我們正處于半導體設計的復興之中。世界上幾乎每家大公司都有自己的硅戰(zhàn)略，因為它們試圖實現垂直整合。也有比以往更多的芯片初創(chuàng)公司。該行業(yè)正在迅速從使用英特爾 CPU 轉變?yōu)橐磺小?br/>
隨著摩爾定律的放緩，設計正涌向異構架構，這些架構更適合其特定任務。如果解決了軟件挑戰(zhàn)，專業(yè)化芯片的性能將大大優(yōu)于 CPU，但這種專業(yè)化策略也有不利的一面。固定成本正在爆炸式增長，并且這些設計的數量大幅下降。半導體是一個規(guī)模經濟的行業(yè)，隨著每一代新技術的發(fā)展，這一點變得越來越明顯。
晶圓制造是一個通過光刻定義特征并通過沉積、蝕刻和其他工藝步驟構建特征的循環(huán)。半導體的前沿涉及使用 60 多個獨特的光刻層和伴隨的步驟。這些層中的每一層都需要一個獨特的光掩模。所有掩碼的集合稱為掩碼集（mask set）。這些光掩模組將設計從芯片架構師轉變?yōu)槲锢硖卣鳌Ｓ么蠖鄶低庑械脑拋碚f，掩模組可以被認為是一組包含芯片設計的模板。每個獨特的芯片設計都需要自己的掩模組。
有許多巧妙的技巧被用來降低設計該芯片的成本，但將該設計推向市場的最大障礙是掩模組的成本。在 90nm 到 45nm 的代工工藝節(jié)點上，掩模組的成本約為數十萬美元。在 28nm 時，它超過了 100 萬美元。對于 7nm，成本增加超過 1000 萬美元，而現在，隨著我們跨越 3nm 的障礙，掩模組將開始推向 5000 萬美元的范圍。
晶圓價格正在上漲，但掩模組的成本增長得更快。來自 IC Knowledge 的上圖說明了這個難題。跨工藝技術時代的產量必須顯著提高，才能利用晶體管縮小帶來的經濟改善。
有些人的印象是晶體管成本在 28nm、7nm、5nm 等各種工藝節(jié)點停止下降。聲稱晶體管成本已經停止下降并開始增加的人數似乎比摩爾定律快了一倍。需要明確的是，即使在 5nm 甚至 3nm 代工廠，每個晶體管的成本也會繼續(xù)下降，但這歸咎于那些擁有大晶圓量的企業(yè)。芯片設計很昂貴，但與 IDC 和麥肯錫所聲稱的相差甚遠。請參閱下面的錯誤圖表。
我們與多家芯片初創(chuàng)公司合作，他們在臺積電 7nm 上創(chuàng)造了 5000 萬至 7500 萬美元的領先芯片。該成本包括他們的整個軟件、設計和流片成本。這些成本將根據制造的芯片類型而有很大差異。
隨著行業(yè)在工藝技術方面的進步，成本不斷增加。更多的公司將沒有足夠高的產量來攤銷與掩模組相關的固定成本，以利用每晶體管成本的提高。
剛剛開始設計芯片之旅的初創(chuàng)公司和非半導體公司不僅要應對達到更高水平的收支平衡，還必須應對巨大的風險。最大的單項成本是design validation和verification。如果validation和verification pipelines達不到要求，公司將面臨大量產品延遲的風險。這些問題也適用于業(yè)內最大的企業(yè)。
英特爾在制程技術方面落后，但隨著臺積電在 3nm 上的進展緩慢（ stumbles ），如果英特爾能夠快速提升節(jié)點，Intel 4 和 3 制程節(jié)點可能會與臺積電的最佳節(jié)點競爭。即使英特爾在制程技術上與臺積電相提并論，他們還有其他可能被證明無法克服的障礙。在我們看來，英特爾面臨的最大問題是他們的design validation和verification流程。為了演示，讓我們看一下英特爾的數據中心芯片。
英特爾目前的服務器芯片 Ice Lake 于 2018 年 12 月首次上電。產品發(fā)布時間為 2021 年 4 月，直到 2021 年第三季度/第四季度才開始量產。英特爾可能首先在2018 年初為 Icelake 提供流片（聚合 IP 開始制作掩模組）。在tape-in 之后，tape out 是指第一批晶圓使用新創(chuàng)建的掩模組通過晶圓廠。英特爾完成了這些晶圓并封裝了芯片，并于 2018 年底開始測試。這是該芯片的第一次spin ，但 Ice Lake 需要許多新的spin 才能完全發(fā)揮作用。每次新的spin 都需要至少一些新的掩模，進一步增加了開發(fā)成本。
英特爾的下一代服務器芯片 Sapphire Rapids 在validation和verification方面也面臨著類似的問題。Sapphire Rapids 設計的第一個版本于 2020 年 6 月啟動。現在，在 2022 年年中，英特爾仍在修改設計和掩模組，因為他們在設計早期沒有發(fā)現問題。這主要是由于validation和verification問題。Sapphire Rapids 似乎將在 2022 年晚些時候推出，但現在預計將在 2023 年初實現銷量增長。
英特爾的validation和verification問題大大增加了成本并延長了時間。對英特爾來說，不得不修改掩碼對成本來說并不是一個大問題，因為它們的數量很大，但延遲對其競爭力非常有影響。每個新版本都需要至少一些新的掩模，通過晶圓廠運行晶圓并封裝芯片。這個過程需要幾個月的時間。根據我們在Angstronomics的朋友的說法，對于 Ice Lake，它需要 Intel 6 版本才能發(fā)布，而 Sapphire Rapids 看起來需要 7版本。
相比之下，在 AMD 和 Nvidia 等行業(yè)中被認為是最好的領先設計公司只需要一小部分時間。他們都只需要一小部分時間。眾所周知，Nvidia 擁有非常廣泛的自定義模擬、驗證和驗證流程，在許多情況下甚至需要不到一年的時間。英特爾可以承受這些問題，因為它們是如此強大，即使這是導致它們落后的原因。有巨大的努力來檢修和解決這個問題，我們希望英特爾能夠做到，但這是一個很大程度的懷疑。
現在想象一下，如果一家非半導體公司的初創(chuàng)公司或全新的芯片設計團隊跌倒了，他們會發(fā)生什么。這些延遲可能會扼殺一個特定的芯片項目，比如 Meta 和微軟。這些延遲甚至可能扼殺整個公司或戰(zhàn)略。隨著半導體設計復興的蓬勃發(fā)展，它不會一帆風順。
失敗的設計將有一條散落的路徑。更多成熟的公司可能會有一些完全垂直的設計，但他們也會轉向與博通、Marvell、英特爾、AMD 等公司的半定制交易。由于預算更加有限，初創(chuàng)企業(yè)的情況要艱難得多。我們認為 AI 芯片初創(chuàng)公司的洪流很可能是它首先出現的地方。多家知名人工智能初創(chuàng)公司已經裁員，而這僅僅是個開始。盡管如此，仍有許多初創(chuàng)公司會蓬勃發(fā)展并賺很多錢。
毫無疑問，這是一個非常高風險的游戲。
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