不抖机灵！让工程师来告诉你做芯片是如何烧钱的！

杰哥-IC男奋斗史

这是IC男奋斗史的第33篇原创

本文3742字，预计阅读8分钟。
大家应该都知道做芯片是一件非常烧钱的事情。经常看到新闻通稿，某某公司融资了xx亿，外行乍看之下觉得好多钱啊，但实际上可能只够该公司烧一年。那么做芯片到底有多烧钱？钱都花在哪哪些地方了？这篇文章杰哥将从芯片设计公司的角度切入，详细讲解芯片研发与生产的成本结构。文中有很多具体的金额数字，都是杰哥根据自己的经验估算的，可能跟实际情况存在偏差，请大家不必深究，仅供参考。文中如有错误，还请大家批评指正！
前情提示，货币单位为美元的会单独标明，没有标明货币单位的均为人民币。
芯片研发成本
芯片研发成本主要包含IP采购、前端设计、验证、DFT设计、后端设计、封装设计、回片测试以及流片8个部分费用。
IP采购是芯片研发中不可忽视的一个环节。费用模式通常分为一次性授权、产品单独授权，或者两者叠加起来。例如，手机处理器芯片、AI芯片等都需要集成CPU模块，目前国内大部分芯片设计公司都采购Arm的CPU核。
前端设计、验证、DFT设计、后端设计、封装设计支出主要以研发人员的人力投入为主，此外还包含EDA软件的使用费、FPGA和Zebu等验证平台的硬件费用。
回片测试包含测试硬件、RA实验、ATE机台使用以及研发人力投入等成本。
以手机处理器芯片或者AI芯片为例，假设前端设计+验证的时间周期为4个月，平均每个月人力投入为前端20人+验证40人，按照工程师平均每月薪资5万计算（下文所有人力投入都参考这个标准计算），人力支出约为1200万。EDA软件按照60人使用4个月计算，费用约为240万，FPGA和Zebu的硬件费用约为60万。总费用为1500万。
DFT设计+后端设计+封装设计周期为2.5个月，平均每个月人力投入为10+20+10人，人力支出为400万。EDA软件按照40个人使用2.5个月计算，约为100万。总费用为500万。
回片测试中，测试硬件包括CP测试探针卡(2pcs总共200万)、FT测试loadboard+socket+change kit(3套约50万)、SLT测试board+socket+kit(12套约60万)；RA实验整体外包费用约300万；ATE机台使用费约100万；回片测试到release到生产的周期约为6个月，平均每月需要投入3个人力，总支出为90万。总计约800万。
假设AI芯片集成了4个外购IP，研发阶段IP一次性授权按照每个300万计算，总费用约为1200万。
以上研发费用总计约为4000万。
芯片设计外包模式
从前面的分析我们可以看出，芯片研发需要大量的人力投入以及不同团队的分工协作。对于初创企业来说，短期内根本无法搭建芯片研发需要的所有团队。但是为了让第一款产品尽快完成研发并发布到市场，外包出去一部分任务是一个比较好的解决方案。
通常芯片设计外包有以下几种模式：
所有的设计环节全部外包，设计公司只提供产片设计方案与需求文档。但很少有设计公司这么操作；
除了前端设计+验证外，DFT+后端+封装+回片测试全部外包出去。大部分芯片设计初创企业第一款产品都是按照这个模式；
前端+验证+DFT+后端+封装设计全部自己做，回片测试部分外包出去。有一定规模的芯片设计初创企业会选择这个模式；
前端+验证+DFT+后端+封装设计+回片测试全部自己做；
典型的外包厂商例如广东利杨、月芯科技、摩尔精英等，收费模式按照合作模式区分。以其中DFT+后端+封装设计+回片测试外包为例，基本费用约1300万。
是否外包，主要看公司规模和发展阶段。如果是初创企业的第一款芯片研发项目，由于团队研发团队建立需要时间，选择第二种模式是比较合理的。如果企业发展到一定规模，还是应该选择第三种模式或者连回片测试也自己做。
选择第二种模式的优势是，芯片设计服务公司有成熟的研发团队，可以快速支持DFT+后端+回片测试工作，比自己建立团队要节省成本与时间。劣势是合作效率没有公司内部高，供应商支持力度会直接影响项目进度。选择第三种模式的优势是，项目推动全是公司内部，团队合作效率高。劣势是需要建立完整的后端与测试团队，人力成本非常高。
芯片生产成本
芯片生产成本主要包括流片mask、晶圆、CP测试、封装、FT测试、SLT测试以及其他。
1 流片mask成本：一次性费用，按照mask层数计算
在芯片设计完成后，会生产复杂的图形文件，一般来说会有几十层到上百层。这些图形文件需要在光罩厂做Mask（掩膜版）。工艺节点越高，流片价格越贵，因为高工艺需要更多的Mask。例如在16nm制程上，需要大约60张Mask，而7nm可能就需要上百张Mask。
据统计，目前最便宜的ASIC流片成本也需要几十万一次，例如180nm的流片成本大概是50万元，55nm的成本约200万元。但是16nm的成本就飙升到了3000万-5000万元，到了7nm最低也要过亿。所以通常用“千万级乃至上亿”去形容流片成本并不为过。
由于研发阶段流片生产的芯片数量少，成百上千万的掩膜费用平摊到每个芯片来看，成本也极为高昂。但到了量产阶段，尤其是产品的出货量比较大，一次性流片费用平摊到数十万颗芯片上时，相对成本就低了很多。
另外，为了解决高昂的流片价格，业内也演变出两种流片方式，分别是Full Mask和MPW。
MPW（Multi Project Wafer）是很多小设计公司采用的流片方式。简单来说，MPW就是将多个具有相同工艺的集成电路设计放在同一硅片上流片，按面积分摊流片费用。晶圆代工厂每年会在固定时间（大多是Q4）放出次年的MPW计划表，各家公司可以根据自己的需求提供订单。通常来讲，越是先进的工艺，安排的MPW频率越高，较为成熟的工艺安排MPW的频率很低。
据晶圆厂的内部人士透露，先进工艺即55nm以下，通常FAB厂会事先将晶圆划好ABCD等多个区域并报价。各家设计公司根据自己的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，这些不同的项目以不同的LOGO来区分。
Full Mask就是指整个晶圆制造过程中的全部Mask都是为某个芯片所用，显然投片的成本非常高。但是，这种方式可以将流片和后续量产缩短三个月左右时间。在与市场赛跑的过程中，更短的流片周期与生产周期都可以转化为更强的竞争力。
2 晶圆成本：按照出货片数每片计算
晶圆价格也是按照工艺节点区分的。以台积电12寸晶圆(直径300mm)为例，40nm成本每片大约在1500～2000美元，16nm成本每片大约在4000～5000美元之间，7nm成本每片大约在9300美元左右，5nm代工价格约为17000美元，3nm价格预计会达到30000美元左右。
一个FAB lot通常包含25片晶圆。每片晶圆上包含一定数量的相同的晶粒（die），die面积越大，每片wafer上的gross die数量越少，单颗芯片的成本也就越高。以12寸晶圆为例，云端AI芯片每片wafer的gross die数量从几十到几百不等，边缘端AI芯片或者手机处理器芯片每片wafer的gross die数量从几百到上千。
另外单颗芯片的成本还跟良率相关。每片wafer可以产出的良品数量=gross die数量*量产良率，这个量产良率是指CP测试良率、封装良率、FT测试良率与SLT测试良率的乘积。
不同工艺节点的产品量产良率不同，通常工艺节点越先进，良率越低。例如台积电16nm的参考良率为70%～80%之间，7nm的参考良率在20%～30%之间。
所以单颗芯片的晶圆成本 = 每片wafer的价格 / (每片wafer的gross die*量产良率)。
3 CP测试成本：按照每片wafer计算，以ATE测试机时折算成单片wafer的测试成本
以手机处理器芯片或者AI芯片为例，通常CP测试包含2道或者3道测试流程，例如CP1@25C--> CP2@0C-->CP3@85C。CP测试的成本是按照ATE机台的测试费用折算的，例如一片wafer的测试时间分贝是CP1 2hours+CP2 1.5h + CP3 1.5h，总的CP测试时间就是5h。按照ATE机台每小时100美元的使用费用，每片wafer的CP测试费用就是500美元。折算到单颗良品芯片的CP测试成本按照如下公式计算：
单颗芯片的CP测试成本 = 每片wafer的CP测试费用 / (每片wafer的gross die*量产良率)。
4 封装成本：包含基板与封装材料等，按照单颗芯片计算
芯片设计公司通常把封装包括材料与加工费用一起外包给封装厂，封装厂直接按照单颗芯片的封装费用报价。不同的芯片封装类型价格差异较大。通常封装尺寸越大，晶圆工艺越先进，封装费用越高。这是因为封装费用中占主要份额的，其实是基板。基板尺寸越大，费用越高。这是因为尺寸越大，基板消耗的材料越多，加工难度也越大。尤其是大尺寸基板也需要有很好的平整度，这个也是限制基板尺寸最重要的因素。
手机处理器芯片或AI芯片使用的封装形式通常包含FCBGA，FCCSP，CoWoS等。以FCBGA封装为例，42.5*42.5尺寸的封装费用大约在15美元，其中基板是大头，约占12美元；47.5*47.5尺寸封装的费用大约在30美元，其中基板约占25美元。
5 FT测试成本：按照ATE机时折算成单颗芯片费用
FT测试也是按照单颗芯片报价，通常FT测试包含2道或者3道测试流程，例如FT1@25C--> FT2@85C-->FT3@-40C。FT测试的成本是按照ATE机台的测试费用折算的。例如一颗芯片的测试时间分别是FT1 2min+FT2 2min+FT3 2min，总的FT测试时间就是6min，也就是说单site情况下一个小时可以测10颗。按照ATE机台每小时100美元的使用费用，每颗芯片的FT测试费用就是10美元。
6 SLT测试成本：按照handler机时费用折算成单颗芯片费用
SLT测试也是按照单颗芯片报价，通常SLT测试包含1道或者2道测试流程，例如SLT1@25C--> SLT2@85C。SLT测试的成本是按照handler机台的测试费用折算的，例如一颗芯片的测试时间分别是SLT1 20min+SLT2 10min，总的SLT测试时间就是30min。也就是说单site情况下一个小时可以测2颗芯片，如果是12个site每小时就可以测试24颗。按照handler机台每小时60美元的使用费用，每颗芯片的SLT测试费用就是2.5美元。
7 其他成本包括外观检测、包装与运输以及仓库存储等
外观检测：leadscan机台扫描，人工目检，按照单颗报价；
包装：包含tray，铝箔袋，纸盒，纸箱，干燥机，抽真空，湿度卡；
仓库存储：与库存周期相关，库存周期越长，成本越高；
通常这三项成本加起来，平均到每颗芯片的价格不会超过1美元。
以上就是一颗芯片从设计到量产投放市场加起来的所有费用。粗略算算，一亿人民币也就是洒洒水而已啦！所以，杰哥真心佩服做芯片创业的老板们，承受的压力远超其他行业，毕竟做芯片是如此地烧钱。
全文完。