| 集成电路产业的特色是赢者通吃，像Intel这样的巨头，巅峰时期的利润可以高达60%。 那么，相对应动辄几百、上千元的CPU，它的实际成本到底是多少呢？ 芯片的硬件成本构成 芯片的成本包括芯片的硬件成本和芯片的设计成本。 芯片硬件成本包括晶片成本+掩膜成本+测试成本+封装成本四部分（像ARM阵营的IC设计公司要支付给ARM设计研发费以及每一片芯片的版税，但笔者这里主要描述自主CPU和Intel这样的巨头，将购买IP的成本省去），而且还要除去那些测试封装废片。 用公式表达为： 芯片硬件成本=（晶片成本+测试成本+封装成本+掩膜成本）/ 最终成品率 对上述名称做一个简单的解释，方便普通群众理解，懂行的可以跳过。 从二氧化硅到市场上出售的芯片，要经过制取工业硅、制取电子硅、再进行切割打磨制取晶圆。晶圆是制造芯片的原材料，晶片成本可以理解为每一片芯片所用的材料（硅片）的成本。一般情况下，特别是产量足够大，而且拥有自主知识产权，以亿为单位量产来计算的话，晶片成本占比最高。不过也有例外，在接下来的封装成本中介绍奇葩的例子。 封装是将基片、内核、散热片堆叠在一起，就形成了大家日常见到的CPU，封装成本就是这个过程所需要的资金。在产量巨大的一般情况下，封装成本一般占硬件成本的5%-25%左右，不过IBM的有些芯片封装成本占总成本一半左右，据说最高的曾达到过70%...... 测试可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如将一堆芯片分门别类为：I5 4460、I5 4590、I5 4690、I5 4690K等，之后Intel就可以根据不同的等级，开出不同的售价。不过，如果芯片产量足够大的话，测试成本可以忽略不计。 掩膜成本就是采用不同的制程工艺所需要的成本，像40/28nm的工艺已经非常成熟，成本也低——40nm低功耗工艺的掩膜成本为200万美元；28nm SOI工艺为400万美元；28nm HKMG成本为600万美元。  光刻机掩膜台曝光 不过，在先进的制程工艺问世之初，耗费则颇为不菲——在2014年刚出现14nm制程时，其掩膜成本为3亿美元（随着时间的推移和台积电、三星掌握14/16nm制程，现在的价格应该不会这么贵）；而Intel正在研发的10nm制程。根据Intel官方估算，掩膜成本至少需要10亿美元。不过如果芯片以亿为单位量产的话（貌似苹果每年手机+平板的出货量上亿），即便掩膜成本高达10亿美元，分摊到每一片芯片上，其成本也就10美元。而这从另一方面折射出为何像苹果这样的巨头采用台积电、三星最先进，也是最贵的制程工艺，依旧能赚大钱，这就是为什么IC设计具有赢者通吃的特性。像代工厂要进行的光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试等步骤需要的成本，以及光刻机、刻蚀机、减薄机、划片机、装片机、引线键合机、倒装机等制造设备折旧成本都被算进测试成本、封装成本、掩膜成本中，就没有必要另行计算了。  晶圆 晶片的成本由于在将晶圆加工、切割成晶片的时候，并不是能保证100%利用率的，因而存在一个成品率的问题，所以晶片的成本用公式表示就是： 晶片的成本=晶圆的成本/（每片晶圆的晶片数*晶片成品率）  每个晶圆的晶片数=（晶圆的面积/晶片的面积）-（晶圆的周长/（2*晶片面积）的开方数） 晶片的成品率和工艺复杂度、单位面积的缺陷数息息相关，晶片的成品率用公司表达为： 晶片的成品率=（1+B*晶片成本/A）的(-A次方) A是工艺复杂度，比如某采用40nm低功耗工艺的自主CPU-X的复杂度为2～3之间； B是单位面积的缺陷数，采用40nm制程的自主CPU-X的单位面积的缺陷数值为0.4～0.6之间。 假设自主CPU-X的长约为15.8mm，宽约为12.8mm，（长宽比为37:30，控制一个四核芯片的长宽比在这个比例可不容易）面积约为200平方毫米（为方便计算把零头去掉了）。一个12寸的晶圆有7万平方毫米左右，于是一个晶圆可以放299个自主CPU-X,晶片成品率的公式中，将a=3，b=0.5带入进行计算，晶片成品率为49%，也就是说一个12寸晶圆可以搞出146个好芯片，而一片十二寸晶圆的价格为4000美元，分摊到每一片晶片上，成本为28美元。 芯片硬件成本计算 封装和测试的成本这个没有具体的公式，只是测试的价格大致和针脚数的二次方成正比，封装的成本大致和针脚乘功耗的三次方成正比......如果CPU-X采用40nm低功耗工艺的自主芯片，其测试成本约为2美元，封装成本约为6美元。   芯片的封装形式，以上两图都较为古老了 因40nm低功耗工艺掩膜成本为200万美元，如果该自主CPU-X的销量达到10万片，则掩膜成本为20美元，将测试成本=2美元，封装成本=6美元，晶片成本=28美元代入公式，则芯片硬件成本=（20+2+6）/0.49+28=85美元 自主CPU-X的硬件成本为85美元。 如果自主CPU-Y采用28nm SOI工艺，芯片面积估算为140平方毫米，则可以切割出495个CPU，由于28nm和40nm工艺一样，都属于非常成熟的技术，切割成本的影响微乎其微，因此晶圆价格可以依旧以4000万美元计算，晶片成品率同样以49%的来计算，一个12寸晶圆可以切割出242片晶片，每一片晶片的成本为16美元。 如果自主CPU-X产量为10万，则掩膜成本为40美元，按照封装测试约占芯片总成本的20%、晶片成品率为49%来计算，芯片的硬件成本为122美元。 如果该自主芯片产量为100万，则掩膜成本为4美元，按照封装测试约占芯片总成本的20%来，最终良品率为49%计算，芯片的硬件成本为30美元。 如果该自主芯片产量为1000万，则掩膜成本为0.4美元，照封装测试约占芯片总成本的20%来，最终良品率为49%计算，芯片的硬件成本21美元。 显而易见，在相同的产量下，使用更先进的制程工艺会使芯片硬件成本有所增加，但只要产量足够大，原本高昂的成本就可以被巨大的数量平摊，芯片的成本就可以大幅降低。 芯片的定价 硬件成本比较好明确，但设计成本就比较复杂了。这当中既包括工程师的工资、EDA等开发工具的费用、设备费用、场地费用等等......另外，还有一大块是IP费用——如果是自主CPU到还好（某自主微结构可以做的不含第三方IP），如果是ARM阵营IC设计公司，需要大量外购IP，这些IP价格昂贵，因此不太好将国内外各家IC设计公司在设计上的成本具体统一量化。 按国际通用的低盈利芯片设计公司的定价策略8：20定价法，也就是硬件成本为8的情况下，定价为20，自主CPU-X在产量为10万片的情况下售价为212美元。别觉得这个定价高，其实已经很低了，Intel一般定价策略为8：35，AMD历史上曾达到过8：50...... 在产量为10万片的情况下，自主CPU-Y也采用8：20定价法，其售价为305美元； 在产量为100万的情况下，自主CPU-Y也采用8：20定价法，其售价为75美元； 在产量为1000万的情况下，自主CPU-Y也采用8：20定价法，其售价为52.5美元。 由此可见，要降低CPU的成本/售价，产量至关重要，而这也是Intel、苹果能采用相对而昂贵的制程工艺，又能攫取超额利润的关键。 编者注：以上提到的芯片硬件成本这里仅做综述开篇，后续雷锋网(搜索“雷锋网”公众号关注)会继续刊载芯片成本系列文章——“芯片为什么那么贵”，对硬件成本和设计成本的各个环节进行详细解读梳理。 |
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