作者：華叔聊5G

來(lái)源：雪球

華叔之前聊過(guò)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(gè)環(huán)節(jié)。華叔解釋過(guò)先進(jìn)半導(dǎo)體工藝對(duì) CPU 性能的影響，通常來(lái)說(shuō)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(huì)更強(qiáng)，不過(guò)，這個(gè)說(shuō)法是針對(duì)單一芯片而言的，如果放到全局來(lái)考慮就不一樣了。

臺(tái)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(huì)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(jià)也是極高，雖然晶體管密度會(huì)有數(shù)倍提升，但芯片成本也從會(huì)16nm工藝的16美元左右增長(zhǎng)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(tái)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(tái)積電兩家，這兩家公司在5nm、3nm工藝上競(jìng)爭(zhēng)激烈，用于建廠投資超200億美元，投資巨大。

不過(guò)，5nm、3nm工藝帶來(lái)的性能進(jìn)步越來(lái)越小，臺(tái)積電、三星的5nm工藝晶體管只帶來(lái)15-20%的性能提升，而摩爾定律失效引發(fā)的問(wèn)題不只是性能提升不盡如人意，還有成本的大幅上漲，這個(gè)問(wèn)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(lái)越高。10nm芯片的開(kāi)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(kāi)發(fā)出NVIDIA GPU那樣復(fù)雜的芯片，設(shè)計(jì)成本就高達(dá)15億美元。

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

1、流片費(fèi)用

“流片”指的是“試生產(chǎn)”，就是說(shuō)設(shè)計(jì)完電路以后，先生產(chǎn)幾片幾十片，供測(cè)試用。如果測(cè)試通過(guò)，就照著這個(gè)樣子開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)了。

7nm FinFET工藝流片費(fèi)用約3000萬(wàn)美元（參考麒麟990流片費(fèi)用，同時(shí)兼顧考慮聯(lián)發(fā)科與臺(tái)積電同屬中國(guó)臺(tái)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(tái)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(fèi)用就高達(dá)3000萬(wàn)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(jià)格，不管芯片的面積有多大，起步價(jià)500萬(wàn)美金。但FinFET工藝相比EUV已經(jīng)算是落后了。

2、IP授權(quán)購(gòu)買費(fèi)

做芯片需要購(gòu)買ARM最新的Cortex-A77CPU、Mali-G77GPU授權(quán)，其他小的模塊也要購(gòu)買，如音視頻編解碼器、還有DSP（獨(dú)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(huì)向授權(quán)方支付一筆授權(quán)費(fèi)來(lái)獲得IP，并在最終芯片產(chǎn)品銷售中，以芯片最終售價(jià)的1％～3％向授權(quán)方支付版稅。授權(quán)費(fèi)用實(shí)現(xiàn)IP開(kāi)發(fā)成本的覆蓋，而版稅作為IP設(shè)計(jì)公司的盈利。

但正如手機(jī)芯片市場(chǎng)，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?yàn)樽陨鞩P競(jìng)爭(zhēng)力不足、或是難以提供具有綜合競(jìng)爭(zhēng)力的完整解決方案而最終落得被收購(gòu)或退出市場(chǎng)的境地。

按生命周期5000萬(wàn)顆算，各種IP授權(quán)購(gòu)買費(fèi)按每顆40元算，這大概20億。單ARM CPU授權(quán)一項(xiàng)，每次約1億美金。

3、自研部件費(fèi)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(dú)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(jī)ISP（圖像信號(hào)處理器），各種控制開(kāi)關(guān)，微核等。這部分很難估算，而且是長(zhǎng)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(fèi)

按5000萬(wàn)顆算，每顆交10元，合5億人民幣。

5、研發(fā)工程師工資獎(jiǎng)金

1000名工程師每年按50萬(wàn)計(jì)算，3年合計(jì)15億。

人力成本占研發(fā)成本主要部分，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)效率與資深工程師數(shù)量相關(guān)，國(guó)內(nèi)資深芯片設(shè)計(jì)工程師年薪一般在50～100萬(wàn)元之間。EDA工具是芯片設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)一款芯片所需要的EDA工具采購(gòu)費(fèi)用在100萬(wàn)美元／年（包括EDA和LPDDR等IP購(gòu)買成本）。英偉達(dá)開(kāi)發(fā)Xavier，動(dòng)用了2000個(gè)工程師，開(kāi)發(fā)費(fèi)用共計(jì)20億美金，Xlinix ACAP動(dòng)用了1500個(gè)工程師，開(kāi)發(fā)費(fèi)用總共10億美金。

以上各項(xiàng)共計(jì) 2 20 10 5 15=52億人民幣。

沒(méi)錯(cuò)，52億！而這些還不包括架構(gòu)開(kāi)發(fā)，生態(tài)構(gòu)建等的費(fèi)用。

我們拋開(kāi)手機(jī)處理器，就說(shuō)看似簡(jiǎn)單的NAND FLASH研發(fā)經(jīng)費(fèi)也是相當(dāng)不菲。

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

開(kāi)發(fā)一顆NAND FLASH主控芯片前期投入（軟件、硬件、IP及人力和時(shí)間費(fèi)用，軟件工具費(fèi)，設(shè)計(jì)服務(wù)費(fèi)及儀器測(cè)試費(fèi)用等）的開(kāi)發(fā)費(fèi)用折合人民幣約為1.35億人民幣，而后期流片、封測(cè)等費(fèi)用為2200萬(wàn)元人民幣，共計(jì)約1.57億人民幣。

我國(guó)在這領(lǐng)域技術(shù)逐漸縮小甚至追上與國(guó)際一流廠商的差距，紫光集團(tuán)旗下的長(zhǎng)江存儲(chǔ)近年來(lái)大舉投資存儲(chǔ)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(cè)等全產(chǎn)業(yè)鏈，預(yù)計(jì)今年底量產(chǎn)64層堆棧的3D閃存，2020年則會(huì)生產(chǎn)128層堆棧3D閃存。

到了2020年，長(zhǎng)江存儲(chǔ)還會(huì)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(kāi)始量產(chǎn)128層堆棧的閃存，2020年會(huì)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，卻不是一件容易的事。

芯片制造有兩大難點(diǎn)：

首先，在試驗(yàn)階段投入的資金非常的高昂，一次大概需要10萬(wàn)元，從設(shè)計(jì)到加工的過(guò)程中走過(guò)的工序差不多就有3000到5000道，而且一次耗費(fèi)的時(shí)間差不多就是一年，在時(shí)間和金錢的制約下，對(duì)于精度的要求是極其的高。

其次，排錯(cuò)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(gè)晶體管，可以被檢測(cè)出的信號(hào)最多也就只有幾百條，能夠看到如果哪條晶體管出了差錯(cuò)，那都是難上加難！

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

目前國(guó)際上生產(chǎn)光刻機(jī)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(jī)公司Mapper正式宣布破產(chǎn)，ASML成為了全球最大的光刻機(jī)設(shè)備和服務(wù)供應(yīng)商，不但占據(jù)了全球光刻機(jī)80%的市場(chǎng)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(jī)的企業(yè)。

一臺(tái)EUV光刻機(jī)售價(jià)超過(guò)1億美元，而且還相當(dāng)不好買。EUV光刻機(jī)年產(chǎn)量不高，從2013年首批2臺(tái)EUV光刻機(jī)量產(chǎn)以來(lái)，到2019年ASML EUV光刻機(jī)預(yù)計(jì)年產(chǎn)量也只有30臺(tái)。

國(guó)內(nèi)也有生產(chǎn)光刻機(jī)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(jī)僅能加工90nm工藝制程芯片，這已經(jīng)是國(guó)產(chǎn)光刻機(jī)最高水平。而ASML已量產(chǎn)7納米制程EUV光刻機(jī)，至少有十幾年的技術(shù)差距。

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

目前 ASML 在中國(guó)客戶有中芯國(guó)際、華虹半導(dǎo)體、長(zhǎng)江存儲(chǔ)、合肥長(zhǎng)鑫、英特爾大連廠、SK海力士西安廠等。就連臺(tái)積電和三星也只能從ASML手中進(jìn)口機(jī)器，全球沒(méi)有一家企業(yè)可以取代他們的地位。

中芯國(guó)際2017年所有利潤(rùn)1.264億美元，一臺(tái)EUV光刻機(jī)幾乎花掉他們整年的盈利。

另外，長(zhǎng)江存儲(chǔ)去年也從ASML買入一臺(tái)浸潤(rùn)式光刻機(jī)，售價(jià)高達(dá)7200萬(wàn)美元。

光刻機(jī)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(guò)掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會(huì)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(shí)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(cè)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(fèi)的資金分?jǐn)偟矫恳黄蟮某杀?，可以?jiǎn)單理解為每一片芯片所用的材料(硅片)的成本。

使用更先進(jìn)的制程會(huì)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(jī)、刻蝕機(jī)、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(huì)因?yàn)檠谀こ杀径^高，只要產(chǎn)量足夠大，比如每年出貨以億計(jì)，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(huì)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(huì)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(guó)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(chǎng)被Wintel壟斷的情況下，自然導(dǎo)致市場(chǎng)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(wèn)題，但在技術(shù)上完全依賴于威盛公司，這樣無(wú)疑提高了成本，加上性能孱弱，不具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)尋求機(jī)會(huì)，產(chǎn)量自然非常有限。

就算拋開(kāi)國(guó)內(nèi)IC設(shè)計(jì)公司和英特爾在設(shè)計(jì)能力的差距不談，單純講制程工藝和產(chǎn)量對(duì)性能和成本的影響，在國(guó)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(jià)格也更貴。

英特爾可以依靠市場(chǎng)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(rùn)，使自己的利潤(rùn)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?yàn)樗麄儧](méi)有芯片發(fā)展的儲(chǔ)備基礎(chǔ)，繼續(xù)往這條路走會(huì)非常吃力，以華為海思就是很好的參考對(duì)象。

華為10年的研發(fā)經(jīng)費(fèi)狂砸了3940個(gè)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(shí)，并不多。

流片費(fèi)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(fèi)用需要1500萬(wàn)美金以上。

而兩年，采用7nm的工藝，流片費(fèi)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(wàn)人民幣。

這里就成本計(jì)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(jì)算，至少差6~7倍。

小米、OPPO要想實(shí)現(xiàn)華為的芯片全景圖，至少需要10年時(shí)間，途中肯定會(huì)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(gòu)成熟的芯片企業(yè)，但這個(gè)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(gòu)。

可喜的是中國(guó)芯片進(jìn)步神速，即將發(fā)布的麒麟990處理器，最大的特點(diǎn)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(dòng)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(guò)采用8nm FinFET 的工藝制程，相比華為稍遜一籌，臺(tái)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(shuō)已經(jīng)具備量產(chǎn)能力。

華叔也希望中國(guó)芯能夠早日崛起，能夠擺脫國(guó)外壟斷的日子，甚至能夠反過(guò)來(lái)去掐國(guó)外的脖子，那才是真的牛。

考慮到5G建設(shè)時(shí)間周期相當(dāng)長(zhǎng)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈將會(huì)有不斷持續(xù)性發(fā)展，帶動(dòng)長(zhǎng)線投資機(jī)會(huì)，這次先介紹部分產(chǎn)業(yè)鏈龍頭。