機械社區(qū)
標(biāo)題: 芯片規(guī)模越大,，報廢的可能性也越大 [打印本頁]
作者: Insigne 時間: 2023-9-18 09:16
標(biāo)題: 芯片規(guī)模越大，報廢的可能性也越大
iPhone 15和iPhone 15 Pro系列正式亮相,，“超大杯”的核心芯片A17 Pro成為今年的亮點之一,。
A17 Pro采用了臺積電最新的3nm工藝（N3）制造，晶體管數(shù)量達到190億,，這是臺積電3nm工藝首次應(yīng)用在頂尖芯片上,，而3nm工藝將比5nm工藝的晶體管密度多70%、同等功耗下速度可提升15%,，或者同等速度下功耗降低30%,。
盡管A17 Pro首發(fā)了N3工藝,，但是它的誕生并非一帆風(fēng)順,，首先是延期。
有消息稱蘋果原計劃是在A16上導(dǎo)入這一節(jié)點,，換句話說N3首發(fā)整整晚了一年,。
另外，一度有消息稱蘋果一度計劃放棄N3,，理由是其能效不達標(biāo),，而臺積電也有意放棄，猜測的理由是缺少核心客戶,，而事實也是如此,，包括像AMD、英偉達,、聯(lián)發(fā)科這些企業(yè),，也確實都轉(zhuǎn)向了N3E。
更為反常的是,，就在新iPhone發(fā)布前,，一則臺積電和蘋果簽訂的“對賭”協(xié)議將臺積電推向了輿論的焦點。
協(xié)議規(guī)定,，未來一年臺積電3nm將只為蘋果專用,，如果生產(chǎn)的芯片中有不良的廢片,，將不再按業(yè)界慣例由客戶（即蘋果）埋單，而是由臺積電自己消化,。據(jù)估計,，僅僅這一項就能為蘋果節(jié)省幾十億美元的額外費用。
這次臺積電的讓步很不尋常,，因為蘋果將獨占目前最先進的臺積電的3nm工藝長達一年的時間,，這將讓蘋果的產(chǎn)品更有競爭力。為何臺積電肯打破慣例為蘋果做出如此大的讓步呢,？
臺積電為蘋果代工生產(chǎn)芯片的歷史可以追溯到2014年,，蘋果將iPhone 6上的A8自研芯片交給臺積電代工。
彼時,，蘋果也在三星代工生產(chǎn)芯片,，但因為雙方的智能手機競爭、供應(yīng)鏈安全等諸多原因,，蘋果將越來越多的芯片交給臺積電生產(chǎn)�,，F(xiàn)在，蘋果所有的芯片都由臺積電代工,，并成為了臺積電最大的客戶,。
今年6月，蘋果在發(fā)布頭顯Vision Pro的同時發(fā)布了兩款高性能的芯片M2 max和M2 ultra,，采用臺積電增強型5nm工藝制造,。而更早的M1系列芯片也是由臺積電（標(biāo)準(zhǔn)5nm工藝）加工。
近10年的磨合,，從手機擴展到最前沿的XR設(shè)備,，兩家公司已經(jīng)深度綁定，難以分割,。
“廢片”與260億元的難題
而此次臺積電為蘋果打破慣例的做法,，讓業(yè)界深感意外。有人說臺積電已被蘋果精準(zhǔn)“拿捏”：如果不簽這個協(xié)議,，有可能失去這家占臺積電營收1/4的大客戶的訂單,，沒有哪個客戶會像蘋果那樣能對頂尖芯片下如此大的訂單。而如果簽了,，A17 Pro芯片將成為臺積電自己手中的“燙手山芋”,！
A17 Pro 對比 A16，來源：網(wǎng)絡(luò)
接下來我們會重點的講一講為什么A17 Pro會成為“燙手的山芋”,，臺積電又將如何來解決這個問題,。
這要回到半導(dǎo)體制造業(yè)的一個基本概念：良率，即一整片加工出來的晶圓上能正常工作的芯片的占比。一塊晶圓片上可以同時制造數(shù)百顆同樣的裸芯片,，之后將晶圓片上的裸芯片切割開來,，封裝后安裝到電子產(chǎn)品上。
根據(jù)業(yè)界慣例,，晶圓上的不良芯片將由客戶買單,，制造廠并不承擔(dān)這筆費用。但客戶也并非完全承擔(dān)損失,，因為有些不良芯片并非完全壞掉了,，而只是無法發(fā)揮100%的設(shè)計性能。只需降低芯片工作頻率,，其中一部分不良芯片還是可以在低端產(chǎn)品上繼續(xù)使用的,，這樣客戶也會挽回一部分損失。
一般來說,，半導(dǎo)體制造業(yè)在加工成熟工藝時,，良率能達到99%以上。業(yè)內(nèi)有消息稱,，這次臺積電為蘋果iPhone15制造的A17 Pro芯片良率很低,，僅達到了70-80%，換句話說,，臺積電要為20%-30%的不良芯片買單,，我們可以大概算一筆賬，看看臺積電要花費多少冤枉錢,。
每片3nm晶圓大約3萬美元,，不良率按較低的20%計算，每月加工5萬片12寸晶圓,，那么12個月臺積電要為此額外支出費用就是36億美元(約合人民幣260億元),，這筆錢占了2022年臺積電利潤341億美元的10.6%。
如果上述計算符合實際情況,，那么如果要扭轉(zhuǎn)這種“巨虧”的局面，臺積電唯一能改變的就是良率,。
良率不僅決定臺積電這一家企業(yè)盈虧,，也決定了芯片行業(yè)能否按照摩爾定律預(yù)測的節(jié)奏前進，甚至決定了芯片是否能發(fā)明出來,。
20世紀50年代,，最有可能發(fā)明芯片的機構(gòu)是貝爾實驗室，它勢力雄厚,，人才濟濟,，更重要的是，它擁有發(fā)明芯片技術(shù)所需的幾乎全部基礎(chǔ)技術(shù)（硅晶體管,、光刻,、擴散技術(shù),、硅晶圓拉伸與提純等），但卻完美地錯過了這一載入史冊的重大發(fā)明,，而將芯片的發(fā)明拱手讓給了當(dāng)時兩家名不見經(jīng)傳的小公司：德州儀器和仙童半導(dǎo)體,。
何以至此？從中作梗的,，正是良率,。
貝爾實驗室當(dāng)時的研發(fā)主管莫頓認為，如果將眾多晶體管集成起來,，那么整體的良率將是每個晶體管良率的乘積,。假設(shè)一個晶體管的良率是99%，一顆芯片上有100個晶體管,，芯片的整體良率將是100個99%的乘積,，即36%。
如果芯片上有500個晶體管,，良率將降低到7/1000,。芯片上有1000個晶體管呢？良率將再次降低到4/100000,，幾乎等于0,。這意味著，芯片規(guī)模越大,，報廢的可能性也越大,，就越虧本。
莫頓的同事坦嫩鮑姆也舉了一個形象的例子,，“你向芯片籃子里放的雞蛋越多,，就越有可能碰到一顆壞的蛋�,！焙髞懋�(dāng)大規(guī)模集成電路（Large Scale Integrated-circuits）興起時,，莫頓嘲笑其為“大規(guī)模白癡”（Large Scale Idiot）。
莫頓的分析看似嚴密,，但真的如此嗎,？
早期影響芯片良率的主要因素之一是空氣中的灰塵。 當(dāng)微米尺寸的灰塵落到晶圓表面,，就會讓當(dāng)時微米級別的晶體管發(fā)生故障,。莫頓認為灰塵是平均分布的，但實際上并非如此,�,？赡苡行﹨^(qū)域沒有灰塵，那里的良率可以達到100%。如果把灰塵顆粒比作射出的箭,，將硅晶圓比作靶子,，晶體管比作靶心，尺寸越小,，被灰塵“擊中”的概率越低,。由于灰塵可能較大，一次損壞多個晶體管,，但它們同屬于一顆裸芯片,，所以只有這一顆芯片被損壞，其他位置的芯片還是好的,。這樣芯片的良率不是像莫頓估計的那樣接近于零,。
保護脆弱的硅晶圓
與莫頓的嚴密思維相反，那些“不信邪”的小公司德州儀器和仙童半導(dǎo)體等,，不斷地探索提高芯片良率的方法,。
早先，制造廠將芯片制造車間改成成無塵的超凈間,，通過空氣過濾系統(tǒng)使得超凈間比醫(yī)院的手術(shù)室還要干凈1000倍以上,。而且，每個進入超凈間的人都要穿上嚴密的防護服（俗稱兔子服）,，從頭到腳遮擋起來,，避免毛發(fā)和汗液影響那些脆弱的硅晶圓。
還遠遠不夠,，當(dāng)前先進工藝車間,，幾乎已經(jīng)看不到操作員，只有機器人和機械臂在全自動地完成各項操作,。
對良率最有發(fā)言權(quán)的莫過于臺積電的創(chuàng)始人張忠謀,。張忠謀早年加入德州儀器時，負責(zé)半導(dǎo)體制造業(yè)務(wù),，為IBM代工的電晶體,，當(dāng)時的良率只有2%-3%，而在張忠謀的操刀之下,，這一良率提升至20%以上,，超過客戶IBM自有產(chǎn)線。后來張忠謀回憶,，自己“立了大功，被公司送到斯坦福念博士”,，解決良率問題,，應(yīng)是其在德州儀器“大功”之一。
良率還關(guān)乎摩爾定律前進的節(jié)奏。如果電路設(shè)計師將晶體管尺寸設(shè)計得比摩爾定律預(yù)計得還要小,，那么晶圓廠加工困難,，就會讓良率遭受打擊，讓成本飆升,，蘋果的A17 Pro,，應(yīng)該屬于這一類問題。
所以芯片更新?lián)Q代并不是越快越好,，而是要符合成本最低的原則,。可以這樣理解,，良率決定了芯片的成本,，而成本下降的速度決定了芯片更新?lián)Q代的快慢，即摩爾定律的節(jié)奏,。
當(dāng)前,，一整塊制成的晶圓已經(jīng)高達數(shù)萬美元，良率稍有降低,，就會急劇提升成本,，所以業(yè)界對良率的追求變得更加急迫。
提高良率的一個新趨勢是采用更小的裸芯片,。還是射箭的例子,，如果將中10環(huán)靶心比作裸芯片，同樣的,，裸芯片面積越小,，被損害的概率也越小，小芯片技術(shù)（chiplet）應(yīng)運而生——將一大塊裸芯片拆分成許多小芯片,，讓每顆小芯片的面積更小,，良率提高。然后再將許多小芯片在硅晶圓以及基板上封裝在一起,，做出一塊更大的芯片,。
今年6月蘋果發(fā)布的M2 Ultra就是用兩塊較小的M2 Max芯片拼在一起，確切地說是用2.5D封裝技術(shù)實現(xiàn)的,，所以也就有了“膠水芯片”的外號,。
2個月前，有消息稱臺積電3nm工藝的良率僅為55%,，最新消息是70-80%,，這是一個不錯的進步。如果在未來的幾個月內(nèi),，臺積電能繼續(xù)將良率提高到90%甚至95%以上,，廢片帶來的成本問題就會大幅降低,。
假設(shè)3nm的良率能提高到95%，那么臺積電需要額外支付的成本將從36億美元降低到9億美元,。如果良率達到98%,，那么臺積電的額外成本將被進一步壓縮到3.6億美元。
那樣的話,，結(jié)論就會反轉(zhuǎn),，臺積電由于良率提高而節(jié)省下來的30多億美元成本將不再是軟肋，而是鎧甲,。
作者: 畫圖還是畫圖 時間: 2023-9-18 10:47
正常,收益越大,風(fēng)險越高!亙古不變
| 歡迎光臨 機械社區(qū) (http://giwivy.com.cn/) |
Powered by Discuz! X3.4 |