半导体设计公司的固定成本飙升

掩膜组、芯片验证（Verification）与验实（Validation）让半导体设计公司的固定成本飙升。

我们正处于半导体设计的复兴之中。世界上几乎每家大公司都有自己的芯片战略，因为它们都试图实现垂直整合。半导体行业有比以往更多的芯片初创公司，该行业已经不再是把英特尔 CPU 应用在一切场景的时代了。随着摩尔定律的放缓，设计正涌向异构架构，这些架构更适合其特定任务。如果解决了软件挑战，专业化芯片的性能将大大优于 CPU，但这种专业化策略也有不利的一面。固定成本正在爆炸式增长，导致设计公司的数量大幅下降。半导体是一个规模经济的行业，随着每一代新技术的发展，这一特点变得越来越明显。

晶圆制造是一个用光刻定义特征随后通过沉积、蚀刻和其他工艺步骤构建特征的过程。前沿的半导体制造涉及使用 60 多个独特的光刻层和伴随的步骤。这些光刻层中的每一层都需要一个独特的光掩模。所有掩模的集合称为掩模组。这些光掩模组将设计从芯片架构师转变为物理特征。用大多数外行的话来说，掩模组可以被认为是一组包含芯片设计的模板。每个独特的芯片设计都需要自己的掩模组。

有许多技术手段被用来降低设计该芯片的成本，但将一个设计推向市场的最大成本来自于掩模组的成本。在 90nm 到 45nm 的代工工艺节点上，掩模组的成本约为数十万美元。在 28nm 时，它超过了 100 万美元。对于 7nm，成本增加超过 1000 万美元，而现在，随着代工厂跨越 3nm 的障碍，掩模组成本将开始推向 5000 万美元。

晶圆价格正在上涨，但掩模组的成本增长得更快。来自 IC Knowledge 的上图说明了这个难题。跨工艺技术时代的芯片的产量必须显着提高，才能利用晶体管缩小带来的经济效益。

一些人认为晶体管成本在 28nm、7nm、5nm 等各种工艺节点停止下降。声称晶体管成本已经停止下降并开始增加的人数似乎以比摩尔定律速度快一倍。需要明确的是，即使在 5nm 甚至 3nm ，每个晶体管的成本也会继续下降，但这仅是对于拥有大量芯片出货的企业来说的。芯片设计很昂贵但也没有IDC和麦肯锡所说的那么贵，下面是他们的总结的表格。

多家芯片在台积电 7nm 节点流片了 5000 万至 7500 万美元的芯片的初创公司表示，他们的成本包括他们的整个软件、设计和流片成本，这些成本将根据制造的芯片类型而有很大差异。

随着行业在工艺技术方面的进步，成本不断增加。更多的公司将没有足够高的产量来摊销与掩模组相关的固定成本，以利用每晶体管成本的提高。

刚刚开始设计芯片业务的初创公司和非半导体公司不仅要应对达到更高水平的收支平衡，还必须应对巨大的风险。最大的单项成本是设计验证和验实。如果验证和验实流程达不到要求，公司将面临大量产品延迟的风险。这些问题也会发生在业内最领先的企业身上。

英特尔在制程技术方面落后，如果英特尔能够快速提升节点，intel 4 和 3 制程节点可能会与台积电的最佳节点竞争。即使英特尔在制程技术上与台积电相提并论，他们还有其他可能被证明无法克服的障碍。目前来看英特尔面临的最大问题是他们的设计验证和验实流程。为了说明，让我们看一下英特尔的数据中心芯片。

英特尔目前的服务器芯片 Ice Lake 于 2018 年 12 月首次披露。产品发布时间为 2021 年 4 月，直到 2021 年第三季度/第四季度才开始量产。英特尔可能在 2018 年初首次将Ice Lake的数据写入（聚合 IP 以开始制作掩模组）。在tape-in之后，英特尔完成了这些晶圆并封装了芯片，并于 2018 年底开始测试。这是该芯片的第一次运行，但 Ice Lake 需要许多新的试用才能完全发挥作用。每次新的测试都需要至少一些新的掩模，这进一步增加了开发成本。

英特尔的下一代服务器芯片 Sapphire Rapids 在验证和验证方面也面临着类似的问题。Sapphire Rapids 设计的第一个版本于 2020 年 6 月启动。现在，在 2022 年年中，英特尔仍在修改设计和掩模组，因为他们在设计早期没有发现问题。这主要是由于验证和验实问题。Sapphire Rapids 似乎将在 2022 年晚些时候推出，但现在预计将在 2023 年初实现销量增长。

英特尔的验证和验实问题大大增加了成本并延长了时间。对英特尔来说，不得不修改掩膜对成本来说并不是一个大问题，因为它们出货的数量很大，但延迟对其竞争力非常有影响。每个新版本都需要至少一些新的掩模，通过晶圆厂运行晶圆并封装芯片。这个过程需要几个月的时间。根据Angstronomics的说法，对于 IceLake，英特尔需要六个版本才能发布，而 Sapphire Rapids 看起来需要七个版本。

相比之下，在 AMD 和英伟达等行业中被认为是最好的领先设计公司只需要一小部分时间。众所周知，英伟达拥有非常广泛的自定义模拟、验证和验实流程，在许多情况下甚至需要不到一年的时间。英特尔可以承受这些问题，因为它们是如此强大，即使这是导致它们业务下滑的原因。不过，英特尔也已经在努力检修和解决这个问题。现在想象一下，如果一家非半导体公司或全新的芯片设计团队失败了，什么会发生在他们身上。这些延迟可能会扼杀一个特定的芯片项目，比如 Meta 和微软曾遭遇的。这些延迟甚至可能扼杀整个公司或战略。尽管半导体设计复兴的蓬勃发展，但这个过程不会一帆风顺。

更多成熟的公司可能会有一些完全垂直的设计，但他们也会转向与博通、Marvell、英特尔、AMD 等公司的半定制交易。由于预算更加有限，初创企业的情况要艰难得多。AI芯片初创公司可能是成本问题首先造成影响的地方。多家知名人工智能初创公司已经裁员，而这仅仅是个开始。

尽管如此，仍有许多初创公司会蓬勃发展。但需要知道的事，芯片设计是一个非常高风险的游戏。

审核编辑 ：李倩