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    一块小小的芯片是如何诞生的?

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      一块小小的芯片是如何诞生的?

      0. 绪论

      今天我们主要讲讲芯片的第一个阶段,立项。

      一块小小的芯片是如何诞生的?

      在整个芯片流程中如上图所示的位置。这个步骤决定了芯片要不要做,也很大程度决定了最后是不是能有商业上的成功。这个阶段的输入是市场调研,输出是对芯片的商业需求

      一块小小的芯片是如何诞生的?

      这个阶段其实主要回答三个灵魂问题。我们逐一来讲讲。

      一块小小的芯片是如何诞生的?

      1 第一个问题:需求确认 —— 这个芯片解决了什么痛点

      这个问题是任何需要立项的项目绕不开的一个坑,必须把坑填了,这个问题搞不清楚,那可能做一回芯片界的手工耿。做产品和科研还有点点区别,科研项目你只要脑补出一个自圆其说的未来能用到的痛点即可,只要评委老师认为这个痛点是个痛点,基本上就立项成功了。做产品的话大致有四种类型。取决于你的芯片是是用来干啥的。

      第一类是 2VC(Venture Capital)的芯片。这类芯片多见于创业公司。主要目标用户是 VC 投资的一帮人,最终目的是拿到投资。这类芯片立项的时候一个最主要的点:芯片要有想像空间(自己的瞎发现,不一定对)。什么叫想像空间?要让 VC 觉得这个芯片虽然现在看着不会赚钱,但是以后一旦做起来我们就是下一个 NVIDIA,拳打 INTEL, 脚踢 AMD。在这个原理的加持下,如果目标是这类芯片,那么外在的应用可能在 AI, VR, 自动驾驶等等,内在的技术包括存内计算,chiplet 或者模拟计算,光通信什么的统统安排上。而且故事要讲圆了。如果就是想做个 NFC 芯片,虽然可能确实有用且有人买,而且也能赚到钱,但已经有好多成熟的解决方案,不一定有想想空间。这类标的就不适合这一类芯片。

      第二类是 2PR (Public Relationship) 的芯片。这类芯片多见于已经有成功的商业产品,但是没有芯片做不出差异化的公司。这类芯片立项的时候一个最主要的点:能不能体现差异化。比如做手机,大家都用高通的芯片,基本上很难做出差异化。记得当年老罗舌战群儒的时候说过一句话,大家都用高通的芯片,京东方的屏,强行说优化和调教就是装 X。如果想摆脱组装厂的标签,有自己的芯片确实是一个很好的理由。绝对性能可能不如竞品,但只要竞争对手没有自己有,那么这个东西某种意义上就是一个不可比较的优点。毕竟比不了性能可以提用户体验,比不了功耗可以提成本。总之就是组装的东西里有了这么一颗自研芯,比如弄一个 ISP 或者 HIFI 芯片等等,产品就可以在市场中形成差异化,找不到直接竞争对手。所以这一类芯片可以不赚钱,可以赔本赚吆喝,但一定要让能赚钱的产品体体现出真正的差异化。

      第三类 2TR (Technical Reserve) 的芯片。这类芯片主要是做技术储备用的,简称备胎芯片,多见于超大型的公司,不靠芯片赚钱,其实高校做的也能算这类芯片。做了也许不用,但是手里有这个东西非常重要。主要有三点考虑,一方面,手里有这个东西可以向真正的芯片供应商压价,另一方面,也要预防被断供的风险。比如中兴被美国制裁事件,手里没有货就很被动,第三方面,为未来的业务做一定的储备,一旦市场出现需求可以快速上手。这类芯片一个主要特点是:花最小的代价可以替代现有的芯片。芯片的成本、性能或者功耗可以比现有的弱,但至少能用,少了芯片供应不会完全瘫痪。

      第三类是传统意义上 2B 或者 2C 的芯片。这类芯片多见于比较成熟的半导体公司。主要目标就是靠芯片本身赚钱。芯片本身就是核心的竞争力。比如 NVIDIA, Intel,比特大路,兆易创新等等。这类芯片立项的时候就一条最主要的点:芯片解决了目前市场什么不足,能不能取得商业成功。这类芯片最难做,因为实实在在的就是要考虑投入产出比。要想商业成功除去有强大的人脉或者资质认证做垄断的东西不论,其他大致上有两条路。一条是靠技术壁垒,确实竞争对手以相同的成本做不出一样的芯片。比如 intel 的 CPU, NVIDIA 的 GPU,单颗芯片都非常贵。另一条路是靠边际成本。芯片本质上还是一个工业产品。只要是工业产品就能赚边际成本下降的钱。只要量足够大就有的赚。无论想要走那条路,其实都要想清楚,客户的原始需求是什么,这个芯片解决的需求是不是一个伪需求,市场上是不是已经有类似的产品,我们要做的芯片是不是有机会(比如更低的成本,更高的性能,更低的功耗 etc)。要确认这个东西其实是一个非常痛苦的过程,有时候最后其实就是老板的意志来拍板。否则靠产品经理和设计团队相互拉扯最后很难有什么结果。。想像中的场景是产品和设计团队一拍即合,觉得都可做,然后往下推进。而实际上对一个问题看法不同的人千差万别。一件事 A 觉得 OK, B 觉得不行,相互谁也没法说服谁,无限扯皮。同时,伪需求也要逐一甄别。举个简单的栗子,曾经觉得对于仓库场景下做一个基于机器视觉的芯片自动导航有机会,实际上去工厂调研一下就会发现这类小车都是在地上贴个标签,小车直接沿着标签走就可以,完全没必要用什么机器视觉 Orz。

      2.2 第二个问题:财务概算 —— 这个芯片要多少投入,能赚多少钱

      如果芯片是商业化行为,这个问题也注定没有办法绕开,涉及到钱。

      这该是一个专业的财务问题,实际操作的时候需要细致的算。我们此处试图理解概念。其实也分两个方向,无非是成本和价格。

      2.2.1 芯片的成本

      我们先来说说成本的问题。芯片的成本大致有三个方面:

      芯片成本 = 硬件成本 + 设计成本 + 固定成本分摊。

      2.2.1.1 硬件成本

      先来讲讲最容易看见的硬件成本。硬件成本有个大致的计算公式。

      硬件成本 = (掩膜成本 + 晶片成本 + 封装成本 + 测试成本)/ 成品率

      掩膜成本可以简单理解为。。一个制作芯片的模具。同一个芯片掩膜只有一份钱,制程越贵,价格越贵。不过具体多少钱台积电、中芯国际等等代工厂其实是保密的,为了实现价格歧视,基本上是一案一议。不亲自跑去谈,很难得到具体的价格。中国大陆的话规模足够大可以直接找 TSMC, SMIC 什么的直接谈。如果规模不大也可以找类似中关村芯园这类企业作为桥梁在 TSMC 流片。

      晶片成本就与芯片的数量有关系了。晶片原材料就是硅,自然是产的越多收钱越多。如果芯片量很大,这部分成本会占大头。分摊到单个芯片的成本一般是这么计算的。chip cost = wafer cost/ (DPW * Yield)。芯片成本等于一个 wafer 的成本除以 Die per wafer,再除以良率)。

      封装 \ 测试成本这两个放一块儿说,似乎没有具体的计算方法,此处只要知道他两的成本基本与芯片 Pin 脚的数量有关系即可。pin 脚越多,成本越大。有种说法,封装成本和拐角呈三次方关系,测试成本和拐角成平方关系。

      2.2.1.2 设计成本

      设计成本这个地方主要包括了下面几个部分。

      设计成本 = 工程师工资 + 知识产权费用 + 硬核 IP 费用

      工程师工资这一部分主要是人力成本。这个对于一家公司来讲其实相对好算,由于要交社保,发福利什么的,此处给个人力成本的大致估算方法。工程师税前工资 *1.4 大约就是公司付出的人力成本单价。然后乘以芯片的开发时间就能得到芯片的成本。

      知识产品费用简称交专利费。比如做手机芯片要按手机售价的比例给高通缴纳高通税。这些专利大多依托于协议或功能,比如 5G 通信的协议,芯片实现了某个功能就必须给高通交一比费用,本质上还是算法专利。芯片设计本身的专利费倒是不容易交,因为芯片都流片了,源代码不漏出去其实很难取证侵权。

      硬核 IP 费用,其实也不是一比小数目。芯片里会存在一些东西例如高速接口这些很难啃的东西。比如 USB PHY, DDR PHY,PCIE PHY 什么的东西。一般 synopsys,arm 等等公司收取 IP 费都是先有个固定台阶,后面再根据芯片的销量抽成。据我所知,确实存在设计芯片的时候直接来个 DDR, 再来个 USB, 反正都觉得使用起来是很常见的接口应当不贵,但是打听价格以后直接作废芯片计划的。也听说过买了 DDR PHY 资金链断裂公司直接卖了的。这些 PHY 贵的能有百万美元。

      2.2.1.3 固定成本分摊

      这部分成本其实就比较难精确的算,而且很多芯片应该会公用。比如大楼的租金,比如买各种 EDA 软件的授权。买设备或者租设备费用。一来,这些费用可以和很多产品公摊,不能全算在芯片头上。另一方面,既然是软件,你懂的。

      2.2.2 芯片的价格

      定个好价格才能赚到钱,具体定多少各个公司策略肯定是不一样的。有些希望薄利多销,有些希望有一个宰一个,贵一点。但大致上,成本越高,价格应该就定的越高,据传说,芯片的价格定在 8:20 比较常见,例如芯片成本 8 块钱,卖 20 块。大致可能是在 8:10 到 8:40 之间徘徊。当然,如果是 2VC 或者 2PR 的芯片,这个定价可能也没有那么关键。赔本赚吆喝也是值得的。

      至此,芯片的成本和价格搞清楚后,根据市场调研的市场规模和预估的市场份额就知道,这个芯片能不能有钱赚。此处只是简单的从成本和价格的角度讲了一下。实际上有不同的商业模式可以选,最终实现盈利。不过归根结低,就是收入要大于成本。

      2.3 第三个问题:可获得性评估 —— 能不能做出来

      有了前面两个步骤,这一个步骤其实要有设计人员来参与。主要就是能不能实现出来的一种评估。

      2.3.1 有没有人来做

      这个问题为什么是个问题,主要是因为芯片是一个比较复杂的产品,招到靠谱的工程师本来就不容易,招到一个什么都懂的工程师更是不大可能,一般都需要专业的人干专业的事。比如前端的工程师其实很难胜任后端的活。所以可获得性的第一个问题就是确定有没有人来做。一般来讲,有四类办法。

      • 第一类:完全外包型。只需要出最原始的需求,所有前端后端均外包出去。适用于芯片起步或者自己暂且没能力设计的情况。由于芯片设计前端的东西和业务联系非常紧密,很多情况下可能涉及到商业机密,所以真正能接这种端到端交钥匙工程的地方应该不多。不过这类芯片还有个变种办法,也仅仅是听说,不要模仿。。。比如大佬有门路从成熟的外企找来一份能用的代码,相当于找了一个免费的外包,先做起来第一代能用的芯片,靠这个拿到投资再逐步把代码替换成自己的东西。这类做法的祖师爷其实在当年在上交就试验过。

      • 第二类:前端设计型。这种方式是自己出 DC 综合后的网表,把后端实现的活给外包出去。中小型的公司大多可以这么干。因为后端本来的特点就是与业务独立的,专门有个庞大的后端团队其实前期没有必要,找专业的后端团队省时省力。这些后端团队有些是大公司出来接私活,也有些就是专门做这块的公司。比如摩尔精英什么的,有后端服务。

      • 第三类:后端自有型。这类公司多见于比较成熟的公司。比如英伟达,苹果,高通,海思,比特大陆等等,前端后端团队都有。直接给代工厂交 GDS 版图,代工厂比如台积电负责加工生产。这种办法的好处自然是高度可控,前端后端可以高度的联动,保证芯片进度。

      • 第四类:设计制造型。这类其实就比较少了。一般具有悠久的历史底蕴。。。从设计到制造全部自己搞。比如三星,Intel。至少现阶段不是中国的芯片企业能望其项背的。了解一下就好。

      一般我们把第一到三类叫 design house 或者 fabless, 第四类叫 IDM。大部分的芯片都是采用 fabless 的办法做出来的。

      2.3.2 技术上可不可行

      这个问题与具体要做什么芯片有关系。确认了有需要,能不能做出来需要技术人员对于关键技术进行评估。

      主要有以下几个考虑点。

      功耗上可不可行。虽然有一定的低功耗手段可以降低芯片的功耗,但是完成一个任务所要的最小的功耗往往不能数量级的降低。有可能这个功耗要求就是不能做出来。比如你发现功耗 uW 级别的人脸识别芯片有市场,但人脸识别需要大量运算,功耗很难控制到 uW 以下。特别是好多芯片是电池供电的,可能最后技术人员评估后会发现功耗对系统电池寿命影响太大,不可用。一般来讲功耗出问题的情况比较大。

      性能上可不可行。这个问题对数字电路影响可能也不是很大,毕竟数字电路性能不够一般换更好的工艺,或者增加并行的逻辑就能搞定,但接口类的地方容易出问题。比如 chiplet 芯片组,芯片间的交互带宽超过了现有接口的极限速度。或者 ADC 由于功耗限制,性能无法达到需求。总之就是工程人员需要评估一下性能是否可行。

      寿命是不是可行。对于大部分芯片来讲这个都不是问题,但是某些采用比如 RRAM 器件,Flash 器件的芯片需要特殊关注一下。比如用 RRAM 训练或者推理神经网络的芯片,RRAM 可能会被频繁的读写,导致失效。

      2.3.3 IP 能不能拿到

      主要涉及两个方面的内容。

      专利授权能不能拿到。这个情况比较少,但是确实可能存在这个问题,有些专利绕不开,又拿不到专利授权,到后期都设计结束了才发现问题就非常尴尬。最好早期就能发现这个问题。

      硬核 IP 能不能拿到。一般没问题,synopsys 的 IP 应该给钱就卖。但是也有特殊情况,比如你的预算不够,或者被美帝制裁了,这些 IP 就不一定拿到。很少有人能自己弄出一个比较稳定的硬核 IP。所以硬核 IP 能不能拿到也要在立项阶段就有初步的结论。

      3. 总结

      这篇文章其实讲的是一个芯片该不该做的问题。归根到底总结成一句话:芯片有市场需求,预期收益大于投入,有人做,技术上也可行。经过了这几个考虑的点,如果立项成功,那我们就可以进入下一个阶段:概念与计划。

      来源:知乎 桔里猫

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