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nba火狐体育登录首页:芯片的硬件构造、成本及其厂商之间的对比
发布时间: 2024-12-23 02:55:10 来源:火狐体育靠谱吗 作者:火狐体育投注靠谱不

  阵营的要支付给ARM设计研发费以及每一片芯片的版税,但笔者这里主要描述自主CPU和Intel这样的巨头,将购买IP的成本省去),而且还要除去那些测试封装废片。

  从二氧化硅到市场上出售的芯片,要经过制取工业硅、制取电子硅、再进行切割打磨制取晶圆。晶圆是制造芯片的原材料,晶片成本能够理解为每一片芯片所用的材料(硅片)的成本。正常的情况下,特别是产量足够大,而且拥有自主知识产权,以亿为单位量产来计算的话,晶片成本占比最高。不过也有例外,在接下来的封装成本中介绍奇葩的例子。

  封装是将基片、内核、散热片堆叠在一起,就形成了大家日常见到的CPU,封装成本就是这一个过程所需要的资金。在产量巨大的正常的情况下,封装成本一般占硬件成本的5%-25%左右,不过IBM的有些芯片封装成本占总成本一半左右,据说最高的曾达到过70%......

  测试可以鉴别出每一颗处理器的关键特性,比如最高频率、功耗、发热量等,并决定处理器的等级,比如将一堆芯片分门别类为:I5 4460、I5 4590、I5 4690、I5 4690K等,之后Intel就能够准确的通过不同的等级,开出不同的售价。不过,如果芯片产量足够大的话,测试成本可忽略不计。

  掩膜成本就是采用不一样的制程工艺所需要的成本,像40/28nm的工艺已经很成熟,成本也低——40nm低功耗工艺的掩膜成本为200万美元;28nm SOI工艺为400万美元;28nm HKMG成本为600万美元。

  不过,在先进的制程工艺问世之初,耗费则颇为不菲——在2014年刚出现14nm制程时,其掩膜成本为3亿美元(跟着时间的推移和台积电、三星掌握14/16nm制程,现在的价格应该不会这么贵);而Intel正在研发的10nm制程。根据Intel官方估算,掩膜成本至少需要10亿美元。不过如果芯片以亿为单位量产的话(貌似苹果每年手机+平板的出货量上亿),即便掩膜成本高达10亿美元,分摊到每一片芯片上,其成本也就10美元。而这从另一方面折射出为何像苹果这样的巨头采用台积电、三星最先进,也是最贵的制程工艺,依旧能赚大钱,这就是为什么IC设计具有赢者通吃的特性。

  像代工厂要进行的光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试等步骤需要的成本,以及光刻机、刻蚀机、减薄机、划片机、装片机、引线键合机、倒装机等制造设备折旧成本都被算进测试成本、封装成本、掩膜成本中,就没有必要另行计算了。

  由于在将晶圆加工、切割成晶片的时候,并不是能保证100%利用率的,因而存在一个成品率的问题,所以晶片的成本用公式表示就是:

  由于晶圆是圆形的,而晶片是矩形的,必然导致一些边角料会被浪费掉,所以每个晶圆能够切割出的晶片数就不能简单的用晶圆的面积除以晶片的面积,而是要采用以下公式:

  每个晶圆的晶片数=(晶圆的面积/晶片的面积)-(晶圆的周长/(2*晶片面积)的开方数)

  晶片的成品率和工艺复杂度、单位面积的缺陷数息息相关,晶片的成品率用公司表达为:

  A是工艺复杂度,比如某采用40nm低功耗工艺的自主CPU-X的复杂度为2~3之间;

  B是单位面积的缺陷数,采用40nm制程的自主CPU-X的单位面积的缺陷数值为0.4~0.6之间。

  假设自主CPU-X的长约为15.8mm,宽约为12.8mm,(长宽比为37:30,控制一个四核芯片的长宽比在这个比例可不容易)面积约为200平方毫米(为方便计算把零头去掉了)。一个12寸的晶圆有7万平方毫米左右,于是一个晶圆可以放299个自主CPU-X,晶片成品率的公式中,将a=3,b=0.5带入进行计算,晶片成品率为49%,也就是说一个12寸晶圆可以搞出146个好芯片,而一片十二寸晶圆的价格为4000美元,分摊到每一片晶片上,成本为28美元。

  封装和测试的成本这个没有具体的公式,只是测试的价格大致和针脚数的二次方成正比,封装的成本大致和针脚乘功耗的三次方成正比......如果CPU-X采用40nm低功耗工艺的自主芯片,其测试成本约为2美元,封装成本约为6美元。

  因40nm低功耗工艺掩膜成本为200万美元,如果该自主CPU-X的销量达到10万片,则掩膜成本为20美元,将测试成本=2美元,封装成本=6美元,晶片成本=28美元代入公式,则芯片硬件成本=(20+2+6)/0.49+28=85美元

  如果自主CPU-Y采用28nm SOI工艺,芯片面积估算为140平方毫米,则可以切割出495个CPU,由于28nm和40nm工艺一样,都属于非常成熟的技术,切割成本的影响微乎其微,因此晶圆价格可以依旧以4000万美元计算,晶片成品率同样以49%的来计算,一个12寸晶圆可以切割出242片晶片,每一片晶片的成本为16美元。

  如果自主CPU-X产量为10万,则掩膜成本为40美元,按照封装测试约占芯片总成本的20%、晶片成品率为49%来计算,芯片的硬件成本为122美元。

  如果该自主芯片产量为100万,则掩膜成本为4美元,按照封装测试约占芯片总成本的20%来,最终良品率为49%计算,芯片的硬件成本为30美元。

  如果该自主芯片产量为1000万,则掩膜成本为0.4美元,照封装测试约占芯片总成本的20%来,最终良品率为49%计算,芯片的硬件成本21美元。

  显而易见,在相同的产量下,使用更先进的制程工艺会使芯片硬件成本有所增加,但只要产量足够大,原本高昂的成本就可以被巨大的数量平摊,芯片的成本就可以大幅降低。

  硬件成本比较好明确,但设计成本就很复杂了。这当中既包括工程师的工资、EDA等开发工具的费用、设备费用、场地费用等等......另外,还有一大块是IP费用——如果是自主CPU到还好(某自主微结构可以做的不含第三方IP),如果是ARM阵营IC设计企业,需要大量外购IP,这些IP价格昂贵,因此不太好将国内外各家IC设计企业在设计上的成本具体统一量化。

  按国际通用的低盈利芯片设计公司的定价策略8:20定价法,也就是硬件成本为8的情况下,定价为20,自主CPU-X在产量为10万片的情况下售价为212美元。别认为这个定价高,其实已经很低了,Intel一般定价策略为8:35,AMD历史上曾达到过8:50......

  在产量为10万片的情况下,自主CPU-Y也采用8:20定价法,其售价为305美元;

  在产量为100万的情况下,自主CPU-Y也采用8:20定价法,其售价为75美元;

  在产量为1000万的情况下,自主CPU-Y也采用8:20定价法,其售价为52.5美元。

  由此可见,要降低CPU的成本/售价,产量至关重要,而这也是Intel、苹果能采用相对而昂贵的制程工艺,又能攫取超额利润的关键。

  无晶圆厂(英语:Fabless Semiconductor Company)是指只进行硬件芯片的电路设计,然后设计交由晶圆代工厂制造为成品,并负责销售产品的公司。由于半导体器件制造耗资极高,将集成电路产业的设计和制造两大部分分开,使得无厂半导体公司可以将精力和成本集中在市场研究和电路设计上。而专门从事晶圆代工的公司则可以同时为多家无厂半导体公司提供服务,尽可能提高其生产线的利用率,并将资本与营运投注在昂贵的晶圆厂。“无厂半导体公司-晶圆代工模式”的概念最初是由Xilinx的伯尼·冯德施密特(Bernie V. Vonderschmitt)和C&T的戈登·A.坎贝尔(Gordon A. Campbell)所提出。

  好处很明显了,负担很轻,自己只管设计就行了,不用耗费巨资去兴建晶圆厂、开发新工艺,但坏处同样很突出:你设计出来了,能否造出来、即便造出来又是个啥样子你就无法做主了,得看代工伙伴的能耐。这方面的教训当然很多:台积电40/28nm两代工艺最初都很不成熟,产能也是迟迟上不来,让整个行业为之拖累。

  GlobalFoundries32nm工艺未达到AMD的预期水平,第一代FX/APU处理器的频率和电压就跟设计得差很多,28nm工艺吹了那么久直到现在才刚刚上路,迫使AMD一度放弃了整整一代的低功耗APU,不得不重新设计再去找台积电。

  也就是垂直整合模式。与“无晶圆厂-芯片外包代工模式”相对的半导体设计制造模式为“垂直整合模式”(英语:IDM, Integrated Design and Manufacture),即一个公司包办从设计、制造到销售的全部流程,需要雄厚的运营资本才能支撑此营运模式,如英特尔和三星。

  三星电子一种原因是垂直整合模式,能制造自己设计的芯片;另一方面,它也扮演代工厂的角色,同时给苹果公司为iPhone、iPad设计的处理器提供代工服务。

  这些公司只负责设计电路,不负责制造、销售的公司则称为IP核公司,如ARM。 不制造、不销售任何芯片,只是自己设计IP,包括指令集架构、微处理器、图形核心、互连架构,然后谁喜欢就把授权卖给谁。客户拿着ARM IP能自己想怎么干就怎么干。

  英特尔公司Intel是世界上最大的半导体公司,也是第一家推出x86架构处理器的公司。在1980年代时,英特尔在全球是前十大的半导体销售的业者(1987年是第10名),而在1991年以后,英特尔达到了第一名的位置之后就没有再变动了。而其次的半导体公司包括AMD、三星、德州仪器东芝意法半导体。

  芯片的设计与制造是英特尔的核心优势。英特尔涵盖芯片的设计、生产以及到最终上市的整个过程。

  当前全球半导体产业主要由台积电、英特尔、三星电子(Samsung Electronics)及GlobalFoundries等四家业者盘据,其中台积电、三星及GlobalFoundries为纯晶圆代工厂,只负责为外部客户制造芯片,并非为自家企业设计、推出及自售芯片产品。即使三星有为企业内部打造部分客制化芯片,但基本上大部分晶圆业务仍是为外部客户做代工为主。但英特尔与上述三家业者的业务模式不同,多年来英特尔均自建晶圆厂房,只为生产自家设计的微处理器,属于整合元件制造(IDM)半导体业者,直到过去几年才打破此一惯例,开始接外部客户晶圆代工订单。

  ARM成为一家独立的处理器公司,从事研发低费用、低功耗、高性能芯片。主要的产品是ARM架构处理器的设计,将其以知识产权的形式向客户进行授权,同时也提供软件开发工具。ARM自己不制造芯片,将其技术知识产权(IP核)授权给世界上许多著名的半导体厂,这中间还包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、飞利浦、Atmel、Broadcom、Cirrus Logic、Freescale、ons等。

  ARM是移动电子设备时代最大的技术霸主,取代了当年Intel在PC电脑时代的地位,并且Intel屡次试图冲击ARM均告失败。但是,ARM采取了完全不同于Intel的商业模式。

  2016年7月18日,日本软银同意以243亿英镑(约309亿美元),以全现金方式收购ARM公司。

  只设计,与生产完全脱钩(不管产品是不是生产、能否生产、如何生产,也不管产品销售)

  ARM并不自己生产芯片,而是将自己的技术授权给其他芯片制造商,比如高通、德州仪器、英伟达等等。 ARM位居在所有半导体供应链的最上端,将微处理器设计蓝图卖给IC设计公司,比如联发科;其后再协助联发科开发出符合其需求的微处理器。这就像是盖房子,ARM卖的是一套房子的基本设计蓝图。IC设计公司买下蓝图之后,能够准确的通过自己的需求对其做修改,比如要设计几个房间?餐厅和卫生间各要多大?”

  ARM透过卖蓝图给IC设计公司,收取授权金,等到IC设计公司卖出根据蓝图所设计、产出的芯片之后,每卖出一颗芯片,就要付给ARM每一颗芯片的专利费,大约是每颗芯片售价的百分比来计算。这样的经营模式,使得ARM 并不是特别需要自己投资数十亿美元来兴建芯片生产厂房,而是成为一家完全依靠头脑盈利的公司。这一模式同时也非常有利于生态圈的建设。正因为如此,ARM才能够以2000人左右的规模,同时服务超过800家的签约合作授权公司,并一起进行1000个以上的芯片开发计划。

  在PC产业中,无厂半导体公司并不少见(比如Nvidia和现在的AMD)。无厂半导体公司做芯片的所有设计,但最后的生产工作会交付给代工厂(比如台积电和三星)。这样的合作方式能给制造商们节约相当一部分成本。不过同时,这也代表着整一个流程就不完全在你的掌握之中了——代工方会影响到产能、质量和时间点。

  ARM在模式上比无圆晶厂走得更远。ARM不针对市场输出任何的芯片;而是向其他的供应商提供设计IP(指令集架构、微处理器、图形处理器…)和使用许可。ARM的客户买下他们所需IP的许可,然后采用这些设计来生产自己的芯片。客户本身能是无厂半导体公司或者是芯片制造商。在许可费用之外,此后芯片使用的流程中ARM还会获得下游的版税。

  POP全称是处理器优化包,属于标配基础上的加强版。如果客户只有少数的团队来整合自己的设计,那么ARM可以卖给你一个处理器优化方案,然后你拿着这个优化方案就可以直接找厂商生产——ARM保证某些特定的程度的性能指标。

  处理器许可只允许客户使用他们设计的CPU或者GPU,相当于是“标配”。你不能更改他们的设计,但可以在他们的基础上整合你想要的设计。ARM同时还向客户提供将设计整合的指南,不过最后的设计整合和实体整合还要你自己的team去做。

  如果你实力丰沛雄厚,可以仅购买ARM的架构/指令集(ARMv7、ARMv8),然后自己研究设计芯片。架构许可相当于DIY包。ARM会把它的某个架构完全放给你(比如ARMv7、ARMv8)。由此你可以在原架构的基础上进行你想要的更改。高通Krait、苹果Swift就是典型代表。ARM旗下拥有大约1000种不同的许可,320个许可持有方/合作伙伴。而在这320个许可方中,只有15家拥有架构许可。

  ARM跟PC领域的巨头Intel相比,两者的差异非常之大。Intel打造自己的架构,尔后根据不同的市场定位设计一系列的芯片,最后设计会由自家的工厂负责生产。Intel可以说集成了芯片生产中的所有流程。当然这其中的工作量相当大,同时它也能从产品中获得很高的回报。

  ARM创立之后,开始像一个独立的商业化公司那样去运作,但是一直比较艰难。在产品研制上,ARM避开在电脑领域大行其道的英特尔CISC指令,转而开发不被市场看好的RISC精简指令。与此同时,重新定义产品的核心:低成本,低功耗,高效率。

  由于缺乏资金,ARM做出了一个意义深远的决定:自己不制造芯片,只将芯片的设计的具体方案授权(licensing)给其他公司,对方可以在ARM技术的基础上添加自己的设计DIY,并由它们来生产。正是这一个模式,最终使得ARM芯片遍地开花,将封闭设计的Intel公司置于”人民战争”的汪洋大海。

  在其开放授权的商业模式下,基本上全球所有的半导体大佬都成了ARM的合作伙伴。开发新产品时,这一些企业都不再需要消耗大把的时间,精力和成本从头设计研究芯片架构,相反,他们只需要查看一下ARM公司的芯片名册,购买,然后添加自定义设计就行。 ARM向这些客户收取年费或者使用费,甚至同一个技术能重复收费,并用这些利润研究下一个技术。这种售卖知识产权的模式更是让ARM处于行业价值链顶端,客户无论盈亏,都与ARM无关,他就一直在那里卖创新。英特尔将要PK的对手绝不只是ARM,而是其背后的整个“ARM联盟”。

  高通公司(Qualcomm)是一个位于美国加州圣迭戈的无线电通信研发技术公司。高通公司在CDMA技术的基础上开发了一个数字蜂窝通信技术,目前是全球二十大半导体厂商之一。

  高通曾开发和销售CDMA手机和CDMA基站设备。近年来,高通公司把其基站业务和手机研发业务分别卖给爱立信和京瓷,现在主要是做开发、无线电技术许可和出售他们的专用集成电路(ASIC)。

  高通主要由四个业务部门组成,分别是高通CDMA技术部门(QCT),高通技术授权部门(QTL)、高通无线&互联网部门(QWI)、高通战略方案部门(QSL)等,2012财年CDMA技术部门、技术授权部门、无线&互联网部门营收依次对应88.59亿美元、54.21亿美元、6.56亿美元,三者占比分别为59.2%、36.2%、4.4%,而战略方案部门则主要是业务相关(专利技术产品等等)投资收购。从收入上能够正常的看到,高通的CDMA技术部门和技术授权部门(QTL)是其最核心的两个部门。

  高通的CDMA技术部门采取无厂半导体公司模式,主要负责CDMA芯片设计、外包生产和销售。技术授权部门(QTL)则采取类似ARM的模式,只负责技术许可,不参与产品生产。

  高通公司设计各种ARM架构的CDMA,专为移动站点调制解调器设计的芯片(MSM系列),基带无线电芯片和电源处理芯片。这些芯片组卖给移动电话制造商,譬如京瓷、摩托罗拉和HTC、三星电子集成到CDMA手机里。

  高通客户主要是使用芯片的无线设备制造商,如苹果、三星、HTC、华为等,高通在其年报称目前的竞争对手主要有博通,飞思卡尔、英特尔、富士通、联发科、展讯、英伟达等,以及部分客户爱立信、三星(一些产品芯片由自己设计)。

  高通公司的外包生产,采取“集成的无生产线模式”,与外包制造商的关系更紧密,以规避外包生产供应不稳定的问题。高通要求无生产线的设计企业与EDA(半导体电子设计自动化)、代工厂商和封装/测试公司紧密合作,以各自的技术专长一同推动生产和设计的一体化,它的主要目标是为半导体开发领域的各方之间建立紧密的技术接口,来提升效率、减少相关成本并缩短新品上市时间。这样一种类似虚拟“联盟”的紧密协作关系让无生产线厂商取了IDM模式之所长,从而能够和英特尔、德州仪器等厂商直接竞争;也让产业链上的其它环节更有能力规避风险,灵活性更好,否则半导体产品长达60至120天的成熟周期将无法应对目前日新月异的消费者市场。

  (3)它们能自行设计和制造芯片。在这三种情况下,授权的手机生产厂商能够准确的通过与高通公司单独订立的专利许可协议在其产品上使用高通公司的专利。

  高通的专利授权部门已成为高通的盈利的大多数来自,毛利率达90%以上,2011财年营收占比36.5%,却贡献高通税前利润的69.5%,这也是卖产品与卖标准的区别,我们大家都知道卖产品的收益取决于出售的收益减生产所带来的成本的毛利和市场占有率,而标准技术标准取决于你能把目标市场做多大,市场认可程度,能有多少伙伴,然后就是坐地收钱了,下图是高通授权厂设备(包括CDMA、OFDMA以及CDMA/OFDMA多模终端等)销售额变化趋势,高通大致能获得终端设备销售额的3-5%(协议期间内费率不变)。

  高通专利授权许可费的基数并不是按照“芯片收费”来计算的,而是按照手机整机成本价来计算,这是其在全球推行的重要模式,这也就从另一方面代表着,高通有可能一方面能够通过低于成本出售部分产品赶走竞争对手,而另一方面它仍旧能获得很好的利润,因为芯片定价降低的比例反映到整机成本价的降幅上就微乎其微了。

  为了扩大芯片及技术的市场,高通极力参与技术标准的制定。高通公司付出了巨大的努力——高通公司参与制定开放标准,并把成果和所有人共用。目前,公司在负责提出和改进UMTS/WCDMA和CDMA2000标准的标准组织(分别是3GPP和3GPP2)中有广泛的参与和贡献。高通公司觉得自身在标准上的广泛参与和贡献对于保持技术的稳定性以及不同厂商手机和系统设备间的互操作性至关重要—对标准的成功也最重要,无论是CDMA2000还是WCDMA。

  目前除了英特尔以外,AMD是最大的x86架构微处理器供应商,自收购冶天科技以后,则成为除了英伟达以外仅有的独立图形处理器供应商,自此成为一家同时拥有中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)技术的半导体公司,也是唯一可与英特尔和英伟达匹敌的厂商。

  AMD为工业级市场及消费电子市场供应各种电脑(包括工作站、服务器、个人电脑以及嵌入式系统)、通信用之集成电路产品,这中间还包括中央处理器、图形处理器、闪存、芯片组以及其他半导体技术。

  2009年AMD是将自家晶圆厂拆分为现今的GlobalFoundries(格罗方德)以后,成为无厂半导体公司,由GlobalFoundries接手生产处理器芯片,由台积电代工生产图形处理器。AMD仅负责硬件集成电路设计及产品营销售卖业务。

  Nvidia是一家以设计图形处理器为主的半导体公司。目前NVIDIA和AMD供应了市场上大部分独立显卡。

  在最终产品上(指显卡、主板等),NVIDIA会推出所谓原厂“公版”(Reference)产品(称为参考样卡或参考模板)供展示及测试之用,外包给其他尝试代工或设计。在零售市场上,NVIDIA会把顶级型号的“原厂”公版产品给各个第三方厂商贴牌,这些厂商的产品设计用料完全相同,均由一家厂商代工。

  NVIDIA采取向其他公司授权图形技术的新经营模式。因为单靠出售芯片无法为智能手机和平板电脑市场提供服务。原因主要在于,某些客户(如苹果和三星)不喜欢购买芯片,因为他们喜欢创造自己的芯片,而且拥有自主设计生产芯片所需要的生产能力、创造能力和规模。NVIDIA将尝试将其图形技术授权给苹果和三星。

  联发科技股份有限公司(MediaTek Inc.),简称联发科,中国大陆坊间或网络上常简称 MTK,成立于1997年,总公司设在***新竹科学工业园区,是一家Fabless IC设计企业,公司初期以光盘驱动器芯片为主,其后发展了手机及数字电视与穿戴式设备解决方案芯片。

  相比Intel提供关键零组件,联发科则提供总体解决方案,提供一个Turn-key解决方案(以单一封包方式提供大部分手机内部零组件)。 联发科把以前属于手机生产厂商该做的事情通通帮客户做好,大幅度降低手机公司的研发技术门槛,造就了庞大的中国本地品牌和山寨手机。 这种方式,一来提高开发效率,手机芯片开发和系统设计在MTK内部一起进行,更有效率;二来帮手机生产厂商节省开发成本,手机生产厂商不用自行开发设计。联发科更像是垂直整合系统公司,不只是芯片公司。

  排名和此前iSuppli公布的排名略有不同。在该公司的排名榜中,预计英特尔将再度称雄全球

  方面。尽管大多数CPU都能够打到1GHz的频率,但他们制造工艺不同、内置的图形处理

  提供的是开源的类库或开放的算法方案,可以直接移植到开发者所想使用的...

  设计详细说明 /

  ic,WTV380 /

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  RoboMentor KIT扩展开发板,弥补了大板子的一些不足,除了4路减速电机接口外增加了丰富的接 - 1.


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