作者介紹：Ryszard Sommefeldt是Imagination Technologies公司Beyond3D的負(fù)責(zé)人，在本文中，他將帶領(lǐng)我們游歷現(xiàn)代半導(dǎo)體制造（CPU、GPU和SoC）的制造過(guò)程。

　　本文將概述性的介紹半導(dǎo)體器件的制作流程，不論是采用的哪種授權(quán)方式（內(nèi)部設(shè)計(jì)，外部IP授權(quán)或介于兩者之間）。文中主要涉及的是消費(fèi)者器件，因?yàn)檫@也是我主要從事的領(lǐng)域，但芯片工藝制程方式基本上在任何芯片中都是通用的。

　　因?yàn)槲覀€(gè)人從來(lái)還為讀到過(guò)從始至終的工藝描述，而早在我進(jìn)入半導(dǎo)體IP公司之前我就一直期待能看到這樣的文章。我相信很多人都有和我一樣的看法。于是最終我想我為什么不自己寫(xiě)一篇呢？我希望這篇文章能給對(duì)半導(dǎo)體感興趣的讀者帶來(lái)幫助。

晶圓上的45納米芯片圖像，來(lái)自：AMD

　　創(chuàng)意

　　半導(dǎo)體改進(jìn)仍然來(lái)自創(chuàng)新和創(chuàng)意。和設(shè)計(jì)一部智能手機(jī)的創(chuàng)意相比，當(dāng)然半導(dǎo)體行業(yè)的創(chuàng)意要基礎(chǔ)和底層得多，我們的創(chuàng)新需要在硅的水平上進(jìn)行，而這是現(xiàn)在幾乎所有計(jì)算設(shè)備的基礎(chǔ)。

　　就我所知，所有我能想到的芯片，包括最小和最專業(yè)的芯片，都是由微小的模塊構(gòu)成的。如果你想進(jìn)行更為復(fù)雜的計(jì)算，即使只有單個(gè)輸入，你仍然需要繼續(xù)這些模塊進(jìn)行更上層的設(shè)計(jì)。

　　但芯片設(shè)計(jì)和制造并不是一蹴而就的事，不是單一的整體技術(shù)就可以辦到。現(xiàn)代的芯片的基礎(chǔ)模塊非常小，也因?yàn)檫@樣的原因，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)師幾乎不可能將芯片的整個(gè)設(shè)計(jì)裝進(jìn)自己的腦袋。現(xiàn)在芯片非常復(fù)雜，擁有上億晶體管的芯片也已經(jīng)是家常便飯，有的甚至更多。現(xiàn)在主流的計(jì)算機(jī)和電腦的處理器中集成了10億以上的晶體管，甚至部分手機(jī)也有如此的集成量，其復(fù)雜程度可想而知。

　　所以設(shè)計(jì)師大多數(shù)不會(huì)想自己構(gòu)建一個(gè)整體，人類也無(wú)法辦到這一點(diǎn)。但是我們可以將這個(gè)任務(wù)切割成很多塊分開(kāi)處理。也許某個(gè)設(shè)計(jì)師能夠設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試所有的塊，但分塊仍然是必須的。

　　時(shí)間表

　　簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我要談?wù)劕F(xiàn)在最常見(jiàn)的處理器，這些都需要一年時(shí)間才能完成制造。半導(dǎo)體行業(yè)沒(méi)什么是發(fā)展迅速的。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證、集成、測(cè)試、取樣還有可能的返工，到最后的大規(guī)模制造，一款芯片真的需要一年時(shí)間才能出現(xiàn)在市面上。

　　因此，一款芯片的壽命通常都不短。有一些對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的宏觀看法，可能會(huì)很常見(jiàn)。比如說(shuō)，一個(gè)現(xiàn)代的智能手機(jī)系統(tǒng)芯片供應(yīng)商可能從項(xiàng)目開(kāi)始到大規(guī)模出貨僅僅用了幾個(gè)月時(shí)間，但他們實(shí)際上做的不過(guò)是將已有的模塊進(jìn)行集成而已。每年都有成千上萬(wàn)人進(jìn)入這一行業(yè)，將已有的模塊變成全功能的SoC。

　　在現(xiàn)代消費(fèi)電子及相關(guān)領(lǐng)域，主要的芯片能進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算都需要經(jīng)過(guò)好幾年的研發(fā)時(shí)間，而不是幾個(gè)月、幾周、甚至更可笑的幾天。

　　了解你的需求

　　芯片研發(fā)需要幾年時(shí)間意味著需要有一些準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)工作要做。聰明的芯片設(shè)計(jì)者都是依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的，他們可不會(huì)盲目進(jìn)行設(shè)計(jì)或者僅僅依靠直覺(jué)行動(dòng)。了解自己的需求往往是純粹的數(shù)據(jù)分析。

　　芯片設(shè)計(jì)者的數(shù)據(jù)來(lái)源有很多：市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)、銷(xiāo)售人員、已有客戶和潛在客戶、產(chǎn)品規(guī)劃、項(xiàng)目經(jīng)理，或者像我一樣的競(jìng)爭(zhēng)力和性能分析師。另外還有的數(shù)據(jù)是來(lái)自芯片設(shè)計(jì)者自身的工作經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)樗麄冎涝撛鯓幼霾攀钦_的。

　　芯片設(shè)計(jì)師的第一個(gè)工作是過(guò)濾所有的數(shù)據(jù)并將其作為他們即將構(gòu)建的模型的基礎(chǔ)。他們需要盡可能知道所設(shè)計(jì)的芯片的未來(lái)的使用場(chǎng)景：最終的產(chǎn)品會(huì)是怎樣的？客戶對(duì)新一代的產(chǎn)品有怎樣的期待？在新功能和性能的改進(jìn)上有什么最低限制嗎？在電池壽命、材料科學(xué)和芯片制造商的行業(yè)風(fēng)向改變了嗎？

　　成本如何？在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，成本扮演了舉重輕重的作用。許多中國(guó)商品就憑借成本優(yōu)勢(shì)打開(kāi)了世界的市場(chǎng)。如果你所設(shè)計(jì)的芯片的成本需要20美元，而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手只要10美元就能完成同樣的新能，那么你的設(shè)計(jì)將毫無(wú)意義。所以在設(shè)計(jì)芯片之初就要考慮芯片的成本結(jié)構(gòu)，從而從頂層設(shè)計(jì)上控制成本。要記住，你所做的每一項(xiàng)改變都會(huì)影響到成本，不管是直接還是間接的。

　　比如說(shuō)你的芯片需要引入A組件，這是一款20平方毫米。而你的整個(gè)芯片設(shè)計(jì)的使用面積為80平方毫米，而每一平方毫米的成本為20美分，而對(duì)于一個(gè)完整芯片，你的客戶的心理價(jià)位也不超過(guò)20美元。但是你為了能夠保證下一代芯片的研發(fā)，你設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的毛利率必須要至少達(dá)到25%。這個(gè)時(shí)候，其它組件所需要的面積僅有60平方毫米了，結(jié)果你終于好不容易將這些組件都集成到了芯片上，卻發(fā)現(xiàn)其中沒(méi)有間隙了。有時(shí)候因?yàn)楣幕蛏岬脑颍氵€需要芯片中有一些間隙。

　　所以在設(shè)計(jì)芯片時(shí)，采用組件A會(huì)有兩種情況。一是芯片本身的成本低于16美元，二是你不得不修改其他組件的設(shè)計(jì)從而降低成本。

　　最終芯片設(shè)計(jì)師將所有這些輸入和反饋引入到設(shè)計(jì)的模型中（這里通常有很多電子表格，多到超過(guò)你的想象）。然后設(shè)計(jì)師決定芯片最終需要什么組件，并將頂層設(shè)計(jì)需要背景信息考慮進(jìn)去，然后設(shè)計(jì)師就要竭盡所能完成所有的要求設(shè)計(jì)出最終的成品。

　　現(xiàn)在我們已經(jīng)知道芯片設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)芯片時(shí)需要一些構(gòu)造模塊了，他們需要決定最終應(yīng)該采用什么設(shè)計(jì)模塊。如今，這些模塊是來(lái)自于何處呢？

　　買(mǎi)入或自行設(shè)計(jì)

　　像英特爾這樣的行業(yè)領(lǐng)頭者，當(dāng)然完全有能力自己設(shè)計(jì)所需要的模塊。而且它不僅能自己設(shè)計(jì)自己的芯片，它還有自己的工廠完成自己芯片的生產(chǎn)。比如說(shuō)如果你是下一代Core i8-6789K的首席設(shè)計(jì)師。現(xiàn)如今這些產(chǎn)品已經(jīng)和過(guò)去的CPU有很大的差別了，其中系統(tǒng)中的其它都位于連接總線的另一端。比如Core i7-4790K就是一款包含了CPU、內(nèi)存控制和內(nèi)部管理、GPU、末級(jí)緩存、視頻解碼器、顯示控制器、PCI Express根控制器等等的聚合體。現(xiàn)在假設(shè)你要設(shè)計(jì)的i8-6789K也至少有以上這些東西。

　　作為一個(gè)像i8-6789K這樣重量級(jí)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師，你應(yīng)當(dāng)清楚至少在i7-4790K中，設(shè)計(jì)師幾乎沒(méi)有從英特爾外部引入組件。不過(guò)我們可以假設(shè)你在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要的一個(gè)組件模塊是英特爾沒(méi)有設(shè)計(jì)的，那么你就需要向第三方購(gòu)買(mǎi)構(gòu)造模塊；不過(guò)你告訴我其中肯定沒(méi)有第三方組件我也不會(huì)感到驚訝

英特爾Core i7-4790K （左）和 i7-5960X （右）

　　英特爾制造的一些芯片確實(shí)有引入來(lái)自其它公司的模塊，但該公司收入中的大部分都來(lái)自于完全自己設(shè)計(jì)的芯片。

　　那么你能夠從哪里得到這些構(gòu)造模塊呢？英特爾自己自然有針對(duì)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。維持這些團(tuán)隊(duì)的運(yùn)行需要強(qiáng)大的資金支持，但由此帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)卻是無(wú)可代替的。想一想，如果你的設(shè)計(jì)都在自己的公司內(nèi)部進(jìn)行，你可以控制你的時(shí)間表，而你的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手對(duì)你的設(shè)計(jì)也一無(wú)所知，你自己也可以根據(jù)需要對(duì)所有的模塊進(jìn)行修改和修正，這樣就具備了更大的靈活性。如果你能負(fù)擔(dān)起其中的開(kāi)支，這樣所帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是壓倒性的，因?yàn)樽罱K的規(guī)模經(jīng)濟(jì)將能夠抵消研發(fā)所帶來(lái)的巨額開(kāi)支。

　　所以你能看到芯片行業(yè)自己建造的心理總是無(wú)處不在。高通盡力在做，NVIDIA也在盡量努力。蘋(píng)果則依靠自己強(qiáng)大的垂直整合能力在消費(fèi)者市場(chǎng)混的風(fēng)生水起。在芯片模塊的層次上，蘋(píng)果的大部分工作也是自己在做。

　　而在消費(fèi)設(shè)備芯片的另一端，你還能看到一些集成的大師，它們幾乎不自己設(shè)計(jì)任何東西，完全都是依靠購(gòu)買(mǎi)IP進(jìn)行生產(chǎn)。它們從其他供應(yīng)商那里購(gòu)買(mǎi)設(shè)計(jì)藍(lán)圖，然后將它們連接起來(lái)，得出結(jié)果，所以過(guò)程表現(xiàn)得相當(dāng)快。采用的這樣的方法當(dāng)然更加容易而且便宜，但也因此很容易被模仿被超越，所以在這一領(lǐng)域的玩家日子都不好過(guò)，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，除非它們能做出自己的差異化產(chǎn)品。

　　選擇自己設(shè)計(jì)和直接購(gòu)買(mǎi)是一個(gè)事關(guān)資本和技術(shù)的重要選擇。這些都是很重要的因素，但也仍有一些值得注意的細(xì)微之處，這也因公司的差異而有所不同。有的供應(yīng)商會(huì)使用自己設(shè)計(jì)的模塊漸漸取代購(gòu)買(mǎi)的模塊，盡管在這方面它所贏得的收益并沒(méi)有增加，但卻能夠贏得客戶的親睞。

　　現(xiàn)在我們已經(jīng)制造這些模塊來(lái)自何方了。如果你很有錢(qián)，而且有忠實(shí)的客戶，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也不值一提，你肯定是會(huì)選擇自己設(shè)計(jì)，畢竟其它對(duì)手也難以和你競(jìng)爭(zhēng)。而如果你處在一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性的市場(chǎng)壞境下，你的成本結(jié)構(gòu)也決定你不能進(jìn)行巨額投入，你還是去購(gòu)買(mǎi)所需要的模塊吧。

　　但是，最后需要提醒的是，新的模塊總是需要人去設(shè)計(jì)的。