国内研发一颗芯片到底要多少钱？小米有苦难言（研发一个芯片要多少钱）

作者：华叔聊5G

来源：雪球

华叔之前聊过OPPO要自主研发芯片，今天再深入聊聊芯片研发生产的各个环节。华叔解释过先进半导体工艺对 CPU 性能的影响，通常来说制程工艺越先进，芯片 晶体管 集成度越高，核心面积越小，成本越低，而性能会更强，不过，这个说法是针对单一芯片而言的，如果放到全局来考虑就不一样了。

台积电、三星此前都宣布了 5nm EUV工艺，苹果明年的A14处理器就会用上5nm EUV工艺，再下一代可能就是 3nm 工艺了。使用先进工艺的代价也是极高，虽然晶体管密度会有数倍提升，但芯片成本也从会16nm工艺的16美元左右增长到30美元。

在全球半导体制造厂商中，有能力又资金进军10nm工艺的工厂仅剩英特尔、台积电和三星了，其中英特尔是自产自销，代工厂商只有三星、台积电两家，这两家公司在5nm、3nm工艺上竞争激烈，用于建厂投资超200亿美元，投资巨大。

不过，5nm、3nm工艺带来的性能进步越来越小，台积电、三星的5nm工艺晶体管只带来15-20%的性能提升，而摩尔定律失效引发的问题不只是性能提升不尽如人意，还有成本的大幅上涨，这个问题可能比性能提升更麻烦。

16nm工艺的芯片成本16.43美元，10nm为16.37美元、7nm成本18.26美元、5nm和3nm分别涨到23.57美元、30.45美元。

那么研发一款芯片到底需要多少钱？

芯片代工行业迈入10nm工艺后，成本压力越来越高。10nm芯片的开发成本已超1.7亿美元，7nm接近3亿美元，5nm超5亿美元。如果制造基于3nm开发出NVIDIA GPU那样复杂的芯片，设计成本就高达15亿美元。

芯片成本主要由流片费用、IP授权购买费、自研部件费用、高通专利费、研发工程师工资奖金等5部分组成。

1、流片费用

“流片”指的是“试生产”，就是说设计完电路以后，先生产几片几十片，供测试用。如果测试通过，就照着这个样子开始大规模生产了。

7nm FinFET工艺流片费用约3000万美元（参考麒麟990流片费用，同时兼顾考虑联发科与台积电同属中国台湾地区，可能有优惠），约合2.1亿人民币；麒麟990处理器正在用台积电7nm Plus EUV的工艺制作（第二代7nm工艺更加成熟，加入了EUV紫外线光刻技术），仅流片费用就高达3000万美金。

FinFET工艺是华人科学家胡正明教授发明的（胡正明教授还提出了著名的BSIM模型）。也是为了解决芯片做到更小尺寸的一种方法，16nm FinFET工艺的价格，不管芯片的面积有多大，起步价500万美金。但FinFET工艺相比EUV已经算是落后了。

2、IP授权购买费

做芯片需要购买ARM最新的Cortex-A77CPU、Mali-G77GPU授权，其他小的模块也要购买，如音视频编解码器、还有DSP（独特的微处理器）、NPU（嵌入式神经网络处理器）等。如华为海思麒麟970、980芯片获得了寒武纪NPU的IP授权。

被授权方将会向授权方支付一笔授权费来获得IP，并在最终芯片产品销售中，以芯片最终售价的1％～3％向授权方支付版税。授权费用实现IP开发成本的覆盖，而版税作为IP设计公司的盈利。

但正如手机芯片市场，优质的IP资源往往集中在科技巨头手中，拥有单一或少量IP的创业公司往往因为自身IP竞争力不足、或是难以提供具有综合竞争力的完整解决方案而最终落得被收购或退出市场的境地。

按生命周期5000万颗算，各种IP授权购买费按每颗40元算，这大概20亿。单ARM CPU授权一项，每次约1亿美金。

3、自研部件费用

联发科刚发布了一颗5G SoC，它集成了自研的最先进的独立AI处理单元APU（加速处理器），这样完全保证用户使用上5G网络。除比较复杂的APU外，自研部件还包括多模通讯基带（2G/3G/4G/5G等），相机ISP（图像信号处理器），各种控制开关，微核等。这部分很难估算，而且是长期的研发的成果，这部分成本暂复算为10亿人民币。

4、高通专利费

按5000万颗算，每颗交10元，合5亿人民币。

5、研发工程师工资奖金

1000名工程师每年按50万计算，3年合计15亿。

人力成本占研发成本主要部分，项目开发效率与资深工程师数量相关，国内资深芯片设计工程师年薪一般在50～100万元之间。EDA工具是芯片设计工具，是发展超大型集成电路的基石，EDA工具可有效提升产品良率。

20人的研发团队设计一款芯片所需要的EDA工具采购费用在100万美元／年（包括EDA和LPDDR等IP购买成本）。英伟达开发Xavier，动用了2000个工程师，开发费用共计20亿美金，Xlinix ACAP动用了1500个工程师，开发费用总共10亿美金。

以上各项共计 2 20 10 5 15=52亿人民币。

没错，52亿！而这些还不包括架构开发，生态构建等的费用。

我们抛开手机处理器，就说看似简单的NAND FLASH研发经费也是相当不菲。

NAND FLASH其实是快闪存储器，是一种电子式可清除程序化只读存储器的形式，允许在操作中被多次擦或写的存储器。就是用于如储存卡、U盘、固态硬盘上的储存芯片。

开发一颗NAND FLASH主控芯片前期投入（软件、硬件、IP及人力和时间费用，软件工具费，设计服务费及仪器测试费用等）的开发费用折合人民币约为1.35亿人民币，而后期流片、封测等费用为2200万元人民币，共计约1.57亿人民币。

我国在这领域技术逐渐缩小甚至追上与国际一流厂商的差距，紫光集团旗下的长江存储近年来大举投资存储芯片产业，目前已经形成了NAND闪存研发生产、主控IC以及后端封测等全产业链，预计今年底量产64层堆栈的3D闪存，2020年则会生产128层堆栈3D闪存。

到了2020年，长江存储还会推出128层堆栈的3D闪存，今年三星、东芝、美光等公司量产了96层的3D闪存，部分厂商甚至开始量产128层堆栈的闪存，2020年会是100 层堆栈闪存的爆发之年。

研制出一块芯片很容易，但是要在控制温度、成本以及功耗的情况下实现量产，却不是一件容易的事。

芯片制造有两大难点：

首先，在试验阶段投入的资金非常的高昂，一次大概需要10万元，从设计到加工的过程中走过的工序差不多就有3000到5000道，而且一次耗费的时间差不多就是一年，在时间和金钱的制约下，对于精度的要求是极其的高。

其次，排错难度大，虽然芯片看上去的体积非常小，但是在上面却分布着数亿个晶体管，可以被检测出的信号最多也就只有几百条，能够看到如果哪条晶体管出了差错，那都是难上加难！

除了技术原因，还有国际因素制约，专利权、出口协定的管控，我们想从国外获取最先进技术是不可能的，而且中国每年进口一台相关的仪器，其中的专利费就高得吓人，像前段时间买入中国的ASML光刻机（阿斯麦），一台价值就要8.6亿元！

目前国际上生产光刻机的主要厂商有荷兰的ASML、日本的尼康、佳能。其中，数ASML技术最为先进。

2018年12月底，荷兰光刻机公司Mapper正式宣布破产，ASML成为了全球最大的光刻机设备和服务供应商，不但占据了全球光刻机80%的市场份额，而且还是唯一能向客户供应高端EUV（极紫外光）光刻机的企业。

一台EUV光刻机售价超过1亿美元，而且还相当不好买。EUV光刻机年产量不高，从2013年首批2台EUV光刻机量产以来，到2019年ASML EUV光刻机预计年产量也只有30台。

国内也有生产光刻机的公司，比如上海微电子装备，但技术水平远远落后于ASML。

上海微电子装备目前生产的光刻机仅能加工90nm工艺制程芯片，这已经是国产光刻机最高水平。而ASML已量产7纳米制程EUV光刻机，至少有十几年的技术差距。

光刻机是制造芯片的核心装备，过去一直是中国的技术弱项。光刻机的水平严重制约着中国芯片技术的发展，我们一直在被“卡脖子”。

目前 ASML 在中国客户有中芯国际、华虹半导体、长江存储、合肥长鑫、英特尔大连厂、SK海力士西安厂等。就连台积电和三星也只能从ASML手中进口机器，全球没有一家企业可以取代他们的地位。

中芯国际2017年所有利润1.264亿美元，一台EUV光刻机几乎花掉他们整年的盈利。

另外，长江存储去年也从ASML买入一台浸润式光刻机，售价高达7200万美元。

光刻机以光为“刀具”，在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用光线透过掩模照射在硅片表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应。

此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶，就实现了电路图从掩模到硅片的转移。

华叔把话题扯远了，最后，我们谈谈CPU成本，CPU硬件成本包括晶片成本 掩膜成本 测试成本 封装成本四部分。

晶片成本就是以二氧化硅制取晶圆所耗费的资金分摊到每一片晶片后的成本，可以简单理解为每一片芯片所用的材料(硅片)的成本。

使用更先进的制程会导致掩膜总成本提升，但却可以降低晶片成本。

掩膜成本就是晶片加工成本以及光刻机、刻蚀机、物理、化学气相淀积设备的折旧成本等等。

每片CPU的掩膜成本=掩膜总成本/总产量。如果产量小，芯片的成本会因为掩膜成本而较高，只要产量足够大，比如每年出货以亿计，掩膜成本被巨大的产量分摊到微乎其。

只要产量足够大，就可以使每块CPU的掩膜成本大幅降低，使拥有“更贵的制程工艺 更大的产量”属性的CPU，会比拥有“便宜的制程工艺 较小的产量”属性的CPU成本更低，特别是在产量相差100倍的情况下，成本上的差距会犹如鸿沟。英特尔正在研发的10nm制程，掩膜成本至少需要10亿美元。

国产CPU的产量为何上不去？

像龙芯、申威等自主CPU，由于另起炉灶，自建技术体系，必然和现有的Wintel(微软 英特尔)体系不兼容，在PC市场被Wintel垄断的情况下，自然导致市场化进程步履维艰。

而兆芯虽然同样采用X86指令集，可以跑Windows，不存在软件生态问题，但在技术上完全依赖于威盛公司，这样无疑提高了成本，加上性能孱弱，不具备市场竞争力——即便一味扩大产能，也只能是产量越大，亏得越多，只能在党政军市场寻求机会，产量自然非常有限。

就算抛开国内IC设计公司和英特尔在设计能力的差距不谈，单纯讲制程工艺和产量对性能和成本的影响，在国产CPU产量非常小的情况下，即便使用非常便宜的制程工艺流片，依旧导致其成本比英特尔的CPU要高，价格也更贵。

英特尔可以依靠市场的垄断地位，就算最贵的制程工艺，以庞大的产量压低成本，攫取超额利润，使自己的利润率高达60%。

所以，之前华叔之前推文中就不太看好OPPO和小米打造自己的芯片，因为他们没有芯片发展的储备基础，继续往这条路走会非常吃力，以华为海思就是很好的参考对象。

华为10年的研发经费狂砸了3940个亿，虽然这里不止芯片投入，还有其他投入，但就算以1000亿作为芯片投入，这数字算多吗？

其实，并不多。

流片费用是成本里较大的组成部分。

几年前，采用不太先进的16nm工艺，流片费用需要1500万美金以上。

而两年，采用7nm的工艺，流片费用需要准备1-3亿美金以上。

而10年前，海思给出的平均每颗商用芯片的研发成本仅为4000万人民币。

这里就成本计算单位就不一样了，10年前是人民币，几年后已经是按美元计算，至少差6~7倍。

小米、OPPO要想实现华为的芯片全景图，至少需要10年时间，途中肯定会经历许多意想不到的波折和困难，如果想加速芯片发展必须收购成熟的芯片企业，但这个可能性不高，现在好的芯片企业的体量都很大，不可能轻易被收购。

可喜的是中国芯片进步神速，即将发布的麒麟990处理器，最大的特点是集成5G基带，是全球第一款集成5G基带的7nm FinFET Plus EUV工艺制程移动芯片。虽然三星抢先在华为前发布同样集成5G基带的Exynos 980，不过采用8nm FinFET 的工艺制程，相比华为稍逊一筹，台积电立功了。

Exynos 980 最快将于今年量产，而麒麟990极有可能搭载在9月19日发布的华为Mate 30上，也就是说已经具备量产能力。

华叔也希望中国芯能够早日崛起，能够摆脱国外垄断的日子，甚至能够反过来去掐国外的脖子，那才是真的牛。

考虑到5G建设时间周期相当长，相关产业链将会有不断持续性发展，带动长线投资机会，这次先介绍部分产业链龙头。