)化芯片的性能將大大優(yōu)于 CPU，但這種專業(yè)化策略也有不利的一面。固定成本正在爆炸式增長，并且這些設(shè)計的數(shù)量大幅下降。半導(dǎo)體是一個規(guī)模經(jīng)濟(jì)的行業(yè)，隨著每一代新技術(shù)的發(fā)展，這一點變得越來越明顯。
晶圓制造是一個通過光刻定義特征并通過沉積、蝕刻和其他工藝步驟構(gòu)建特征的循環(huán)。半導(dǎo)體的前沿涉及使用 60 多個獨特的光刻層和伴隨的步驟。這些層中的每一層都需要一個獨特的光掩模。所有掩碼的集合稱為掩碼集（mask set）。這些光掩模組將設(shè)計從芯片架構(gòu)師轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢硖卣鳌Ｓ么蠖鄶?shù)外行的話來說，掩模組可以被認(rèn)為是一組包含芯片設(shè)計的模板。每個獨特的芯片設(shè)計都需要自己的掩模組。
有許多巧妙的技巧被用來降低設(shè)計該芯片的成本，但將該設(shè)計推向市場的最大障礙是掩模組的成本。在 90nm 到 45nm 的代工工藝節(jié)點上，掩模組的成本約為數(shù)十萬美元。在 28nm 時，它超過了 100 萬美元。對于 7nm，成本增加超過 1000 萬美元，而現(xiàn)在，隨著我們跨越 3nm 的障礙，掩模組將開始推向 5000 萬美元的范圍。
晶圓價格正在上漲，但掩模組的成本增長得更快。來自 IC Knowledge 的上圖說明了這個難題。跨工藝技術(shù)時代的產(chǎn)量必須顯著提高，才能利用晶體管縮小帶來的經(jīng)濟(jì)改善。
有些人的印象是晶體管成本在 28nm、7nm、5nm 等各種工藝節(jié)點停止下降。聲稱晶體管成本已經(jīng)停止下降并開始增加的人數(shù)似乎比摩爾定律快了一倍。需要明確的是，即使在 5nm 甚至 3nm 代工廠，每個晶體管的成本也會繼續(xù)下降，但這歸咎于那些擁有大晶圓量的企業(yè)。芯片設(shè)計很昂貴，但與 IDC 和麥肯錫所聲稱的相差甚遠(yuǎn)。請參閱下面的錯誤圖表。
我們與多家芯片初創(chuàng)公司合作，他們在臺積電 7nm 上創(chuàng)造了 5000 萬至 7500 萬美元的領(lǐng)先芯片。該成本包括他們的整個軟件、設(shè)計和流片成本。這些成本將根據(jù)制造的芯片類型而有很大差異。
隨著行業(yè)在工藝技術(shù)方面的進(jìn)步，成本不斷增加。更多的公司將沒有足夠高的產(chǎn)量來攤銷與掩模組相關(guān)的固定成本，以利用每晶體管成本的提高。
剛剛開始設(shè)計芯片之旅的初創(chuàng)公司和非半導(dǎo)體公司不僅要應(yīng)對達(dá)到更高水平的收支平衡，還必須應(yīng)對巨大的風(fēng)險。最大的單項成本是design validation和verification。如果validation和verification pipelines達(dá)不到要求，公司將面臨大量產(chǎn)品延遲的風(fēng)險。這些問題也適用于業(yè)內(nèi)最大的企業(yè)。
英特爾在制程技術(shù)方面落后，但隨著臺積電在 3nm 上的進(jìn)展緩慢（ stumbles ），如果英特爾能夠快速提升節(jié)點，Intel 4 和 3 制程節(jié)點可能會與臺積電的最佳節(jié)點競爭。即使英特爾在制程技術(shù)上與臺積電相提并論，他們還有其他可能被證明無法克服的障礙。在我們看來，英特爾面臨的最大問題是他們的design validation和verification流程。為了演示，讓我們看一下英特爾的數(shù)據(jù)中心芯片。
英特爾目前的服務(wù)器芯片 Ice Lake 于 2018 年 12 月首次上電。產(chǎn)品發(fā)布時間為 2021 年 4 月，直到 2021 年第三季度/第四季度才開始量產(chǎn)。英特爾可能首先在2018 年初為 Icelake 提供流片（聚合 IP 開始制作掩模組）。在tape-in 之后，tape out 是指第一批晶圓使用新創(chuàng)建的掩模組通過晶圓廠。英特爾完成了這些晶圓并封裝了芯片，并于 2018 年底開始測試。這是該芯片的第一次spin ，但 Ice Lake 需要許多新的spin 才能完全發(fā)揮作用。每次新的spin 都需要至少一些新的掩模，進(jìn)一步增加了開發(fā)成本。
英特爾的下一代服務(wù)器芯片 Sapphire Rapids 在validation和verification方面也面臨著類似的問題。Sapphire Rapids 設(shè)計的第一個版本于 2020 年 6 月啟動。現(xiàn)在，在 2022 年年中，英特爾仍在修改設(shè)計和掩模組，因為他們在設(shè)計早期沒有發(fā)現(xiàn)問題。這主要是由于validation和verification問題。Sapphire Rapids 似乎將在 2022 年晚些時候推出，但現(xiàn)在預(yù)計將在 2023 年初實現(xiàn)銷量增長。
英特爾的validation和verification問題大大增加了成本并延長了時間。對英特爾來說，不得不修改掩碼對成本來說并不是一個大問題，因為它們的數(shù)量很大，但延遲對其競爭力非常有影響。每個新版本都需要至少一些新的掩模，通過晶圓廠運行晶圓并封裝芯片。這個過程需要幾個月的時間。根據(jù)我們在Angstronomics的朋友的說法，對于 Ice Lake，它需要 Intel 6 版本才能發(fā)布，而 Sapphire Rapids 看起來需要 7版本。
相比之下，在 AMD 和 Nvidia 等行業(yè)中被認(rèn)為是最好的領(lǐng)先設(shè)計公司只需要一小部分時間。他們都只需要一小部分時間。眾所周知，Nvidia 擁有非常廣泛的自定義模擬、驗證和驗證流程，在許多情況下甚至需要不到一年的時間。英特爾可以承受這些問題，因為它們是如此強大，即使這是導(dǎo)致它們落后的原因。有巨大的努力來檢修和解決這個問題，我們希望英特爾能夠做到，但這是一個很大程度的懷疑。
現(xiàn)在想象一下，如果一家非半導(dǎo)體公司的初創(chuàng)公司或全新的芯片設(shè)計團(tuán)隊跌倒了，他們會發(fā)生什么。這些延遲可能會扼殺一個特定的芯片項目，比如 Meta 和微軟。這些延遲甚至可能扼殺整個公司或戰(zhàn)略。隨著半導(dǎo)體設(shè)計復(fù)興的蓬勃發(fā)展，它不會一帆風(fēng)順。
失敗的設(shè)計將有一條散落的路徑。更多成熟的公司可能會有一些完全垂直的設(shè)計，但他們也會轉(zhuǎn)向與博通、Marvell、英特爾、AMD 等公司的半定制交易。由于預(yù)算更加有限，初創(chuàng)企業(yè)的情況要艱難得多。我們認(rèn)為 AI 芯片初創(chuàng)公司的洪流很可能是它首先出現(xiàn)的地方。多家知名人工智能初創(chuàng)公司已經(jīng)裁員，而這僅僅是個開始。盡管如此，仍有許多初創(chuàng)公司會蓬勃發(fā)展并賺很多錢。
毫無疑問，這是一個非常高風(fēng)險的游戲。
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