芯片規(guī)模越大，報(bào)廢的可能性也越大

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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。

有消息稱蘋果原計(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，一度有消息稱蘋果一度計(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(tái)積電自己消化。據(jù)估計(jì)，僅僅這一項(xiàng)就能為蘋果節(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果做出如此大的讓步呢？

臺(tái)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(tái)積電代工。

彼時(shí)，蘋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，蘋果將越來(lái)越多的芯片交給臺(tái)積電生產(chǎn)。現(xiàn)在，蘋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，沒有哪個(gè)客戶會(huì)像蘋果那樣能對(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�并非完全壞掉了，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，這次臺(tái)積電為蘋果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。

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。可能有些區(qū)域沒有灰塵，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，蘋果的A17 Pro，應(yīng)該屬于這一類問(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。

畫圖還是畫圖

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