普通的半導體電路,是用金屬導線把一個個電子元件按照電路圖連接起來。通過調整電路圖、更換新元件,可以對電路進行升級改造,要是哪個元件壞掉了,還可以檢測找出然後拆下更換。
而對於集成電路來說,除了比較小衆的可編程電路以外,大部分主流產品並不適用這樣的辦法,它們是在一整塊硅晶圓的基礎上通過反覆摻雜、多次光/化學蝕刻的方法“整體成型”而來。
晶圓廠生產芯片,需要先把高純度(九個9,雜質僅十億分之一)多晶硅重新融化,通過再結晶技術製備成幾十釐米直徑的單晶硅錠,再將其精細打磨成圓柱後切成一毫米厚的薄片,也就是所謂的硅晶圓。芯片核心的加工製造都是在這塊比鏡子還要光滑平整的薄片上進行的,晶圓廠之名也是由此而來。
硅片是圓形的,芯片核心則是長方形或者正方形,所以cpu、gpu的核心數都是2468的偶數,三核處理器其實是由四核屏蔽較弱一核而來。芯片面積不變,晶圓越大,浪費的邊角料越少,從而可以帶來更好的效益。
不過晶圓越大,對於硅錠製備的要求就越高,即使宇宙最強的牙膏廠目前也只能做到300毫米直徑(理論上限是450毫米)。
另外一方面,在芯片面積不變時,製程工藝提升,可以縮小晶體管的體積和距離,可從而堆砌更多的數量帶來更高的性能,或者性能不變面積縮小,帶來更低的物料成本。同時距離縮小也能夠減少連接電路的電阻,降低芯片的發熱和功耗。
所以每當製程工藝升級,芯片廠家總會拿面積縮小、性能提升、功耗降低這三條亮點說事,有全部提及的,也有任選兩條排列組合的。
只是同樣的,每次製程工藝升級,都會有很長一段時間的磨合期,原料雜質、工藝波動,以及其它能想到的和想不到的原因都有可能導致產品出現瑕疵。
一塊晶圓上有幾百個die(芯片核心),每個die上面有幾十億個晶體管,瑕疵完全無法避免,只能通過修復措施稍做彌補,這也是芯片一類的新聞裡經常提及“良品率”的原因。
芯片封裝前和封裝後都要進行測試,那些完全不合格的自然只能丟棄,然後把成本加在其他合格品上面。有明顯瑕疵的則可以通過屏蔽故障區域、降低技術指標的方法來進行挽救,最終所有合格可以銷售的產品佔原料的比率就是良品率。
這也是爲什麼同一批cpu,有的“體質好”可以長時間超頻,有的卻只能小超一下,有的乾脆連默認頻率都撐不住,只能貼上“賽揚”或者“三核”的標籤往外賣。
手機處理器、內存閃存等芯片產品同樣也有類似的“體質”問題,內存芯片有不同的主頻、閃存芯片有不同的傳輸速度,同一批次的cpu的最大主頻也有差異。只不過因爲手機電池不給力,一般沒誰會給手機的cpu和內存進行超頻,有時候反倒要降頻。
對於晶圓廠來說,隨着生產線的成熟,良品率越來越高,產品的體質自然越來越好。
所以在芯片行業經常有這樣的現象:只要還有足夠訂單,老生產線就不會被關閉。
它們看似落後,實則因爲技術成熟、良品率高的原因而成本低廉,深受那些對產品性能要求不高,卻看中成本和穩定性的廠商的喜愛。
像是intel名下既有全球領先的14納米工廠,也有許多製程落後的工廠,其在馬薩諸塞州的200毫米、130納米工廠更是堅持到今年才被關閉。這些“落後”工廠當然不能用於生產處理器,其主要產品是主板的南北橋芯片。
而且對於intel來說,保留它們也能夠幫助省錢,雖然“牙膏廠”依靠獨步全球的x86cpu大賺特賺,但是其在技術開發方面的投入也是非常巨大的,老工廠只需要開着就能賺錢自然不會第一時間淘汰。
這也是國內的晶圓企業長期虧損的原因,因爲遭受技術封鎖之故只能引進落後技術,但自身初來乍到生產經驗不足,同樣用落後技術生產的產品還是比不過國外同行,人家經驗更豐富、設備折舊壓力小。等到好不容易熬出頭了,落後技術卻已經變成夕陽技術,到了徹底淘汰的地步。
還好的是,手機芯片都是結構簡單重複的日sc精簡架構,生產工藝要求比x86低得多,中芯國際等國內晶圓廠終於在28nm這個階段追上了國際主流水平,此時的先進水平是14/16納米。
蜜蜂對中芯28nm產能一直保持着高度關注,在試產階段就與其合作小批量生產蜂心繫列芯片,只不過正式籤協議委託代工的卻是41x系列的桌面處理器,以及少部分42x低端平板處理器,主要原因就是後者在高性能處理器方面還有一些缺課要補。
雖然在上級的親切關懷下,中芯也拿到過436這枚頂級處理器的生產資料,但是他們的柵極工藝技術畢竟不如臺積電,最終還是被蜜蜂放棄了,末了還被利用了一把成了bp6性能逆襲的墊腳石。
當然,這樣的小心塞還影響不到雙方的合作關係,畢竟蜂心需要中芯的無關稅低成本,中芯也需要蜜蜂的訂單來保證現金流。畢竟獨佔蜜蜂手機、平板和pt三個銷量破千萬大客戶,蜂心的芯片出貨量輕易做到了國內第一。
蜂心公司有馬競這個大掛比在,正是靠着他比上交陳進還要強大的山寨微創新技術,這才能夠異軍突起彎道超車,只用幾年時間走完別人十幾年甚至幾十年的發展道路。
當然,這裡面也有fabless無晶圓廠模式的功勞,這種模式實在太適合馬競開掛了。
要是每家芯片廠商都需要自有fab(晶圓廠),蜜蜂蜂心根本玩不轉,畢竟現在的晶圓廠都是幾百億級別的重資產項目。不止芯片如此,屏幕領域的投資規模也在不斷上漲,蜜蜂引以爲傲的蝴蝶屏,便是他們提供技術和資金,委託其他公司代爲生產的。
這也是蜜蜂從蘋果那裡學來的先進經驗,蘋果的成功便是代工廠模式的成功。因爲蘋果訂單穩定並且出價高,代工廠也是樂此不疲,雖然利潤率和前者相比簡直賣苦力,但總比某些恨不得賣血的工廠要好的多。
只不過這樣也帶來了一個風險,要是他們的技術升級沒有跟上蘋果的腳步,就會被後者無情淘汰出局。
不過大多數時候,領先者只要不行差踏錯基本上很少掉隊,畢竟他們有領先優勢帶來的超額利潤,只要捨得花錢保證優勢還是沒問題的。
三年前,英特爾負責工藝技術部門的高層mark波hr,曾經高調錶示“無晶圓廠模式已經窮途末路”,當時的情況是牙膏廠發佈了第三代酷睿i系列處理器,其使用22nmfinfet(鰭式場效應晶體管)技術製造,性能功耗表現相當出色。
當時那些晶圓代工廠,如臺積電、格羅方德還停留在28納米階段,三星還在32納米階段,一副落後時代,要被世界拋棄的架勢。
結果三年時間過去了,intel在x86pc和服務器領域依舊傲視全球,但pc增長見頂開始逐漸衰退的隱憂變成了現實,而他們開闢第二戰場進軍移動計算的企圖卻是完全破產。
他們的atom處理器因爲x86指令集的原因結構複雜成本過高,只能靠着補貼往外賣,最終虧損70億美元依然沒有看到回本希望,不得不中止補貼換市場計劃。
反倒是被他們瞧不起的三星和臺積電,卻已經陸續攻克了finfet技術難關,三星跳過22/20納米直接推出14nm工藝,臺積電因爲核心人才被三星挖走導致慢一步,如今也有了自己的16nmfinfet工藝
finfet被認爲是芯片製程進入20納米以下的關鍵技術,這是因爲隨着製程工藝達到納米級,分隔各個晶體管的絕緣層只剩下十幾個原子的厚度(硅原子直徑0.22納米),在越來越強的量子隧道效應面前將變得越來越薄弱,而前者可以改善這種現象。
根據量子理論,電子等微觀粒子的運動是隨機的,當阻隔足夠薄弱,電子就可能隨機到另外一邊,宏觀表現就是電流擊穿了絕緣體,因此也被叫做量子隧道效應。
這幾年裡,芯片廠商、晶圓廠都開始強調起各種柵極工藝,乃至3d晶體管技術,固然有手機芯片功耗敏感的因素在,納米時代量子隧穿導致漏電高發纔是根本原因。
finfet是由華裔科學家胡正明早2000年時發明的,本來臺積電挖到胡的學生樑夢鬆擔任研發處處長,不過因爲沒在20nm節點上使用他的技術,後者被野心更大的三星挖走。雖然臺積電後來打贏了競業禁止官司,卻輸了裡子。
另外,臺積電之所以被人戲稱爲臺漏電,就是因爲當初剛進入28nm製程時工藝不夠成熟,有時候在晶體管之間產生未預料的漏電現象導致額外的電力損失,使得產品比預期的費電。好在經過幾次工藝小升級,其28納米制程已經進入成熟期,功耗有了明顯好轉。
正是靠着他們的hpc工藝的加持,蜜蜂bp6才上演了一出跌破眼鏡的好戲,不但把蜜蜂送進了全球智能手機銷量榜前十,也讓蜜蜂系統坐穩了第三大手機系統的位置。
當然,高通好朋友的賣力助攻也是功不可沒,每臺bp6給人家60塊專利費,簡直超值!
不過高寶寶拿了錢,心裡卻是苦的,他自己賣810同樣有專利分成,還有與其高端旗艦身份相稱的價格,還要賺的更多。
說起來,在810的發熱問題上,高通自身有很大責任,當初爲了搶在聯發科前面推出八核64位旗艦,他們直接用了arm的公版高性能a57內核,性能果然碉堡了,功耗也是呵呵噠。
畢竟作爲ip知識產權授權商,arm在設計cpu內核時需要考慮不同領域合作伙伴的需求,導致公版方案往往顯得過於中庸,畢竟他們只是一家千多人的確“小”公司,沒辦法實現面面俱到。
高通現在賣力宣傳的下一代產品820,就用上了自家kryo內核,並且放棄多而無用的八核架構,改成22的四核,代工廠也拋棄了臺積電,轉而使用三星的14nmlpp(低功耗增強)工藝。
臺積電20nm工藝本身就是爲大客戶蘋果廠定做的,radeon(amd的獨顯部門)和女idia寧願繼續用28nm也不用它,高通倒是用了,結果吃了個悶虧,於是憤而磚頭三星半導體的懷抱。
有意思的是,臺積電最近又一次展示出了蘋果神優化的天賦,iphone6s手機發布後的評測顯示,臺積電代工a9的表現比三星14nm工藝的版本要好。高通的820還沒有正式推出,就已經有人因此揶揄他們再次選錯合作伙伴,各種“自己約的o,含着淚也要打完”的段子層出不窮。
倒是蜂心就沒有這方面的困擾,直接聯繫臺積電詢問剩餘產能。
靠着馬競的腦波3d打印技術,蜜蜂早就準備好了下一代的處理器的設計方案,等到三款14/16工藝的soc被推向市場,馬競又從中借鑑了不少思路和經驗,下一代536處理器已經被他“手工”做了出來。
雖然有了成品之後,蜂心還是需要配合臺積電準備幾十gb甚至更多的工藝數據,但是有了明確目標後,總的來說還是要輕鬆不少,536有很大希望成爲a9之後第二款16納米工藝手機芯片。