芯片，遇到難題

作者：九林

最近，semiengineering的文章指出，由于復(fù)雜性不斷上升，芯片制造從單片芯片轉(zhuǎn)向多芯片組件，需要進(jìn)行更多次迭代，以及定制化程度不斷提高導(dǎo)致設(shè)計(jì)和驗(yàn)證更加耗時(shí)，首次流片的成功率正在急劇下降。

從西門(mén)子提供的數(shù)據(jù)看，半導(dǎo)體行業(yè)首次流片的成功率已經(jīng)達(dá)到了歷史低點(diǎn)。此外，隨著2nm的到來(lái)，先進(jìn)制程工藝下的芯片良率也很難提高。

芯片遇到了大難題。

?01芯片流片成功率，歷史低點(diǎn)

流片對(duì)于芯片設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，就是參加一次大考。

流片是檢驗(yàn)芯片設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵，就是將設(shè)計(jì)好的方案交給代工廠生產(chǎn)出樣品，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的芯片有沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或者要不要進(jìn)一步優(yōu)化。如果能夠生產(chǎn)出符合要求的芯片，那么就可以大規(guī)模生產(chǎn)了。

在紀(jì)錄片《電子立國(guó)自述傳》中，對(duì)于流片時(shí)的心情是這么描述的：每次芯片tapeout的兩三個(gè)月里，我的內(nèi)心終日惶惶不安，難以入眠。無(wú)時(shí)無(wú)刻不在想哪里對(duì)不對(duì)，會(huì)不會(huì)有問(wèn)題……等到芯片送回來(lái)，第一次按RESET時(shí)，我的心情緊張到了極點(diǎn)，松開(kāi)RESET的瞬間，便是區(qū)分天堂與地獄的瞬間。

從西門(mén)子的數(shù)據(jù)來(lái)看，正常芯片流片首次成功率在30%左右，但兩年降到 24%，2025年成功率更是降低至14%，十家中有八家都會(huì)失敗。

有些芯片失敗是因?yàn)樵O(shè)計(jì)流程過(guò)于隨意，有的芯片失敗不一定是因?yàn)楣δ軉?wèn)題。如果流片返回后運(yùn)行速度比預(yù)期慢10%，或者功耗比預(yù)期大10%，在市場(chǎng)上可能就沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力了，也就需要重新流片。

不少芯片巨頭都在流片上栽過(guò)跟頭，比如AMD的 Bulldozer（推土機(jī)）架構(gòu)芯片、高通驍龍810芯片等。

AMD 的 Bulldozer?架構(gòu)于?2007 年開(kāi)始研發(fā)，將兩個(gè)物理核心組成一個(gè)模塊，共享浮點(diǎn)單元和 L2 緩存，但實(shí)際性能未達(dá)預(yù)期。由于設(shè)計(jì)復(fù)雜，流片后性能不佳，前期研發(fā)費(fèi)用浪費(fèi)，而英特爾同期推出的 Sandy Bridge 架構(gòu)處理器性能更優(yōu)，搶占了市場(chǎng)份額。

高通驍龍810芯片是2015年推出的旗艦移動(dòng)處理器，但因采用先進(jìn)制程和高性能設(shè)計(jì)，流片后出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱和高功耗問(wèn)題，導(dǎo)致手機(jī)過(guò)熱、降頻，用戶體驗(yàn)差。高通隨后進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星則憑借更穩(wěn)定、低功耗的Exynos處理器搶占了部分市場(chǎng)份額。

流片成功率下降，主要有四個(gè)原因。

一是，芯片越來(lái)越復(fù)雜。現(xiàn)在的芯片設(shè)計(jì)越來(lái)越多地采用多芯片組件，這些不同組件往往需要在不同的工藝節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)。以先進(jìn)的服務(wù)器芯片為例，計(jì)算核心采用5nm 工藝以實(shí)現(xiàn)更高性能和更低功耗，而存儲(chǔ)單元可能使用更成熟的 14nm 工藝以保證成本和穩(wěn)定性。這意味著需要協(xié)調(diào)多個(gè)代工廠和工藝技術(shù)，增加了設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性。

二是，定制化芯片越來(lái)越多。定制化芯片是針對(duì)特定的數(shù)據(jù)類(lèi)型、算法或應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)，這使得芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作變得異常繁瑣。例如，用于深度學(xué)習(xí)推理的定制芯片，需要針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特定結(jié)構(gòu)和計(jì)算模式進(jìn)行優(yōu)化，從架構(gòu)設(shè)計(jì)到指令集開(kāi)發(fā)都需要重新規(guī)劃。

三是，企業(yè)開(kāi)發(fā)模式變了。過(guò)去，芯片開(kāi)發(fā)周期通常為18 個(gè)月左右，而現(xiàn)在企業(yè)為了保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，需要在更短的時(shí)間內(nèi)推出更多產(chǎn)品。許多芯片企業(yè)為了按時(shí)完成流片任務(wù)，不得不壓縮設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)間，甚至在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化流程。設(shè)計(jì)中的潛在問(wèn)題無(wú)法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，增加了流片失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

四是，人工智能帶來(lái)的壓力。人工智能的快速發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體芯片的計(jì)算能力提出了極高的要求。AI 應(yīng)用需要芯片提供更高的算力，但目前的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證生產(chǎn)力并未有相應(yīng)的突破。這導(dǎo)致芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在有限的時(shí)間內(nèi)需要交付更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，增加了首次流片失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

半導(dǎo)體工程的編輯Brian Bailey在分析首次流片成功率降低的原因時(shí)也表示：“人工智能對(duì)芯片算力需求暴增，遠(yuǎn)超當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)和架構(gòu)的進(jìn)步速度。但開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證技術(shù)卻沒(méi)跟上，工程師只能用老工具，在更短時(shí)間內(nèi)完成更多工作，流片失敗也就不奇怪了。”

上一次出現(xiàn)流片成功率降低還是在2018年。

在2018年之前，半導(dǎo)體行業(yè)的ASIC首次流片成功率也是維持在30%左右，但2018年直接降到了26%。FPGA的數(shù)據(jù)比較難統(tǒng)計(jì)，但是可以看生產(chǎn)中漏掉的BUG數(shù)量。2018年，只有16%的FPGA項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)零BUG漏出，這其實(shí)比ASIC首次流片成功率的下降更加嚴(yán)重。

成功率下降的節(jié)點(diǎn)，正是業(yè)內(nèi)大量設(shè)計(jì)從28nm遷移到14nm的時(shí)候，并且7nm當(dāng)時(shí)還在逐漸普及。并且，越來(lái)越多的芯片設(shè)計(jì)把安全當(dāng)作一個(gè)關(guān)鍵因素，汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域尤為突出。

?02芯片良率，難倒巨頭

在芯片行業(yè)面臨流片成功率暴跌的嚴(yán)峻形勢(shì)下，即便成功完成流片，也并非萬(wàn)事大吉。流片只是芯片生產(chǎn)的開(kāi)端，后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)同樣挑戰(zhàn)重重，其中芯片良率低的問(wèn)題同樣棘手，成為制約芯片行業(yè)發(fā)展的又一大阻礙。

良率是半導(dǎo)體工廠的核心競(jìng)爭(zhēng)力所在，也被稱為是半導(dǎo)體工廠的“生命線”。

芯片良率，指合格芯片的數(shù)量與生產(chǎn)出的總芯片數(shù)量的比例。即：良率=合格芯片數(shù)量/生產(chǎn)的芯片總量 x 100%

例如，如果在一片晶圓上制造了1000個(gè)芯片，其中950個(gè)是合格的，那么良率就是：良率=(950/1000)×100%=95%

良率通常需要在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行多個(gè)階段的測(cè)量和計(jì)算，因?yàn)槊總€(gè)生產(chǎn)步驟都有可能引入缺陷，影響最終的良率。通常相應(yīng)芯片良率需要達(dá)到70%或更高才能進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)階段。

在行業(yè)內(nèi)，即便強(qiáng)如臺(tái)積電、三星、英特爾這些巨頭，也被芯片良率問(wèn)題所困擾。

臺(tái)積電在先進(jìn)制程良率控制上表現(xiàn)較為出色。在2020年時(shí)，臺(tái)積電在IEEE IEDM會(huì)議上披露，其5納米工藝的測(cè)試芯片平均良率為80%，峰值良率超過(guò)90%。

據(jù)MSN報(bào)道，臺(tái)積電3納米芯片良率高達(dá)80%以上。市場(chǎng)上的巨頭如蘋(píng)果、高通也都紛紛選擇了臺(tái)積電3nm。

臺(tái)積電2nm的信號(hào)比較積極。據(jù)了解，2nm制程技術(shù)在成熟度上取得了快速進(jìn)展，其缺陷密度率已與3nm和5nm相當(dāng)，并采用了新的環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET）架構(gòu)。與3nm增強(qiáng)版（N3E）相比，2nm制程的速度提升了10%至15%。目前，臺(tái)積電的2nm 制程的良率已達(dá)到 60% 以上。

相比之下，三星的情況則不容樂(lè)觀。2nm 工藝良率從年初的 20% - 30% 提升至 40% 以上，其首款采用2納米工藝的Exynos 2600芯片計(jì)劃于2025年11月量產(chǎn)。這與前文提到的臺(tái)積電60%的良率，還有差距。

3nm 工藝問(wèn)題更為突出。SF3E-3GAE（第一代3nm GAA工藝）的良率在50%～60%之間，未達(dá)到最初設(shè)定的70%目標(biāo)。SF3-3GAP（第二代3nm GAA工藝）良率更低，僅為20%左右，遠(yuǎn)低于預(yù)期目標(biāo)，導(dǎo)致三星在3nm芯片代工市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足，甚至自家的Exynos 2500芯片也因良率問(wèn)題難產(chǎn)。

英特爾在良率數(shù)據(jù)披露上較為模糊，雖有副總裁表示Intel 4 制程良率高于預(yù)期，Intel 3 制程達(dá)成整體良率和性能目標(biāo)，但天風(fēng)國(guó)際分析師郭明錤曾稱，2025 年初首批 Intel/IFS 18A 先進(jìn)制程生產(chǎn)的 Panther Lake 工程樣品良率不到 20% - 30%。

不過(guò)這一說(shuō)法遭到英特爾方面駁斥。英特爾投資者關(guān)系副總裁John Pitzer在摩根士丹利科技、媒體和電信會(huì)議上表示：“總體而言，我們認(rèn)為Intel 18A的水平能夠?qū)?biāo)臺(tái)積電的N3或者N2。我們正按計(jì)劃推進(jìn)Intel 18A ，并已宣布將在今年上半年完成首個(gè)外部客戶的流片工作?！?/p>

巨頭們?cè)谛酒悸噬系睦Ь常阋?jiàn)這一難題的棘手程度。

良率提不上去，原因是多方面的。

原材料上，硅片質(zhì)量、光刻膠均勻度、摻雜劑精度等都會(huì)影響良率，比如硅片有雜質(zhì)、光刻膠不均勻，都會(huì)導(dǎo)致芯片性能出問(wèn)題，而高質(zhì)量原材料不僅技術(shù)要求高，價(jià)格也貴。

制造環(huán)境和設(shè)備也很關(guān)鍵，芯片生產(chǎn)需要超潔凈環(huán)境，空氣中的顆粒都可能造成芯片缺陷，設(shè)備的穩(wěn)定性、精度和維護(hù)也很重要，引入新設(shè)備成本高，還可能存在技術(shù)適配問(wèn)題。工藝技術(shù)上，光刻、蝕刻等流程復(fù)雜，現(xiàn)有工藝優(yōu)化空間有限，新技術(shù)如極紫外光刻（EUV）又面臨技術(shù)和成本難題。

此外，質(zhì)量管控不到位，生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)收集和分析不及時(shí)，就沒(méi)法提前發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，導(dǎo)致缺陷難以糾正。

?03結(jié)語(yǔ)

芯片流片成功率暴跌和良率提升困難，是當(dāng)前芯片行業(yè)必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

提高流片成功率，要優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以用AI 輔助設(shè)計(jì)，提高準(zhǔn)確性；加強(qiáng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。還要重視人才培養(yǎng)，提升工程師的專業(yè)能力。同時(shí)，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)要和晶圓代工廠、EDA 供應(yīng)商加強(qiáng)合作，整合產(chǎn)業(yè)鏈資源。

提升芯片良率，要改良制程，優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝控制。在設(shè)備和材料上，升級(jí)設(shè)備、選用優(yōu)質(zhì)原材料。技術(shù)創(chuàng)新也很重要，利用AI 和大數(shù)據(jù)監(jiān)控生產(chǎn)線，探索新材料、新工藝。還要建立嚴(yán)格的質(zhì)量管控體系，從原材料采購(gòu)到成品全流程監(jiān)控。

這些問(wèn)題的解決，需要各方從技術(shù)、人才、產(chǎn)業(yè)鏈等多方面努力。