作者：華叔聊5G

來源：雪球

華叔之前聊過OPPO要自主研發(fā)芯片，今天再深入聊聊芯片研發(fā)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。華叔解釋過先進(jìn)半導(dǎo)體工藝對 CPU 性能的影響，通常來說制程工藝越先進(jìn)，芯片 晶體管 集成度越高，核心面積越小，成本越低，而性能會更強，不過，這個說法是針對單一芯片而言的，如果放到全局來考慮就不一樣了。

臺積電、三星此前都宣布了 5nm EUV工藝，蘋果明年的A14處理器就會用上5nm EUV工藝，再下一代可能就是 3nm 工藝了。使用先進(jìn)工藝的代價也是極高，雖然晶體管密度會有數(shù)倍提升，但芯片成本也從會16nm工藝的16美元左右增長到30美元。

在全球半導(dǎo)體制造廠商中，有能力又資金進(jìn)軍10nm工藝的工廠僅剩英特爾、臺積電和三星了，其中英特爾是自產(chǎn)自銷，代工廠商只有三星、臺積電兩家，這兩家公司在5nm、3nm工藝上競爭激烈，用于建廠投資超200億美元，投資巨大。

不過，5nm、3nm工藝帶來的性能進(jìn)步越來越小，臺積電、三星的5nm工藝晶體管只帶來15-20%的性能提升，而摩爾定律失效引發(fā)的問題不只是性能提升不盡如人意，還有成本的大幅上漲，這個問題可能比性能提升更麻煩。

16nm工藝的芯片成本16.43美元，10nm為16.37美元、7nm成本18.26美元、5nm和3nm分別漲到23.57美元、30.45美元。

那么研發(fā)一款芯片到底需要多少錢？

芯片代工行業(yè)邁入10nm工藝后，成本壓力越來越高。10nm芯片的開發(fā)成本已超1.7億美元，7nm接近3億美元，5nm超5億美元。如果制造基于3nm開發(fā)出NVIDIA GPU那樣復(fù)雜的芯片，設(shè)計成本就高達(dá)15億美元。

芯片成本主要由流片費用、IP授權(quán)購買費、自研部件費用、高通專利費、研發(fā)工程師工資獎金等5部分組成。

1、流片費用

“流片”指的是“試生產(chǎn)”，就是說設(shè)計完電路以后，先生產(chǎn)幾片幾十片，供測試用。如果測試通過，就照著這個樣子開始大規(guī)模生產(chǎn)了。

7nm FinFET工藝流片費用約3000萬美元（參考麒麟990流片費用，同時兼顧考慮聯(lián)發(fā)科與臺積電同屬中國臺灣地區(qū)，可能有優(yōu)惠），約合2.1億人民幣；麒麟990處理器正在用臺積電7nm Plus EUV的工藝制作（第二代7nm工藝更加成熟，加入了EUV紫外線光刻技術(shù)），僅流片費用就高達(dá)3000萬美金。

FinFET工藝是華人科學(xué)家胡正明教授發(fā)明的（胡正明教授還提出了著名的BSIM模型）。也是為了解決芯片做到更小尺寸的一種方法，16nm FinFET工藝的價格，不管芯片的面積有多大，起步價500萬美金。但FinFET工藝相比EUV已經(jīng)算是落后了。

2、IP授權(quán)購買費

做芯片需要購買ARM最新的Cortex-A77CPU、Mali-G77GPU授權(quán)，其他小的模塊也要購買，如音視頻編解碼器、還有DSP（獨特的微處理器）、NPU（嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器）等。如華為海思麒麟970、980芯片獲得了寒武紀(jì)NPU的IP授權(quán)。

被授權(quán)方將會向授權(quán)方支付一筆授權(quán)費來獲得IP，并在最終芯片產(chǎn)品銷售中，以芯片最終售價的1％～3％向授權(quán)方支付版稅。授權(quán)費用實現(xiàn)IP開發(fā)成本的覆蓋，而版稅作為IP設(shè)計公司的盈利。

但正如手機芯片市場，優(yōu)質(zhì)的IP資源往往集中在科技巨頭手中，擁有單一或少量IP的創(chuàng)業(yè)公司往往因為自身IP競爭力不足、或是難以提供具有綜合競爭力的完整解決方案而最終落得被收購或退出市場的境地。

按生命周期5000萬顆算，各種IP授權(quán)購買費按每顆40元算，這大概20億。單ARM CPU授權(quán)一項，每次約1億美金。

3、自研部件費用

聯(lián)發(fā)科剛發(fā)布了一顆5G SoC，它集成了自研的最先進(jìn)的獨立AI處理單元APU（加速處理器），這樣完全保證用戶使用上5G網(wǎng)絡(luò)。除比較復(fù)雜的APU外，自研部件還包括多模通訊基帶（2G/3G/4G/5G等），相機ISP（圖像信號處理器），各種控制開關(guān)，微核等。這部分很難估算，而且是長期的研發(fā)的成果，這部分成本暫復(fù)算為10億人民幣。

4、高通專利費

按5000萬顆算，每顆交10元，合5億人民幣。

5、研發(fā)工程師工資獎金

1000名工程師每年按50萬計算，3年合計15億。

人力成本占研發(fā)成本主要部分，項目開發(fā)效率與資深工程師數(shù)量相關(guān)，國內(nèi)資深芯片設(shè)計工程師年薪一般在50～100萬元之間。EDA工具是芯片設(shè)計工具，是發(fā)展超大型集成電路的基石，EDA工具可有效提升產(chǎn)品良率。

20人的研發(fā)團(tuán)隊設(shè)計一款芯片所需要的EDA工具采購費用在100萬美元／年（包括EDA和LPDDR等IP購買成本）。英偉達(dá)開發(fā)Xavier，動用了2000個工程師，開發(fā)費用共計20億美金，Xlinix ACAP動用了1500個工程師，開發(fā)費用總共10億美金。

以上各項共計 2 20 10 5 15=52億人民幣。

沒錯，52億！而這些還不包括架構(gòu)開發(fā)，生態(tài)構(gòu)建等的費用。

我們拋開手機處理器，就說看似簡單的NAND FLASH研發(fā)經(jīng)費也是相當(dāng)不菲。

NAND FLASH其實是快閃存儲器，是一種電子式可清除程序化只讀存儲器的形式，允許在操作中被多次擦或?qū)懙拇鎯ζ?。就是用于如儲存卡、U盤、固態(tài)硬盤上的儲存芯片。

開發(fā)一顆NAND FLASH主控芯片前期投入（軟件、硬件、IP及人力和時間費用，軟件工具費，設(shè)計服務(wù)費及儀器測試費用等）的開發(fā)費用折合人民幣約為1.35億人民幣，而后期流片、封測等費用為2200萬元人民幣，共計約1.57億人民幣。

我國在這領(lǐng)域技術(shù)逐漸縮小甚至追上與國際一流廠商的差距，紫光集團(tuán)旗下的長江存儲近年來大舉投資存儲芯片產(chǎn)業(yè)，目前已經(jīng)形成了NAND閃存研發(fā)生產(chǎn)、主控IC以及后端封測等全產(chǎn)業(yè)鏈，預(yù)計今年底量產(chǎn)64層堆棧的3D閃存，2020年則會生產(chǎn)128層堆棧3D閃存。

到了2020年，長江存儲還會推出128層堆棧的3D閃存，今年三星、東芝、美光等公司量產(chǎn)了96層的3D閃存，部分廠商甚至開始量產(chǎn)128層堆棧的閃存，2020年會是100 層堆棧閃存的爆發(fā)之年。

研制出一塊芯片很容易，但是要在控制溫度、成本以及功耗的情況下實現(xiàn)量產(chǎn)，卻不是一件容易的事。

芯片制造有兩大難點：

首先，在試驗階段投入的資金非常的高昂，一次大概需要10萬元，從設(shè)計到加工的過程中走過的工序差不多就有3000到5000道，而且一次耗費的時間差不多就是一年，在時間和金錢的制約下，對于精度的要求是極其的高。

其次，排錯難度大，雖然芯片看上去的體積非常小，但是在上面卻分布著數(shù)億個晶體管，可以被檢測出的信號最多也就只有幾百條，能夠看到如果哪條晶體管出了差錯，那都是難上加難！

除了技術(shù)原因，還有國際因素制約，專利權(quán)、出口協(xié)定的管控，我們想從國外獲取最先進(jìn)技術(shù)是不可能的，而且中國每年進(jìn)口一臺相關(guān)的儀器，其中的專利費就高得嚇人，像前段時間買入中國的ASML光刻機（阿斯麥），一臺價值就要8.6億元！

目前國際上生產(chǎn)光刻機的主要廠商有荷蘭的ASML、日本的尼康、佳能。其中，數(shù)ASML技術(shù)最為先進(jìn)。

2018年12月底，荷蘭光刻機公司Mapper正式宣布破產(chǎn)，ASML成為了全球最大的光刻機設(shè)備和服務(wù)供應(yīng)商，不但占據(jù)了全球光刻機80%的市場份額，而且還是唯一能向客戶供應(yīng)高端EUV（極紫外光）光刻機的企業(yè)。

一臺EUV光刻機售價超過1億美元，而且還相當(dāng)不好買。EUV光刻機年產(chǎn)量不高，從2013年首批2臺EUV光刻機量產(chǎn)以來，到2019年ASML EUV光刻機預(yù)計年產(chǎn)量也只有30臺。

國內(nèi)也有生產(chǎn)光刻機的公司，比如上海微電子裝備，但技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于ASML。

上海微電子裝備目前生產(chǎn)的光刻機僅能加工90nm工藝制程芯片，這已經(jīng)是國產(chǎn)光刻機最高水平。而ASML已量產(chǎn)7納米制程EUV光刻機，至少有十幾年的技術(shù)差距。

光刻機是制造芯片的核心裝備，過去一直是中國的技術(shù)弱項。光刻機的水平嚴(yán)重制約著中國芯片技術(shù)的發(fā)展，我們一直在被“卡脖子”。

目前 ASML 在中國客戶有中芯國際、華虹半導(dǎo)體、長江存儲、合肥長鑫、英特爾大連廠、SK海力士西安廠等。就連臺積電和三星也只能從ASML手中進(jìn)口機器，全球沒有一家企業(yè)可以取代他們的地位。

中芯國際2017年所有利潤1.264億美元，一臺EUV光刻機幾乎花掉他們整年的盈利。

另外，長江存儲去年也從ASML買入一臺浸潤式光刻機，售價高達(dá)7200萬美元。

光刻機以光為“刀具”，在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發(fā)生反應(yīng)。

此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠，就實現(xiàn)了電路圖從掩模到硅片的轉(zhuǎn)移。

華叔把話題扯遠(yuǎn)了，最后，我們談?wù)凜PU成本，CPU硬件成本包括晶片成本 掩膜成本 測試成本 封裝成本四部分。

晶片成本就是以二氧化硅制取晶圓所耗費的資金分?jǐn)偟矫恳黄蟮某杀?，可以簡單理解為每一片芯片所用的材?硅片)的成本。

使用更先進(jìn)的制程會導(dǎo)致掩膜總成本提升，但卻可以降低晶片成本。

掩膜成本就是晶片加工成本以及光刻機、刻蝕機、物理、化學(xué)氣相淀積設(shè)備的折舊成本等等。

每片CPU的掩膜成本=掩膜總成本/總產(chǎn)量。如果產(chǎn)量小，芯片的成本會因為掩膜成本而較高，只要產(chǎn)量足夠大，比如每年出貨以億計，掩膜成本被巨大的產(chǎn)量分?jǐn)偟轿⒑跗洹?/p>

只要產(chǎn)量足夠大，就可以使每塊CPU的掩膜成本大幅降低，使擁有“更貴的制程工藝 更大的產(chǎn)量”屬性的CPU，會比擁有“便宜的制程工藝 較小的產(chǎn)量”屬性的CPU成本更低，特別是在產(chǎn)量相差100倍的情況下，成本上的差距會猶如鴻溝。英特爾正在研發(fā)的10nm制程，掩膜成本至少需要10億美元。

國產(chǎn)CPU的產(chǎn)量為何上不去？

像龍芯、申威等自主CPU，由于另起爐灶，自建技術(shù)體系，必然和現(xiàn)有的Wintel(微軟 英特爾)體系不兼容，在PC市場被Wintel壟斷的情況下，自然導(dǎo)致市場化進(jìn)程步履維艱。

而兆芯雖然同樣采用X86指令集，可以跑Windows，不存在軟件生態(tài)問題，但在技術(shù)上完全依賴于威盛公司，這樣無疑提高了成本，加上性能孱弱，不具備市場競爭力——即便一味擴(kuò)大產(chǎn)能，也只能是產(chǎn)量越大，虧得越多，只能在黨政軍市場尋求機會，產(chǎn)量自然非常有限。

就算拋開國內(nèi)IC設(shè)計公司和英特爾在設(shè)計能力的差距不談，單純講制程工藝和產(chǎn)量對性能和成本的影響，在國產(chǎn)CPU產(chǎn)量非常小的情況下，即便使用非常便宜的制程工藝流片，依舊導(dǎo)致其成本比英特爾的CPU要高，價格也更貴。

英特爾可以依靠市場的壟斷地位，就算最貴的制程工藝，以龐大的產(chǎn)量壓低成本，攫取超額利潤，使自己的利潤率高達(dá)60%。

所以，之前華叔之前推文中就不太看好OPPO和小米打造自己的芯片，因為他們沒有芯片發(fā)展的儲備基礎(chǔ)，繼續(xù)往這條路走會非常吃力，以華為海思就是很好的參考對象。

華為10年的研發(fā)經(jīng)費狂砸了3940個億，雖然這里不止芯片投入，還有其他投入，但就算以1000億作為芯片投入，這數(shù)字算多嗎？

其實，并不多。

流片費用是成本里較大的組成部分。

幾年前，采用不太先進(jìn)的16nm工藝，流片費用需要1500萬美金以上。

而兩年，采用7nm的工藝，流片費用需要準(zhǔn)備1-3億美金以上。

而10年前，海思給出的平均每顆商用芯片的研發(fā)成本僅為4000萬人民幣。

這里就成本計算單位就不一樣了，10年前是人民幣，幾年后已經(jīng)是按美元計算，至少差6~7倍。

小米、OPPO要想實現(xiàn)華為的芯片全景圖，至少需要10年時間，途中肯定會經(jīng)歷許多意想不到的波折和困難，如果想加速芯片發(fā)展必須收購成熟的芯片企業(yè)，但這個可能性不高，現(xiàn)在好的芯片企業(yè)的體量都很大，不可能輕易被收購。

可喜的是中國芯片進(jìn)步神速，即將發(fā)布的麒麟990處理器，最大的特點是集成5G基帶，是全球第一款集成5G基帶的7nm FinFET Plus EUV工藝制程移動芯片。雖然三星搶先在華為前發(fā)布同樣集成5G基帶的Exynos 980，不過采用8nm FinFET 的工藝制程，相比華為稍遜一籌，臺積電立功了。

Exynos 980 最快將于今年量產(chǎn)，而麒麟990極有可能搭載在9月19日發(fā)布的華為Mate 30上，也就是說已經(jīng)具備量產(chǎn)能力。

華叔也希望中國芯能夠早日崛起，能夠擺脫國外壟斷的日子，甚至能夠反過來去掐國外的脖子，那才是真的牛。

考慮到5G建設(shè)時間周期相當(dāng)長，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈將會有不斷持續(xù)性發(fā)展，帶動長線投資機會，這次先介紹部分產(chǎn)業(yè)鏈龍頭。