高端製造 | 中國本土的「龍芯」CPU性價比太低，到底差哪兒了呢

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隨著電腦的普及和DIY（英文Do It Yourself的縮寫）的盛行，普通百姓可以通過各種渠道買到英特爾、AMD的CPU，配合主板、內存、硬碟、電源等配件組裝自己的電腦。

在當今CPU價格高度透明的情況下，有一個耐人尋味的現象，那就是洋CPU性能好，價格低，而土CPU價格不見得比洋CPU低，但性能卻只有洋CPU的20%-40%。

以英特爾和某國產CPU為例，英特爾的賽揚、奔騰CPU售價為250~500元，中高端的酷睿i5、i7售價一般在1000~2000元不等，而某國產CPU同樣採用X86指令集，在性能上只有i5的25%左右，但政府採購價卻不比i5低......是國內CPU公司「心黑」？還是其中另有隱情？

要回答這個問題，就得先從CPU的成本構成中尋找答案。

從最初的一堆沙子，到最後的一片小小的CPU，期間要經過晶圓製造、掩膜到封裝、測試等諸多環節，這其中，到底有哪些成本呢？

一、CPU的成本構成是這個樣子滴

1、晶片成本

要製造CPU，第一步是製造晶圓（將晶圓切成小片後即可得到晶片）。

晶圓的成分是矽，是地殼內第二豐富的元素（沙子的主要成分就是二氧化矽）。

製取晶圓分為三個步驟：

• 一是製取電子級矽。
  
  通過碳和二氧化矽在電弧熔爐中反應得到冶金級矽，再對其進一步提純，將粉碎的冶金級矽與氣態的氯化氫進行氯化反應，生成液態的矽烷，通過蒸餾和化學還原工藝，得到電子級矽，其純度高達99.999999%。
  
  

• 二是製取矽錠。
  
  將電子級矽放在石英坩堝中，並用石墨包圍不斷加熱，溫度維持在大約1400℃，爐中充斥著惰性氣體，使電子級矽熔化的同時，不會因化學反應而摻雜雜質。
  
  

  隨後將一顆籽晶浸入坩堝中，由拉制棒帶著籽晶與坩堝旋轉方向逆向旋轉，採用旋轉拉伸法緩慢將籽晶垂直拉出，熔化的多晶矽會粘在籽晶的底端，最終得到圓柱體的矽錠。
  
  

• 三是切割圓晶。
  
  將得到的矽錠橫向切割成圓形的單個矽片，然後進行研磨，將凹凸的切痕磨掉，再用化學機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡。
  
  

目前，國際主流採用的是12英寸晶圓。

就國內而言，中芯國際和華力微都有12英寸晶圓廠，英特爾、三星、海力士等公司在大陸也有12英寸晶圓廠。

雖然12英寸晶圓廠的投資遠遠大於8英寸晶圓廠，但是晶圓尺寸越大，意味著單片晶圓能夠切割出的晶片越多，晶片成本也就越低。

在設備成本被以億為單位的晶片出貨量平攤後，採用尺寸更大的晶圓，不僅晶片價格可以更具競爭力，還能以細水長流的方式獲取更多利潤。

因此，晶片成本就是以二氧化矽製取晶圓所耗費的資金分攤到每一片晶片後的成本，可以簡單理解為每一片晶片所用的材料（矽片）的成本。

2、掩膜成本

在得到晶圓後，要製造CPU，還要進行以下步驟：

• 一是濕洗。
  
  用各種化學藥劑清洗晶圓，確保晶圓表面沒有雜質。
  
  

• 二是光刻。
  
  使用光刻機將雷射光束穿透畫著線路圖的掩膜，經物鏡補償各種光學誤差，將電路圖成比例縮小後映射到矽片上，然後使用化學方法顯影，得到刻在矽晶片上的電路圖。
  
  

（光刻示意圖。

最上方的是掩膜，中間的是物鏡，用來補償各種光學誤差，最後將電路圖成比例縮小後映射到矽片上）

• 三是離子注入。
  
  在矽晶片不同的位置嵌入不同的物質，進而形成場效應管（電晶體）。
  
  

  
  

• 四是蝕刻。
  
  使用刻蝕機將晶片上多餘的部分去掉，得到所想要的結構。
  
  

• 五是等離子沖洗。
  
  用較弱的等離子束轟擊整個晶片，達到清潔的效果。
  
  

• 六是熱處理。
  
  瞬間把晶圓加熱到1200攝氏度以上，然後慢慢地冷卻下來，使得注入的離子能更好地被啟動以及熱氧化，並在晶片中形成場效應管的柵極。
  
  

• 七是氣相澱積。
  
  通過物理、化學氣相澱積設備進一步精細處理晶片表面，並給晶片鍍膜。
  
  

• 八是電鍍、化學、機械錶面處理。
  
  

因此，掩膜成本就是晶片加工成本以及光刻機、刻蝕機、物理、化學氣相澱積設備的折舊成本等等。

掩膜成本的高低和製程工藝的關係非常大，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餘萬美元；28nm SOI工藝為400萬多美元；28nm HKMG成本為600多萬美元。

但在最新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，曾有消息稱其掩膜成本為3億美元。

當然，隨著時間的推移和台積電、三星掌握14/16nm製程，現在的價格應該不會這麼貴。

英特爾正在研發的10nm製程，根據英特爾官方估算，掩膜成本至少需要10億美元。

新製程工藝之所以貴，一方面是貴在新工藝高昂的研發成本和偏低的成品率，另一方面也是因為光刻機、刻蝕機等設備的價格異常昂貴。

以前道光刻機為例，國內商業化量產依舊停滯在90nm，40/65nm的光刻機雖然取得技術突破，但依舊沒有商業化量產，有可能還處於實驗室狀態。

中芯國際、華力微等晶圓廠的28nm光刻機完全依賴進口，而且價格頗為不菲——ASML主流技術水平的光刻機售價為幾千萬美元，最先進的EUV光刻機問世時售價曾高達1億美元……

（光刻機）

每片CPU的掩膜成本=掩膜總成本/總產量，因此，如果產量小，CPU的成本會因為掩膜成本而較高，只要產量足夠大，比如每年出貨以億計，掩膜成本被巨大的產量分攤到微乎其微。

3、封測成本

（晶圓倒裝機）

在晶片完成上述光刻、刻蝕等步驟後，還需要用後道光刻機、減薄機、劃片機、裝片機、引線鍵合機、倒裝機等製造設備給晶片裝個殼，將之前加工好的晶片和基片、散熱片堆疊在一起，最終形成我們日常見到的四四方方、帶針腳和商標的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，封裝成本一般占硬體成本的5%-25%左右，不過IBM的有些晶片封裝成本占總成本一半左右，據說最高曾達到過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，之後英特爾就可以根據不同的等級，開出不同的售價。

如果晶片產量足夠大的話，測試成本在CPU總成本的占比可以忽略不計。

以已經非常成熟的40nm低功耗工藝為例，採用該製程工藝的CPU，其測試成本約為2美元，封裝成本約為6美元。

4、設計成本

設計成本主要包括專利成本、開發工具成本、工程師工資和場地費用等。

一是專利成本。

目前，國內只有像龍芯、申威等少數走獨立自主技術路線的IC設計公司可以做到自己設計的CPU/微結構不含第三方IP，比如申威411、申威1621，龍芯3A2000/3B2000/3A3000/3B3000，以及微結構GS464E皆不含第三方IP。

而國內其他IC設計公司基本上還處於購買國外IP做集成的階段，主要的IP供應商都是國外公司。

以海思、展訊、聯芯、全志、瑞芯微、新岸線等ARM陣營IC設計公司為例，這些公司無一例外依賴於ARM的IP授權——海思的麒麟950就購買了ARM Cortex A53和A72，不僅要一次性支付一筆不菲的授權費，而且每生產一片晶片，還要支付一定的專利費……

這種購買IP授權的商業模式，實際效果是ARM猶如開啟了印鈔機，而國內IC設計公司只能賺一點辛苦錢，直接導致國內ARM陣營IC設計公司「操的是賣白粉的心，賺的是賣白菜的錢」。

二是開發工具成本。

要設計CPU就離不開EDA（電子設計自動化）工具的輔助，比如前端設計的仿真環境，低功耗流程設計工具，時序仿真工具，晶片後端設計的工具等等。

要購買這些EDA工具，同樣耗費頗為不菲，特別是國內IC設計公司的EDA工具大多數都依賴於國外公司的情況下（國內研發EDA工具做的最好的是華大九天，但市場份額比較小）。

三是工程師的工資等成本。

像IBM、AMD、Marvell等IC設計公司中，有5年以上經驗的工程師的月薪在25K-50K之間，國內海思、展訊、聯芯有5年以上經驗的工程師的月薪也在15K-30K之間。

假設一個IC設計公司有500人（英特爾公司有約10萬員工），每個員工以月薪20K計算，光工資成本一年就需要1.2億元……

四是其他成本。

比如公司場地租用、宣傳營銷、行政開銷等零零碎碎的成本開銷，這些開銷因各個公司的情況有所不同，而且有的差距會非常大。

二、國產CPU售價為何居高不下

為了形象地解釋這個問題，我們假設兩款國產CPU：CPU-X和CPU-Y。

首先看晶片成本。

假設CPU-X採用40nm製程，晶片面積200平方毫米；CPU-Y採用28nm製程，晶片面積140平方毫米（製程越小，晶片面積越小）。

一片12寸晶圓價格為4000美元，面積約為7萬平方毫米。

經計算可以得出，一片12寸晶圓可以切割出299個CPU-X或495個CPU-Y（40/28nm技術已經非常成熟，切割成本差異非常小，就忽略不計了）。

由於在將晶圓加工、切割成晶片的時候，並不能保證100%成果，因而存在一個成品率的問題，以49%的成品率計算，一片12寸晶圓可以切出146個符合良品標準CPU-X或242個CPU-Y，最後12寸晶圓的價格/切割出的成品晶片，可以得出結論：

• 採用40nm製程的CPU-X的晶片成本為27.3美元；

• 採用28nm製程的CPU-Y的晶片成本為16.5美元。
  
  

可以看出，採用更先進的製程，能夠有效降低晶片成本。

其次看掩膜成本。

上文已經提到過40/28nm的工藝已經非常成熟，40nm低功耗工藝的掩膜成本約為200萬多美元。

• 如果CPU-X的產量為10萬片，則分攤到每一片CPU上的成本為20美元；

• 如果CPU-X的產量為100萬片，則分攤到每一片CPU上的成本為2美元；

• 如果CPU-X的產量為1000萬片，則分攤到每一片CPU上的成本為0.2美元；

28nm HKMG掩膜成本為600多萬美元，

• 如果CPU-Y的產量為10萬片，則分攤到每一片CPU上的成本為60美元；

• 如果CPU-Y的產量為100萬片，則分攤到每一片CPU上的成本為6美元；

• 如果CPU-Y的產量為1000萬片，則分攤到每一片CPU上的成本為0.6美元。
  
  

由此可見，在使用相同工藝的情況下，隨著CPU的產量增加，CPU的掩膜成本會逐步降低，如果產量以億為單位，即便使用最昂貴的14/16nm製程工藝，其掩膜成本也可以被壓縮到3美元以內。

再次看封測成本。

封裝成本一般占硬體成本的5%-25%左右，之前講過，比如CPU-X採用非常成熟的40nm製程，其測試成本約為2美元，封裝成本約為6美元。

最後看設計成本和其他成本。

設計成本非常不好量化，因為各家IC設計公司員工數量不同，購買IP的耗費、購買EDA工具的成本各異。

其他成本同樣不好量化，各家公司場地租用、宣傳營銷、行政開銷等所耗費的資金差距非常大。

由於設計成本和其他成本非常不好量化，筆者按國際通用的低盈利晶片設計公司的定價策略8:20定價法來計算最後的售價，也就是硬體成本為8的情況下，定價為20（在不購買國外IP的情況下，一般能做到這個定價）。

別覺得這個定價高，其實已經比較低了，英特爾一般定價策略為8:35，AMD歷史上曾達到過8:50……

CPU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。

• 如果CPU-X的產量達到10萬片，則掩膜成本為20美元，加上27.3美元的晶片成本和8美元的封測成本，其硬體成本為55.3美元，採用8:20定價法，其售價為138.25美元。
  
  

• 如果將CPU-X的產量達到100萬片，其硬體成本為37.3美元，採用8:20定價法，其售價為93.25。
  
  

• 如果CPU-Y的產量為10萬片，則掩膜成本為60美元，之前計算過晶片成本為16.5美元，加上封測成本，那麼硬體成本為85美元左右，採用8:20定價法，其售價為212.5美元。
  
  

  
  

• 如果CPU-Y的產量為100萬片，則掩膜成本為6美元，硬體成本約為30美元，其售價約為75美元。
  
  

顯而易見，雖然使用更先進的製程會導致掩膜總成本提升，但卻可以降低晶片成本。

而只要產量足夠大，就可以使每片CPU的掩膜成本大幅降低，使擁有「更貴的製程工藝+更大的產量」屬性的CPU，會比擁有「便宜的製程工藝+較小的產量」屬性的CPU的成本更低，特別是在產量相差100倍的情況下，成本上的差距會猶如鴻溝。

那國產CPU的產量為何上不去呢？像龍芯、申威等自主CPU，由於另起爐灶，自建技術體系，必然和現有的Wintel（微軟+英特爾）體系不兼容，在PC市場被Wintel壟斷的情況下，自然導致市場化進程步履維艱。

而兆芯雖然同樣採用X86指令集，可以跑Windows，不存在軟體生態問題，但在技術上完全依賴於威盛公司，自然提高了成本，加上性能孱弱，不具備市場競爭力——即便一味擴大產能，也只能是產量越大，虧得越多，所以只能在黨政軍市場尋求機會，產量自然非常有限。

總之，拋開國內IC設計公司和英特爾在設計能力的差距不談，單純講製程工藝和產量對性能和成本的影響，在國產CPU產量非常小的情況下，即便使用非常便宜的製程工藝流片，依舊導致其成本比英特爾的CPU要高，價格也更貴。

而英特爾則可以依靠市場的壟斷地位，即便使用了最貴的製程工藝，以龐大的產量壓低成本，攫取超額利潤，使自己的利潤率高達60%。

瞭望智庫http://www.lwinst.com/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=17&id=13587

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