鐵流:上海打造專門針對國產CPU的工藝線意義重大
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不久前,上海兆芯與上海華力微電子有限公司著手合作開發國內首個通用CPU的28納米專用製造工藝平台。
上海華力微公司是國內僅次於中芯國際的晶圓代工廠,並在2015年年底與聯發科合作成功流片28nm手機SoC。
上海兆芯是國內主要從事X86 CPU設計的IC設計公司。
兩者的合作究竟目的何在?又有何意義呢?
IDM模式和Fabless模式
在半導體行業中,有三種運作模式:
一種是從事能獨立完成設計、製造、封裝測試的公司,被稱為IDM(Integrated Design and Manufacture),比如Intel、鎂光、三星、德州儀器、ST等公司,曾經沒有賣掉晶圓廠的IBM和AMD曾經也屬於IDM模式。
另一種是只從事IC設計,但沒有代工廠,這類公司被稱為Fabless,最典型的就是ARM陣營中一系列IC設計廠商,比如蘋果、高通、華為海思、展訊、聯發科等等。
現在的AMD也屬於Fabless。
還有一種是只做代工,不做設計,這類公司被稱為Foundry,最典型的就是台積電、格羅方德、聯電、中芯國際、華力微等公司。
而CPU的設計和生產工藝的結合異常緊密,使得IDM廠商會占有很大優勢——在IDM廠商中,生產工藝的研發和設計是同步走的,一旦出現短板,設計部門和製造部門就會協調溝通,把短板補全。
在研發出新製程後,即便良率低、成本高,IDM廠商也可以通過內部計劃經濟的模式做好協調,使自己的產品在性能上處於領先地位。
相比之下,Fabless模式的IC設計公司必須和Foundry合作,而這種合作在一般情況下,無法達到IDM廠商那種內部整合效果。
舉例來說,一旦CPU在流片中出現問題,Fabless IC設計公司和Foundry可能會把問題推給對方,出現推諉扯皮的情況。
而且因為技術保密的因素,Fabless
IC設計公司和Foundry之間未必能做到IDM模式下的那種毫無保留。
因而IDM模式在高性能CPU設計和製造上具有先天優勢。
正是因為Intel具有IDM的先天優勢,Intel可以很好的把設計與工藝平台整合在一起,工藝平台幾乎就是為通用CPU的生產進行服務,可以及時調試工藝技術實現CPU效能的最大化。
舉例來說,Intel使用45nm製造工藝時,就可以把CPU的主頻做到2.5G以上,比如Intel的四核CPU Q8200採用的就是45nm製造工藝,主頻就達到2.5G。
Intel X5270同樣使用45nm製造工藝,主頻則達到3.5G,
而且這並非P4那種擁有超高流水線級數的高頻低能CPU。
採用32nm製造工藝時,Intel不僅實現了SNB在IPC上出類拔萃,在主頻方面很多型號的CPU都在3G以上,甚至有的CPU主頻都做到4.0G。
這也是為什麼過去20多年時間裡,Intel能夠在高性能CPU上獨占鰲頭的原因之一。
國內晶圓廠罕有專門針對國產CPU的工藝線
目前,國內晶圓廠在製造工藝上與境外工藝存在代差,以國內晶圓代工的老大哥中芯國際為例,在2017年,台積電已經開始10nm晶片的商業量產,而中芯國際能夠商業化量產的依舊是28nm晶片。
在技術上差了2代有餘。
不僅如此,即便是同一代工藝,境內晶圓廠與境外台積電等晶圓廠也有著很大差距——境內的代工廠在同製程下只有台積電的60%。
而且境內代工廠在不同批次的一致性,仿真模型和實際電晶體參數的一致性都和國外工藝有一定差距,這使得IC設計公司如果要在境內代工廠流片,在設計時要多留些餘量,蒙特卡羅仿真也要把參數波動範圍設大一些。
此外,在上海兆芯與上海華力微電子有限公司著手合作開發國內首個通用CPU的28納米專用製造工藝平台之前,國內罕有專門針對國產CPU的工藝線,加上境內晶圓廠的工藝本來就和境外大廠有差距,結果可想而知,某家IC設計公司曾經使用境內代工廠的40nm製造工藝流片,因該40nm工藝並非針對高性能桌面CPU的,直接導致該公司發現採用了境內的40nm製造工藝的晶片性能還不如境外的65nm製造工藝......
兆芯的ZXB和與ZXA的設計是相同的,但因為採用了華力微的製造工藝,而兆芯ZXA CPU 使用的 40nm 工藝與華力微主攻量產的工藝方向存在一些差異,直接導致ZXB使用國內工藝流片頗為坎坷。
由於境內沒有專門針對國產CPU的先進工藝,致使中國大陸無法將設計與工藝平台整合在一起,實現類似於Intel的那種設計與工藝的磨合優化。
在這種情形下,Intel可以通過45nm製造工藝就把CPU的主頻做到2.5G以上,而中國大陸IC設計公司採用境內的40nm工藝只能做到1—1.6G。
國內某IC設計公司使用台積電16nm工藝做了一款伺服器CPU,主頻也只有2.3G。
開發國內首個通用CPU的28納米專用製造工藝平台具的積極意義
雖然AMD和IBM把晶圓廠賣了,目前屬於Fabless廠商,但很多技術資料格羅方德也都繼承過去了,而且AMD和IBM依舊和格羅方德保持密切的合作關係——格羅方德更是被戲稱為AMD的「女朋友」。
正是依靠這種密切的合作關係,以及AMD和IBM強悍的CPU設計能力,AMD和IBM即便成為Fabless廠商,依舊能做高性能CPU。
這正是中國大陸企業值得學習借鑑的。
如果中國大陸始終沒有專門針對國產CPU的工藝線,由於無法做到通過調試工藝技術實現CPU效能的最大化,導致在CPU性能上始終差Intel一截。
得益於Intel在IPC上撞牆,自SNB之後一直「擠牙膏」,使得中國大陸CPU公司有了在IPC上追趕Intel的可能性。
然而,即使將來國產CPU在IPC上追平了Intel,也依舊會因為製造工藝的原因很難做到Intel CPU的主頻,使國產CPU在先天上就輸Intel一籌。
對於通用CPU設計企業來說,如果要面向普通消費者的公開市場,就必須在掌握了CPU的設計技術的同時,還掌握設計平台與製造工藝平台優化的能力,這樣才能做出高性能的CPU。
而上海兆芯與上海華力微電子有限公司著手合作開發國內首個通用CPU的28納米專用製造工藝平台,則有助於國內晶圓廠實現對通用CPU生產工藝的完全掌握。
如果能夠實現這一目標,則可以使境內CPU設計公司擴寬流片渠道,徹底擺脫過分依賴台積電流片的掣肘,特別是在發生軍事衝突或者經濟制裁等特殊情況下,依舊能保障國產CPU的穩定和持續生產。
此外,這也有助於提升本土晶圓廠的技術實力,並幫助提升本土CPU設計公司在使用境內晶圓廠製造工藝時,可以通過及時調試工藝技術實現CPU效能的最大化。
意義重大但任重道遠
之前介紹了,國內晶圓廠的技術實力和境外廠商有較大差距,而且華力微在28nm製造工藝上還可能存在良率問題。
在2017年2月,根據媒體報導,上海華力微電子挖角聯電一組高達50人的28納米研發團隊,希望解決在28納米製程中的瓶頸問題,加速為聯發科代工晶片的量產進程。
如果媒體的報導是真實的,那麼就意味著華力微的28nm製造工藝在成熟度上恐怕也存在一定瑕疵。
華力微電子與聯發科技合作的首顆28nm 通信晶片
上海兆芯與上海華力微電子有限公司著手合作開發國內首個通用CPU的28納米專用製造工藝平台這件事,如果能做成好處是很多的,但道路也是曲折的,國內企業想要實現設計與工藝平台整合,達到類似於Intel的效果,還有很長的路要走。
(圖片來自網絡)
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