那些動輒幾百、上千元的CPU，實(shí)際成本是...

集成電路產(chǎn)業(yè)的特色是贏者通吃，像Intel這樣的巨頭，巔峰時(shí)期的利潤可以高達(dá)60%。那么，相對應(yīng)動輒幾百、上千元的CPU，它的實(shí)際成本到底是多少呢?芯片的硬件成本構(gòu)成

芯片的成本包括芯片的硬件成本和芯片的設(shè)計(jì)成本。

芯片硬件成本包括晶片成本+掩膜成本+測試成本+封裝成本四部分(像ARM陣營的IC設(shè)計(jì)公司要支付給ARM設(shè)計(jì)研發(fā)費(fèi)以及每一片芯片的版稅，但筆者這里主要描述自主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(dá)為：

芯片硬件成本=(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(gè)簡單的解釋，方便普通群眾理解，懂行的可以跳過。

從二氧化硅到市場上出售的芯片，要經(jīng)過制取工業(yè)硅、制取電子硅、再進(jìn)行切割打磨制取晶圓。晶圓是制造芯片的原材料，晶片成本可以理解為每一片芯片所用的材料(硅片)的成本。一般情況下，特別是產(chǎn)量足夠大，而且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，以億為單位量產(chǎn)來計(jì)算的話，晶片成本占比最高。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(nèi)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(gè)過程所需要的資金。在產(chǎn)量巨大的一般情況下，封裝成本一般占硬件成本的5%-25%左右，不過IBM的有些芯片封裝成本占總成本一半左右，據(jù)說最高的曾達(dá)到過70%......

測試可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級，比如將一堆芯片分門別類為：I5 4460、I5 4590、I5 4690、I5 4690K等，之后Intel就可以根據(jù)不同的等級，開出不同的售價(jià)。不過，如果芯片產(chǎn)量足夠大的話，測試成本可以忽略不計(jì)。

掩膜成本就是采用不同的制程工藝所需要的成本，像40/28nm的工藝已經(jīng)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(jī)掩膜臺曝光

不過，在先進(jìn)的制程工藝問世之初，耗費(fèi)則頗為不菲——在2014年剛出現(xiàn)14nm制程時(shí)，其掩膜成本為3億美元(隨著時(shí)間的推移和臺積電、三星掌握14/16nm制程，現(xiàn)在的價(jià)格應(yīng)該不會這么貴);而Intel正在研發(fā)的10nm制程。根據(jù)Intel官方估算，掩膜成本至少需要10億美元。

不過如果芯片以億為單位量產(chǎn)的話(貌似蘋果每年手機(jī)+平板的出貨量上億)，即便掩膜成本高達(dá)10億美元，分?jǐn)偟矫恳黄酒?，其成本也?0美元。而這從另一方面折射出為何像蘋果這樣的巨頭采用臺積電、三星最先進(jìn)，也是最貴的制程工藝，依舊能賺大錢，這就是為什么IC設(shè)計(jì)具有贏者通吃的特性。

像代工廠要進(jìn)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(jī)、刻蝕機(jī)、減薄機(jī)、劃片機(jī)、裝片機(jī)、引線鍵合機(jī)、倒裝機(jī)等制造設(shè)備折舊成本都被算進(jìn)測試成本、封裝成本、掩膜成本中，就沒有必要另行計(jì)算了。

晶圓

晶片的成本

由于在將晶圓加工、切割成晶片的時(shí)候，并不是能保證100%利用率的，因而存在一個(gè)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(shù)*晶片成品率)

由于晶圓是圓形的，而晶片是矩形的，必然導(dǎo)致一些邊角料會被浪費(fèi)掉，所以每個(gè)晶圓能夠切割出的晶片數(shù)就不能簡單的用晶圓的面積除以晶片的面積，而是要采用以下公式：

每個(gè)晶圓的晶片數(shù)=(晶圓的面積/晶片的面積)-(晶圓的周長/(2*晶片面積)的開方數(shù))

晶片的成品率和工藝復(fù)雜度、單位面積的缺陷數(shù)息息相關(guān)，晶片的成品率用公司表達(dá)為：

晶片的成品率=(1+B*晶片成本/A)的(-A次方)

A是工藝復(fù)雜度，比如某采用40nm低功耗工藝的自主CPU-X的復(fù)雜度為2～3之間;

B是單位面積的缺陷數(shù)，采用40nm制程的自主CPU-X的單位面積的缺陷數(shù)值為0.4～0.6之間。

假設(shè)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(gè)四核芯片的長寬比在這個(gè)比例可不容易)面積約為200平方毫米(為方便計(jì)算把零頭去掉了)。一個(gè)12寸的晶圓有7萬平方毫米左右，于是一個(gè)晶圓可以放299個(gè)自主CPU-X,晶片成品率的公式中，將a=3，b=0.5帶入進(jìn)行計(jì)算，晶片成品率為49%，也就是說一個(gè)12寸晶圓可以搞出146個(gè)好芯片，而一片十二寸晶圓的價(jià)格為4000美元，分?jǐn)偟矫恳黄?，成本?8美元。

芯片硬件成本計(jì)算

封裝和測試的成本這個(gè)沒有具體的公式，只是測試的價(jià)格大致和針腳數(shù)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采用40nm低功耗工藝的自主芯片，其測試成本約為2美元，封裝成本約為6美元.

芯片的封裝形式，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(dá)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，則芯片硬件成本=(20+2+6)/0.49+28=85美元

自主CPU-X的硬件成本為85美元。

如果自主CPU-Y采用28nm SOI工藝，芯片面積估算為140平方毫米，則可以切割出495個(gè)CPU，由于28nm和40nm工藝一樣，都屬于非常成熟的技術(shù)，切割成本的影響微乎其微，因此晶圓價(jià)格可以依舊以4000萬美元計(jì)算，晶片成品率同樣以49%的來計(jì)算，一個(gè)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(chǎn)量為10萬，則掩膜成本為40美元，按照封裝測試約占芯片總成本的20%、晶片成品率為49%來計(jì)算，芯片的硬件成本為122美元。

如果該自主芯片產(chǎn)量為100萬，則掩膜成本為4美元，按照封裝測試約占芯片總成本的20%來，最終良品率為49%計(jì)算，芯片的硬件成本為30美元。

如果該自主芯片產(chǎn)量為1000萬，則掩膜成本為0.4美元，照封裝測試約占芯片總成本的20%來，最終良品率為49%計(jì)算，芯片的硬件成本21美元。

顯而易見，在相同的產(chǎn)量下，使用更先進(jìn)的制程工藝會使芯片硬件成本有所增加，但只要產(chǎn)量足夠大，原本高昂的成本就可以被巨大的數(shù)量平攤，芯片的成本就可以大幅降低。

芯片的定價(jià)

硬件成本比較好明確，但設(shè)計(jì)成本就比較復(fù)雜了。這當(dāng)中既包括工程師的工資、EDA等開發(fā)工具的費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用、場地費(fèi)用等等......另外，還有一大塊是IP費(fèi)用——如果是自主CPU到還好(某自主微結(jié)構(gòu)可以做的不含第三方IP)，如果是ARM陣營IC設(shè)計(jì)公司，需要大量外購IP，這些IP價(jià)格昂貴，因此不太好將國內(nèi)外各家IC設(shè)計(jì)公司在設(shè)計(jì)上的成本具體統(tǒng)一量化。

按國際通用的低盈利芯片設(shè)計(jì)公司的定價(jià)策略8：20定價(jià)法，也就是硬件成本為8的情況下，定價(jià)為20，自主CPU-X在產(chǎn)量為10萬片的情況下售價(jià)為212美元。別覺得這個(gè)定價(jià)高，其實(shí)已經(jīng)很低了，Intel一般定價(jià)策略為8：35，AMD歷史上曾達(dá)到過8：50......

在產(chǎn)量為10萬片的情況下，自主CPU-Y也采用8：20定價(jià)法，其售價(jià)為305美元;

在產(chǎn)量為100萬的情況下，自主CPU-Y也采用8：20定價(jià)法，其售價(jià)為75美元;

在產(chǎn)量為1000萬的情況下，自主CPU-Y也采用8：20定價(jià)法，其售價(jià)為52.5美元。

由此可見，要降低CPU的成本/售價(jià)，產(chǎn)量至關(guān)重要，而這也是Intel、蘋果能采用相對而昂貴的制程工藝，又能攫取超額利潤的關(guān)鍵。