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標(biāo)題: 芯片規(guī)模越大,，報(bào)廢的可能性也越大 [打印本頁(yè)]
作者: Insigne 時(shí)間: 2023-9-18 09:16
標(biāo)題: 芯片規(guī)模越大，報(bào)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(diǎn)之一,。
A17 Pro采用了臺(tái)積電最新的3nm工藝（N3）制造，晶體管數(shù)量達(dá)到190億,，這是臺(tái)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(chēng)蘋(píng)果原計(jì)劃是在A16上導(dǎo)入這一節(jié)點(diǎn),，換句話說(shuō)N3首發(fā)整整晚了一年。
另外,，一度有消息稱(chēng)蘋(píng)果一度計(jì)劃放棄N3,，理由是其能效不達(dá)標(biāo)，而臺(tái)積電也有意放棄,，猜測(cè)的理由是缺少核心客戶,，而事實(shí)也是如此，包括像AMD,、英偉達(dá),、聯(lián)發(fā)科這些企業(yè)，也確實(shí)都轉(zhuǎn)向了N3E,。
更為反常的是，就在新iPhone發(fā)布前,，一則臺(tái)積電和蘋(píng)果簽訂的“對(duì)賭”協(xié)議將臺(tái)積電推向了輿論的焦點(diǎn),。
協(xié)議規(guī)定，未來(lái)一年臺(tái)積電3nm將只為蘋(píng)果專(zhuān)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(píng)果）埋單，而是由臺(tái)積電自己消化,。據(jù)估計(jì),，僅僅這一項(xiàng)就能為蘋(píng)果節(jié)省幾十億美元的額外費(fèi)用。
這次臺(tái)積電的讓步很不尋常,，因?yàn)樘O(píng)果將獨(dú)占目前最先進(jìn)的臺(tái)積電的3nm工藝長(zhǎng)達(dá)一年的時(shí)間,，這將讓蘋(píng)果的產(chǎn)品更有競(jìng)爭(zhēng)力。為何臺(tái)積電肯打破慣例為蘋(píng)果做出如此大的讓步呢,？
臺(tái)積電為蘋(píng)果代工生產(chǎn)芯片的歷史可以追溯到2014年,，蘋(píng)果將iPhone 6上的A8自研芯片交給臺(tái)積電代工。
彼時(shí),，蘋(píng)果也在三星代工生產(chǎn)芯片,，但因?yàn)殡p方的智能手機(jī)競(jìng)爭(zhēng)、供應(yīng)鏈安全等諸多原因,，蘋(píng)果將越來(lái)越多的芯片交給臺(tái)積電生產(chǎn)�,，F(xiàn)在，蘋(píng)果所有的芯片都由臺(tái)積電代工,，并成為了臺(tái)積電最大的客戶,。
今年6月，蘋(píng)果在發(fā)布頭顯Vision Pro的同時(shí)發(fā)布了兩款高性能的芯片M2 max和M2 ultra,，采用臺(tái)積電增強(qiáng)型5nm工藝制造,。而更早的M1系列芯片也是由臺(tái)積電（標(biāo)準(zhǔn)5nm工藝）加工,。
近10年的磨合，從手機(jī)擴(kuò)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(tái)積電為蘋(píng)果打破慣例的做法,，讓業(yè)界深感意外,。有人說(shuō)臺(tái)積電已被蘋(píng)果精準(zhǔn)“拿捏”：如果不簽這個(gè)協(xié)議，有可能失去這家占臺(tái)積電營(yíng)收1/4的大客戶的訂單,，沒(méi)有哪個(gè)客戶會(huì)像蘋(píng)果那樣能對(duì)頂尖芯片下如此大的訂單,。而如果簽了，A17 Pro芯片將成為臺(tái)積電自己手中的“燙手山芋”,！
A17 Pro 對(duì)比 A16,，來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
接下來(lái)我們會(huì)重點(diǎn)的講一講為什么A17 Pro會(huì)成為“燙手的山芋”，臺(tái)積電又將如何來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,。
這要回到半導(dǎo)體制造業(yè)的一個(gè)基本概念：良率,，即一整片加工出來(lái)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(shí)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(kāi)來(lái),，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(mǎi)單,，制造廠并不承擔(dān)這筆費(fèi)用。但客戶也并非完全承擔(dān)損失,，因?yàn)橛行┎涣夹酒⒎峭耆珘牡袅�,，而只是無(wú)法發(fā)揮100%的設(shè)計(jì)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(huì)挽回一部分損失。
一般來(lái)說(shuō),，半導(dǎo)體制造業(yè)在加工成熟工藝時(shí),，良率能達(dá)到99%以上。業(yè)內(nèi)有消息稱(chēng),，這次臺(tái)積電為蘋(píng)果iPhone15制造的A17 Pro芯片良率很低,，僅達(dá)到了70-80%，換句話說(shuō),，臺(tái)積電要為20%-30%的不良芯片買(mǎi)單,，我們可以大概算一筆賬，看看臺(tái)積電要花費(fèi)多少冤枉錢(qián),。
每片3nm晶圓大約3萬(wàn)美元,，不良率按較低的20%計(jì)算,，每月加工5萬(wàn)片12寸晶圓，那么12個(gè)月臺(tái)積電要為此額外支出費(fèi)用就是36億美元(約合人民幣260億元),，這筆錢(qián)占了2022年臺(tái)積電利潤(rùn)341億美元的10.6%,。
如果上述計(jì)算符合實(shí)際情況，那么如果要扭轉(zhuǎn)這種“巨虧”的局面,，臺(tái)積電唯一能改變的就是良率,。
良率不僅決定臺(tái)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(cè)的節(jié)奏前進(jìn),，甚至決定了芯片是否能發(fā)明出來(lái),。
20世紀(jì)50年代，最有可能發(fā)明芯片的機(jī)構(gòu)是貝爾實(shí)驗(yàn)室,，它勢(shì)力雄厚,，人才濟(jì)濟(jì)，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(kuò)散技術(shù),、硅晶圓拉伸與提純等），但卻完美地錯(cuò)過(guò)了這一載入史冊(cè)的重大發(fā)明,，而將芯片的發(fā)明拱手讓給了當(dāng)時(shí)兩家名不見(jiàn)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(shí)驗(yàn)室當(dāng)時(shí)的研發(fā)主管莫頓認(rèn)為，如果將眾多晶體管集成起來(lái),，那么整體的良率將是每個(gè)晶體管良率的乘積,。假設(shè)一個(gè)晶體管的良率是99%，一顆芯片上有100個(gè)晶體管,，芯片的整體良率將是100個(gè)99%的乘積,，即36%。
如果芯片上有500個(gè)晶體管,，良率將降低到7/1000,。芯片上有1000個(gè)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(bào)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(gè)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,。”后來(lái)當(dāng)大規(guī)模集成電路（Large Scale Integrated-circuits）興起時(shí),，莫頓嘲笑其為“大規(guī)模白癡”（Large Scale Idiot）,。
莫頓的分析看似嚴(yán)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(huì)讓當(dāng)時(shí)微米級(jí)別的晶體管發(fā)生故障,。莫頓認(rèn)為灰塵是平均分布的,，但實(shí)際上并非如此�,？赡苡行﹨^(qū)域沒(méi)有灰塵,，那里的良率可以達(dá)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(gè)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(jì)的那樣接近于零,。
保護(hù)脆弱的硅晶圓
與莫頓的嚴(yán)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(chē)間改成成無(wú)塵的超凈間,，通過(guò)空氣過(guò)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(gè)進(jìn)入超凈間的人都要穿上嚴(yán)密的防護(hù)服（俗稱(chēng)兔子服）,，從頭到腳遮擋起來(lái),，避免毛發(fā)和汗液影響那些脆弱的硅晶圓。
還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,，當(dāng)前先進(jìn)工藝車(chē)間,，幾乎已經(jīng)看不到操作員,，只有機(jī)器人和機(jī)械臂在全自動(dòng)地完成各項(xiàng)操作。
對(duì)良率最有發(fā)言權(quán)的莫過(guò)于臺(tái)積電的創(chuàng)始人張忠謀,。張忠謀早年加入德州儀器時(shí),，負(fù)責(zé)半導(dǎo)體制造業(yè)務(wù)，為IBM代工的電晶體,，當(dāng)時(shí)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(guò)客戶IBM自有產(chǎn)線,。后來(lái)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(wèn)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(jìn)的節(jié)奏,。如果電路設(shè)計(jì)師將晶體管尺寸設(shè)計(jì)得比摩爾定律預(yù)計(jì)得還要小，那么晶圓廠加工困難,，就會(huì)讓良率遭受打擊,，讓成本飆升，蘋(píng)果的A17 Pro,，應(yīng)該屬于這一類(lèi)問(wèn)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(dá)數(shù)萬(wàn)美元,，良率稍有降低,，就會(huì)急劇提升成本,，所以業(yè)界對(duì)良率的追求變得更加急迫。
提高良率的一個(gè)新趨勢(shì)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(yùn)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(píng)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(shuō)是用2.5D封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，所以也就有了“膠水芯片”的外號(hào),。
2個(gè)月前,，有消息稱(chēng)臺(tái)積電3nm工藝的良率僅為55%，最新消息是70-80%,，這是一個(gè)不錯(cuò)的進(jìn)步,。如果在未來(lái)的幾個(gè)月內(nèi)，臺(tái)積電能繼續(xù)將良率提高到90%甚至95%以上,，廢片帶來(lái)的成本問(wèn)題就會(huì)大幅降低,。
假設(shè)3nm的良率能提高到95%，那么臺(tái)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(dá)到98%,，那么臺(tái)積電的額外成本將被進(jìn)一步壓縮到3.6億美元。
那樣的話,，結(jié)論就會(huì)反轉(zhuǎn),，臺(tái)積電由于良率提高而節(jié)省下來(lái)的30多億美元成本將不再是軟肋，而是鎧甲,。
作者: 畫(huà)圖還是畫(huà)圖 時(shí)間: 2023-9-18 10:47
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