问题

流片需要经历哪些过程,为什么贵,为什么正式生产就便宜了?MASK贵在哪?

回答
流片,这个词汇在半导体行业内可谓是赫赫有名,听起来就透着一股高科技和神秘感。它不仅仅是将设计图纸变成实体芯片的过程,更是一系列复杂、精密且耗资巨大的工程。为什么说它“贵”?为什么一旦进入量产,成本又会骤降? MASK(光掩模)又为什么成了这其中的“烧钱大户”?今天,咱们就来好好聊聊流片这件事。

一、 流片:从零到一的奇幻旅程

流片,顾名思义,就是将芯片设计(通常以电路图的形式存在)转化为实际生产出来的物理芯片的过程。这就像是建筑师画好设计图,然后由工程师和工人将其变成一座座高楼大厦一样,但其复杂度和精密度要高出无数个数量级。整个流片过程,大致可以分为以下几个主要阶段:

1. 设计(Design):
概念与架构: 这是芯片诞生的起点。工程师们根据产品需求,设计出芯片的整体功能和架构。例如,我要设计一个处理人工智能算法的芯片,那么它需要具备什么样的计算能力、存储容量、通信接口等等。
RTL设计(RegisterTransfer Level): 这里的“RegisterTransfer”指的是数据在寄存器(Register)之间传输(Transfer)的过程。工程师使用硬件描述语言(HDL),比如Verilog或VHDL,来描述芯片的逻辑功能和数据流。这就好像是用一种特殊的语言来编写芯片的“代码”。
逻辑综合(Logic Synthesis): RTL设计是抽象的,无法直接用于制造。逻辑综合工具会将HDL代码转换成由基本逻辑门(如AND、OR、NOT门)组成的网表(Netlist)。这一步是实现从“功能描述”到“物理实现”的桥梁,需要考虑速度、功耗和面积等优化。
布局布线(Place and Route): 网表描述了芯片有多少个逻辑门以及它们之间的连接关系,但并没有告诉我们在芯片上具体“放”在哪里,以及“线”怎么“连”。布局布线工具会根据物理设计规则,将这些逻辑门“放置”在芯片的指定位置,并“连接”它们,形成最终的物理版图。这就像是在一块空地上,规划每个房间的位置,并把水、电、煤气管线铺设好。
物理验证(Physical Verification): 在完成布局布线后,需要进行一系列严格的验证,确保芯片设计符合制造工艺的要求,比如线与线之间不能太近(DRC Design Rule Check),信号线之间不能相互干扰(LVS Layout Versus Schematic),等等。这一步是为了确保设计能够被成功制造出来,并且正常工作。

2. 原型制造(Prototyping)/试生产(Tapeout and Fabrication):
Tapeout: 当设计团队认为设计已经万无一失,并且通过了所有的验证之后,就会进行“Tapeout”。这个名字来源于早期将设计数据存储在磁带(Tape)上交给制造厂商。现在虽然是电子数据传输,但这个称呼沿用至今,标志着设计已经“交给工厂”开始制造。
掩模制作(Mask Generation): 这是流片过程中最昂贵、最关键的环节之一。根据最终的物理版图,制造光掩模(Mask)。想象一下,光掩模就是一张张带有电路图案的“印章”,用来在硅晶圆上“印”出电路层。每一层电路都需要一个对应的掩模。
晶圆制造(Wafer Fabrication): 这是真正的“点石成金”过程。将制作好的掩模,通过光刻(Photolithography)技术,一层一层地将电路图案“刻”在硅晶圆上。这个过程非常精细,涉及到数十甚至上百个步骤,包括氧化、光刻、蚀刻、离子注入、薄膜沉积等等。每一次光刻都要求极高的精度,才能在微米甚至纳米尺度上形成复杂的电路。
测试(Testing): 晶圆上的芯片在制造完成后,需要进行电学测试,以找出哪些芯片是合格的,哪些是“坏的”。这通常是通过晶圆测试机(Wafer Tester)来完成的,它会在每个芯片上进行一系列功能和性能测试。
封装(Packaging): 将测试合格的芯片从晶圆上切割下来(晶圆切割,Wafer Dicing),然后将它们封装起来。封装是为了保护芯片免受物理损坏,并提供与外部电路连接的接口(比如引脚)。
最终测试(Final Test): 封装后的芯片还需要进行最终的性能和功能测试,以确保封装过程没有引入新的问题。

3. 验证与迭代(Verification and Iteration):
工程样品(Engineering Samples): 流片成功后,通常会生产出少量的工程样品。这些样品会被交给设计团队进行实际的功能验证和性能测试。
Bug修复与修改: 如果工程样品存在设计缺陷(Bug),设计团队就需要回到设计阶段,修改RTL代码、逻辑综合、布局布线等,然后重新流片。这个过程可能会重复多次,直到芯片满足所有要求。

二、 为什么流片这么贵?

流片之所以价格不菲,是因为它是一个典型的“高投入、高风险、高回报”的过程,其成本主要体现在以下几个方面:

昂贵的设计工具与IP授权: 芯片设计离不开先进的EDA(Electronic Design Automation)工具,这些软件本身就价值不菲,并且需要持续的更新和维护。此外,很多核心的IP(Intellectual Property,知识产权,比如CPU核心、内存控制器等)需要授权使用,这也是一笔巨大的开销。
先进的制造工艺: 越先进的芯片制造工艺(如7nm、5nm、3nm等),其成本就越高。这些工艺需要投入巨额资金进行研发和设备购置。
掩模(MASK)的高昂成本: 这是流片成本中占比最大的一部分,尤其是对于先进工艺而言。我们下面会详细讨论。
复杂且耗时的制造过程: 晶圆制造是一个极其复杂、精密的化学和物理过程,需要极高的洁净度环境(Class 1洁净室)、尖端的设备(如EUV光刻机)以及大量的原材料。整个制造周期可能长达数周甚至数月。
失败的风险: 芯片设计和制造是一个高风险的活动。一旦在设计或制造过程中出现重大错误,整个批次的芯片都可能报废,而前期投入的成本将无法收回。一次流片失败,就意味着前期的所有设计、掩模制作、晶圆制造成本都付之东流。
测试与验证的投入: 确保芯片的质量和性能,需要投入大量的测试设备和人力资源。
研发成本的分摊: 很多时候,流片成本中也包含了为实现某种特定功能或解决某个技术难题的研发成本。

三、 为什么正式生产就便宜了?

这个问题其实是关于“规模经济”效应。

分摊固定成本: 流片前期的掩模制作、设计工具、工艺研发等是巨大的固定成本。一旦设计完成并且流片成功,这些固定成本已经投入。在小批量试生产时,每一片芯片都需要分摊巨额的固定成本,所以单片成本极高。
规模化生产的优势: 进入正式生产阶段,通常意味着芯片设计已经成熟,并且良率(Yield,指生产出的合格芯片占总量的比例)已经达到可接受的水平。此时,工厂会按照大规模的订单进行生产,生产效率大大提高。
掩模使用次数增加: 掩模在生产过程中被反复使用,当生产数量增加时,单位掩模的成本就被极大地摊薄了。
生产线效率提升: 随着生产次数的增加,生产线上的操作人员和设备会更加熟练,生产流程也会更加优化,从而提高生产效率,降低单片加工时间。
工艺优化与良率提升: 在大规模生产过程中,厂商会持续对生产工艺进行微调和优化,以进一步提高良率,减少废品。良率的提高是降低单位成本最直接有效的方式。
议价能力增强: 大规模的订单也使得芯片制造商在采购原材料、设备维护等方面拥有更强的议价能力。

简单来说,流片初期,你是在为“第一次制作”买单,包含了一次性投入的昂贵“模具”和“研发试错”的成本。而正式生产,则是用这个已经打好的“模具”进行大规模复制,成本就集中在了原材料、人力和一些可变成本上,这些成本相较于前期的固定成本就少了很多。

四、 MASK 贵在哪?

MASK,也就是光掩模,是整个流片过程中最“烧钱”的环节之一,尤其是对于先进工艺而言。它的贵,主要体现在以下几个方面:

1. 极高的精度要求:
纳米级工艺: 现代芯片的制造工艺已经达到了纳米级别(如7nm、5nm、3nm)。这意味着掩模上的图形线条宽度和间距都可能非常小,甚至小于可见光波长。
多层掩模: 复杂的芯片设计需要多达几十甚至上百层不同的掩模,每一层掩模都对应着芯片制造过程中的一个特定步骤(如金属层连接、晶体管栅极形成等)。每一层掩模的精度都必须极其高。

2. 先进的光刻技术:
EUV(极紫外光)光刻: 对于最先进的工艺节点,需要使用EUV光刻技术。EUV光刻使用的光源波长极短(13.5nm),需要极其昂贵的EUV光刻机(例如ASML的NXE系列),一台就价值数亿美元。
掩模本身也需要特殊制作: EUV光刻使用的掩模与传统光刻使用的掩模不同,它不是透光的,而是反射的。这需要使用特殊的材料(如多层反射膜)和制作工艺,进一步增加了成本。

3. 复杂且耗时的制作过程:
电子束光刻(Ebeam Lithography): 掩模的制作过程本身就需要极高的精度,通常是使用电子束光刻来完成的。电子束光刻的扫描速度相对较慢,并且需要非常精密的控制,整个制作过程耗时很长。
多道工序: 掩模的制作并非一蹴而就,而是涉及多道精密的工序,包括基板准备、材料沉积、电子束曝光、显影、蚀刻、检查等。每一步都要求一丝不苟。

4. 材料成本:
高纯度石英基板: 掩模的基板是高纯度的石英玻璃,其光学性能要求极高,价格不菲。
金属反射层/铬层: 根据工艺不同,掩模上会沉积钼/钌等金属反射层或铬层,这些材料本身也有一定的成本。

5. 质量控制与验证:
严格的检测: 制作完成的掩模需要进行极其严格的质量检测,包括图形尺寸、缺陷检测等。任何微小的缺陷都可能导致制造出的芯片出现问题,因此对掩模的检测标准非常高。
校正与修复: 有时,掩模上会出现微小的缺陷,需要使用特殊的设备进行校正或修复,这也增加了成本。

6. 数量少,难以摊薄:
每批次都有独特掩模: 对于一个全新的芯片设计,每一层电路的图案都是独一无二的,所以需要制作一套全新的掩模。即使是设计修改,也可能需要重新制作部分掩模。
试生产阶段需求量小: 在流片(尤其是试生产阶段),芯片的订单量相对较小,无法像正式生产那样通过大量使用来摊薄掩模的单位成本。

总结一下,MASK 的昂贵,是由于其实现过程中对精度、技术、材料、设备以及质量控制的极致追求。它就像是为一件艺术品制作的最高等级的“雕刻模具”,一旦制作完成,它就能在无数次复制中发挥作用,但“模具”本身的高昂成本,是前期投入中不可忽视的巨款。

理解了流片的每一个环节,以及掩模在其中的关键作用,我们就能更深刻地体会到为什么小批量流片如此昂贵,以及为何规模化生产能大幅降低芯片的单片成本。这背后,是人类智慧、工程技术和巨额资本的结晶。

网友意见

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我觉得那位SMIC的兄弟答得还是满清楚的,我是fabless的,没在Fab实际做过,就从设计公司的角度简单答一下。

  1. 首先,设计公司角度看流片,从第一版设计到最终设计定型,中间一般要经历多次测试片,也就是说从设计到量产需要经历两种流片形式 MPW和Full -Mask。

MPW(Multi Project Wafer), 前期设计研发阶段多选用这种模式, 因为测试目的的话,不需要上万颗芯片,只需要少量芯片即可,而且设计在早期阶段,改动幅度通常是较大的,并且是从FEOL(非金属互连部分)到BEOL(金属部分)几乎每层mask都要重做,每一次测试都重做一套光罩显然是不划算的。(后期要好一些,经验丰富的公司会在很多地方做好修调的准备,到时候直接修改或重做某一层金属mask即可,可以极大减少再流片的时间及资金成本)。 所以这就有了MPW这种喜闻乐见的形式。

先进工艺下(55nm以下),一般是工艺厂来安排,事先会将晶圆划好ABCD等多个区域,并报价,各家公司根据自己情况去预订一个或多个区域, 同时各家公司可以进一步选择在自己区域里放多个项目的测试片进去。(以LOGO区分)

工艺厂每年固定时间(比如Q4)会放出次年的MPW计划表,各家公司根据自己的需求,报名上车即可。通常是越先进的工艺,安排的MPW频率越高,较成熟的大尺寸工艺,可能工艺厂几年也安排不了一次,那么只能通过第三方公司去团购啦。)

Full- Mask: 这整套光罩是针对一个客户的一个产品,通常用于设计定型后的量产阶段。机器一响,黄金万两。

2. 量产为啥便宜,应该说是平均到每一颗芯片上的费用便宜了,而不是总的流片费用便宜了。

因为既然到了量产这个时间节点,那么前期的设计,mpw测试片,迭代等投入以及量产所需的整套光罩(full-mask)可以认为是一定的,并且这些钱占了大头。

比如同样类型的一款芯片,前期总投入不相上下的两家公司的出货分别是五百万颗与一千万颗,那么两家公司平均到每颗芯片的成本显然是有极大差异的,成本不同,那相应的议价和定价能力自然也会不同。

3. 光罩,也就是掩膜版,这个是用来制造集成电路各个层次的母版,比如说N阱,有源区,多晶硅,金属1,通孔,金属2.... 金属10...... 这些工艺层。 新闻媒体上经常看到的动不动就卖几亿美金的光刻机只是掩膜制造的其中一个生产要素罢了。(芯片是以上各工艺层精密叠加的产物,所以掩膜版只能针对某一次设计,设计一改(哪怕只是加了一个MOS管,大部分掩膜都得重做。)

掩膜版全套为啥贵为啥重要,这个你还可以把它理解为印钞票的电板。。

芯片掩膜版的精密度比钞票电板复杂1000000倍,一个是放大镜可见的mm级,一个是nm级,堪称绝对的差之毫厘谬以x万里。。工艺厂对先进工艺的研发费用也主要烧在这个地方。从工艺研发的周期来讲,机器的成本其实不是主要成本,将工艺的良率及可靠性调到量产要求才是。(比如某厂搞28nm,机器2011,2012年就全部到位了, 可是5,6年后良率都还没调到严格的量产标准,可见有多难。)

越是先进工艺,设计费用越贵:比如28nm设计费用一般是1000万美金~3500万美金,但到了7nm则是1.2亿美金~4亿美金,5nm更是最高要到7亿美金。。

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