作者介紹：Ryszard Sommefeldt是Imagination Technologies公司Beyond3D的負責人，在本文中，他將帶領我們游歷現代半導體制造（CPU、GPU和SoC）的制造過程。

　　本文將概述性的介紹半導體器件的制作流程，不論是采用的哪種授權方式（內部設計，外部IP授權或介于兩者之間）。文中主要涉及的是消費者器件，因為這也是我主要從事的領域，但芯片工藝制程方式基本上在任何芯片中都是通用的。

　　因為我個人從來還為讀到過從始至終的工藝描述，而早在我進入半導體IP公司之前我就一直期待能看到這樣的文章。我相信很多人都有和我一樣的看法。于是最終我想我為什么不自己寫一篇呢？我希望這篇文章能給對半導體感興趣的讀者帶來幫助。

晶圓上的45納米芯片圖像，來自：AMD

　　創意

　　半導體改進仍然來自創新和創意。和設計一部智能手機的創意相比，當然半導體行業的創意要基礎和底層得多，我們的創新需要在硅的水平上進行，而這是現在幾乎所有計算設備的基礎。

　　就我所知，所有我能想到的芯片，包括最小和最專業的芯片，都是由微小的模塊構成的。如果你想進行更為復雜的計算，即使只有單個輸入，你仍然需要繼續這些模塊進行更上層的設計。

　　但芯片設計和制造并不是一蹴而就的事，不是單一的整體技術就可以辦到。現代的芯片的基礎模塊非常小，也因為這樣的原因，現在的設計師幾乎不可能將芯片的整個設計裝進自己的腦袋。現在芯片非常復雜，擁有上億晶體管的芯片也已經是家常便飯，有的甚至更多。現在主流的計算機和電腦的處理器中集成了10億以上的晶體管，甚至部分手機也有如此的集成量，其復雜程度可想而知。

　　所以設計師大多數不會想自己構建一個整體，人類也無法辦到這一點。但是我們可以將這個任務切割成很多塊分開處理。也許某個設計師能夠設計、制造、測試所有的塊，但分塊仍然是必須的。

　　時間表

　　簡單起見，我要談談現在最常見的處理器，這些都需要一年時間才能完成制造。半導體行業沒什么是發展迅速的。產品的設計、制造、驗證、集成、測試、取樣還有可能的返工，到最后的大規模制造，一款芯片真的需要一年時間才能出現在市面上。

　　因此，一款芯片的壽命通常都不短。有一些對半導體行業的宏觀看法，可能會很常見。比如說，一個現代的智能手機系統芯片供應商可能從項目開始到大規模出貨僅僅用了幾個月時間，但他們實際上做的不過是將已有的模塊進行集成而已。每年都有成千上萬人進入這一行業，將已有的模塊變成全功能的SoC。

　　在現代消費電子及相關領域，主要的芯片能進行復雜的計算都需要經過好幾年的研發時間，而不是幾個月、幾周、甚至更可笑的幾天。

　　了解你的需求

　　芯片研發需要幾年時間意味著需要有一些準確的預測工作要做。聰明的芯片設計者都是依靠數據驅動芯片設計的，他們可不會盲目進行設計或者僅僅依靠直覺行動。了解自己的需求往往是純粹的數據分析。

　　芯片設計者的數據來源有很多：市場團隊、銷售人員、已有客戶和潛在客戶、產品規劃、項目經理，或者像我一樣的競爭力和性能分析師。另外還有的數據是來自芯片設計者自身的工作經驗，因為他們知道該怎樣做才是正確的。

　　芯片設計師的第一個工作是過濾所有的數據并將其作為他們即將構建的模型的基礎。他們需要盡可能知道所設計的芯片的未來的使用場景：最終的產品會是怎樣的？客戶對新一代的產品有怎樣的期待？在新功能和性能的改進上有什么最低限制嗎？在電池壽命、材料科學和芯片制造商的行業風向改變了嗎？

　　成本如何？在經濟活動中，成本扮演了舉重輕重的作用。許多中國商品就憑借成本優勢打開了世界的市場。如果你所設計的芯片的成本需要20美元，而競爭對手只要10美元就能完成同樣的新能，那么你的設計將毫無意義。所以在設計芯片之初就要考慮芯片的成本結構，從而從頂層設計上控制成本。要記住，你所做的每一項改變都會影響到成本，不管是直接還是間接的。

　　比如說你的芯片需要引入A組件，這是一款20平方毫米。而你的整個芯片設計的使用面積為80平方毫米，而每一平方毫米的成本為20美分，而對于一個完整芯片，你的客戶的心理價位也不超過20美元。但是你為了能夠保證下一代芯片的研發，你設計的產品的毛利率必須要至少達到25%。這個時候，其它組件所需要的面積僅有60平方毫米了，結果你終于好不容易將這些組件都集成到了芯片上，卻發現其中沒有間隙了。有時候因為功耗或散熱的原因，你還需要芯片中有一些間隙。

　　所以在設計芯片時，采用組件A會有兩種情況。一是芯片本身的成本低于16美元，二是你不得不修改其他組件的設計從而降低成本。

　　最終芯片設計師將所有這些輸入和反饋引入到設計的模型中（這里通常有很多電子表格，多到超過你的想象）。然后設計師決定芯片最終需要什么組件，并將頂層設計需要背景信息考慮進去，然后設計師就要竭盡所能完成所有的要求設計出最終的成品。

　　現在我們已經知道芯片設計師在設計芯片時需要一些構造模塊了，他們需要決定最終應該采用什么設計模塊。如今，這些模塊是來自于何處呢？

　　買入或自行設計

　　像英特爾這樣的行業領頭者，當然完全有能力自己設計所需要的模塊。而且它不僅能自己設計自己的芯片，它還有自己的工廠完成自己芯片的生產。比如說如果你是下一代Core i8-6789K的首席設計師。現如今這些產品已經和過去的CPU有很大的差別了，其中系統中的其它都位于連接總線的另一端。比如Core i7-4790K就是一款包含了CPU、內存控制和內部管理、GPU、末級緩存、視頻解碼器、顯示控制器、PCI Express根控制器等等的聚合體。現在假設你要設計的i8-6789K也至少有以上這些東西。

　　作為一個像i8-6789K這樣重量級產品的設計師，你應當清楚至少在i7-4790K中，設計師幾乎沒有從英特爾外部引入組件。不過我們可以假設你在設計過程中需要的一個組件模塊是英特爾沒有設計的，那么你就需要向第三方購買構造模塊；不過你告訴我其中肯定沒有第三方組件我也不會感到驚訝

英特爾Core i7-4790K （左）和 i7-5960X （右）

　　英特爾制造的一些芯片確實有引入來自其它公司的模塊，但該公司收入中的大部分都來自于完全自己設計的芯片。

　　那么你能夠從哪里得到這些構造模塊呢？英特爾自己自然有針對每個模塊的設計團隊。維持這些團隊的運行需要強大的資金支持，但由此帶來的競爭優勢卻是無可代替的。想一想，如果你的設計都在自己的公司內部進行，你可以控制你的時間表，而你的競爭對手對你的設計也一無所知，你自己也可以根據需要對所有的模塊進行修改和修正，這樣就具備了更大的靈活性。如果你能負擔起其中的開支，這樣所帶來的競爭優勢是壓倒性的，因為最終的規模經濟將能夠抵消研發所帶來的巨額開支。

　　所以你能看到芯片行業自己建造的心理總是無處不在。高通盡力在做，NVIDIA也在盡量努力。蘋果則依靠自己強大的垂直整合能力在消費者市場混的風生水起。在芯片模塊的層次上，蘋果的大部分工作也是自己在做。

　　而在消費設備芯片的另一端，你還能看到一些集成的大師，它們幾乎不自己設計任何東西，完全都是依靠購買IP進行生產。它們從其他供應商那里購買設計藍圖，然后將它們連接起來，得出結果，所以過程表現得相當快。采用的這樣的方法當然更加容易而且便宜，但也因此很容易被模仿被超越，所以在這一領域的玩家日子都不好過，競爭非常激烈，除非它們能做出自己的差異化產品。

　　選擇自己設計和直接購買是一個事關資本和技術的重要選擇。這些都是很重要的因素，但也仍有一些值得注意的細微之處，這也因公司的差異而有所不同。有的供應商會使用自己設計的模塊漸漸取代購買的模塊，盡管在這方面它所贏得的收益并沒有增加，但卻能夠贏得客戶的親睞。

　　現在我們已經制造這些模塊來自何方了。如果你很有錢，而且有忠實的客戶，競爭對手也不值一提，你肯定是會選擇自己設計，畢竟其它對手也難以和你競爭。而如果你處在一個競爭性的市場壞境下，你的成本結構也決定你不能進行巨額投入，你還是去購買所需要的模塊吧。

　　但是，最后需要提醒的是，新的模塊總是需要人去設計的。