2019年6月1日 21:28:27
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集成電路產業的特色是贏者通吃，像Intel這樣的巨頭，巔峰時期的利潤可以高達60%。那麼，相對應動輒幾百、上千元的CPU，它的實際成本到底是多少呢？
晶片的硬體成本構成
晶片的成本包括晶片的硬體成本和晶片的設計成本。
晶片硬體成本包括晶片成本+掩膜成本+測試成本+封裝成本四部分（像ARM陣營的IC設計公司要支付給ARM設計研發費以及每一片晶片的版稅，但筆者這裡主要描述自主CPU和Intel這樣的巨頭，將購買IP的成本省去），而且還要除去那些測試封裝廢片。
用公式表達為：
晶片硬體成本=（晶片成本+測試成本+封裝成本+掩膜成本）/ 最終成品率
對上述名稱做一個簡單的解釋，方便普通群眾理解，懂行的可以跳過。
從二氧化矽到市場上出售的晶片，要經過製取工業矽、製取電子矽、再進行切割打磨製取晶圓。晶圓是製造晶片的原材料，晶片成本可以理解為每一片晶片所用的材料（矽片）的成本。一般情況下，特別是產量足夠大，而且擁有自主智慧財產權，以億為單位量產來計算的話，晶片成本佔比最高。不過也有例外，在接下來的封裝成本中介紹奇葩的例子。
封裝是將基片、內核、散熱片堆疊在一起，就形成了大家日常見到的CPU，封裝成本就是這個過程所需要的資金。在產量巨大的一般情況下，封裝成本一般佔硬體成本的5%-25%左右，不過IBM的有些晶片封裝成本佔總成本一半左右，據說最高的曾達到過70%。
測試可以鑑別出每一顆處理器的關鍵特性，比如最高頻率、功耗、發熱量等，並決定處理器的等級，比如將一堆晶片分門別類為：I5 4460、I5 4590、I5 4690、I5 4690K等，之後Intel就可以根據不同的等級，開出不同的售價。不過，如果晶片產量足夠大的話，測試成本可以忽略不計。
掩膜成本就是採用不同的製程工藝所需要的成本，像40/28nm的工藝已經非常成熟，成本也低——40nm低功耗工藝的掩膜成本為200萬美元；28nm SOI工藝為400萬美元；28nm HKMG成本為600萬美元。
光刻機掩膜臺曝光
不過，在先進的製程工藝問世之初，耗費則頗為不菲——在2014年剛出現14nm製程時，其掩膜成本為3億美元（隨著時間的推移和臺積電、三星掌握14/16nm製程，現在的價格應該不會這麼貴）；而Intel正在研發的10nm製程。根據Intel官方估算，掩膜成本至少需要10億美元。不過如果晶片以億為單位量產的話（貌似蘋果每年手機+平板的出貨量上億），即便掩膜成本高達10億美元，分攤到每一片晶片上，其成本也就10美元。而這從另一方面折射出為何像蘋果這樣的巨頭採用臺積電、三星最先進，也是最貴的製程工藝，依舊能賺大錢，這就是為什麼IC設計具有贏者通吃的特性。
像代工廠要進行的光刻、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試等步驟需要的成本，以及光刻機、刻蝕機、減薄機、劃片機、裝片機、引線鍵合機、倒裝機等製造設備折舊成本都被算進測試成本、封裝成本、掩膜成本中，就沒有必要另行計算了。
晶圓
晶片的成本
由於在將晶圓加工、切割成晶片的時候，並不是能保證100%利用率的，因而存在一個成品率的問題，所以晶片的成本用公式表示就是：
晶片的成本=晶圓的成本/（每片晶圓的晶片數*晶片成品率）
一枚晶片的實際成本是多少？
由於晶圓是圓形的，而晶片是矩形的，必然導致一些邊角料會被浪費掉，所以每個晶圓能夠切割出的晶片數就不能簡單的用晶圓的面積除以晶片的面積，而是要採用以下公式：
每個晶圓的晶片數=（晶圓的面積/晶片的面積）-（晶圓的周長/（2*晶片面積）的開方數）
晶片的成品率和工藝複雜度、單位面積的缺陷數息息相關，晶片的成品率用公司表達為：
晶片的成品率=（1+B*晶片成本/A）的（-A次方）
A是工藝複雜度，比如某採用40nm低功耗工藝的自主CPU-X的複雜度為2~3之間；
B是單位面積的缺陷數，採用40nm製程的自主CPU-X的單位面積的缺陷數值為0.4~0.6之間。
假設自主CPU-X的長約為15.8mm，寬約為12.8mm，（長寬比為37：30，控制一個四核晶片的長寬比在這個比例可不容易）面積約為200平方毫米（為方便計算把零頭去掉了）。一個12寸的晶圓有7萬平方毫米左右，於是一個晶圓可以放299個自主CPU-X，晶片成品率的公式中，將a=3，b=0.5帶入進行計算，晶片成品率為49%，也就是說一個12寸晶圓可以搞出146個好晶片，而一片十二寸晶圓的價格為4000美元，分攤到每一片晶片上，成本為28美元。
晶片硬體成本計算
封裝和測試的成本這個沒有具體的公式，只是測試的價格大致和針腳數的二次方成正比，封裝的成本大致和針腳乘功耗的三次方成正比。。。。。。如果CPU-X採用40nm低功耗工藝的自主晶片，其測試成本約為2美元，封裝成本約為6美元。
一枚晶片的實際成本是多少？
晶片的封裝形式，以上兩圖都較為古老了
因40nm低功耗工藝掩膜成本為200萬美元，如果該自主CPU-X的銷量達到10萬片，則掩膜成本為20美元，將測試成本=2美元，封裝成本=6美元，晶片成本=28美元代入公式，則晶片硬體成本=（20+2+6）/0.49+28=85美元
自主CPU-X的硬體成本為85美元。
如果自主CPU-Y採用28nm SOI工藝，晶片面積估算為140平方毫米，則可以切割出495個CPU，由於28nm和40nm工藝一樣，都屬於非常成熟的技術，切割成本的影響微乎其微，因此晶圓價格可以依舊以4000萬美元計算，晶片成品率同樣以49%的來計算，一個12寸晶圓可以切割出242片晶片，每一片晶片的成本為16美元。
如果自主CPU-X產量為10萬，則掩膜成本為40美元，按照封裝測試約佔晶片總成本的20%、晶片成品率為49%來計算，晶片的硬體成本為122美元。
如果該自主晶片產量為100萬，則掩膜成本為4美元，按照封裝測試約佔晶片總成本的20%來，最終良品率為49%計算，晶片的硬體成本為30美元。
如果該自主晶片產量為1000萬，則掩膜成本為0.4美元，照封裝測試約佔晶片總成本的20%來，最終良品率為49%計算，晶片的硬體成本21美元。
顯而易見，在相同的產量下，使用更先進的製程工藝會使晶片硬體成本有所增加，但只要產量足夠大，原本高昂的成本就可以被巨大的數量平攤，晶片的成本就可以大幅降低。
晶片的定價
硬體成本比較好明確，但設計成本就比較複雜了。這當中既包括工程師的工資、EDA等開發工具的費用、設備費用、場地費用等等。另外，還有一大塊是IP費用——如果是自主CPU到還好（某自主微結構可以做的不含第三方IP），如果是ARM陣營IC設計公司，需要大量外購IP，這些IP價格昂貴，因此不太好將國內外各家IC設計公司在設計上的成本具體統一量化。
按國際通用的低盈利晶片設計公司的定價策略8：20定價法，也就是硬體成本為8的情況下，定價為20，自主CPU-X在產量為10萬片的情況下售價為212美元。別覺得這個定價高，其實已經很低了，Intel一般定價策略為8：35，AMD歷史上曾達到過8：50。
在產量為10萬片的情況下，自主CPU-Y也採用8：20定價法，其售價為305美元；
在產量為100萬的情況下，自主CPU-Y也採用8：20定價法，其售價為75美元；
在產量為1000萬的情況下，自主CPU-Y也採用8：20定價法，其售價為52.5美元。
由此可見，要降低CPU的成本/售價，產量至關重要，而這也是Intel、蘋果能採用相對而昂貴的製程工藝，又能攫取超額利潤的關鍵。
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