铁流东进(铁流)

【本文转自微信公众号“科工力量”（ID：guanchacaijing）】

不久前，上海兆芯与上海华力微电子有限公司着手合作开发国内首个通用CPU的28纳米专用制造工艺平台。上海华力微公司是国内仅次于中芯国际的晶圆代工厂，并在2015年年底与联发科合作成功流片28nm手机SoC。上海兆芯是国内主要从事X86 CPU设计的IC设计公司。两者的合作究竟目的何在？又有何意义呢？

IDM模式和Fabless模式

在半导体行业中，有三种运作模式：

一种是从事能独立完成设计、制造、封装测试的公司，被称为IDM(Integrated Design and Manufacture)，比如Intel、镁光、三星、德州仪器、ST等公司，曾经没有卖掉晶圆厂的IBM和AMD曾经也属于IDM模式。

另一种是只从事IC设计，但没有代工厂，这类公司被称为Fabless，最典型的就是ARM阵营中一系列IC设计厂商，比如苹果、高通、华为海思、展讯、联发科等等。现在的AMD也属于Fabless。

还有一种是只做代工，不做设计，这类公司被称为Foundry，最典型的就是台积电、格罗方德、联电、中芯国际、华力微等公司。

而CPU的设计和生产工艺的结合异常紧密，使得IDM厂商会占有很大优势——在IDM厂商中，生产工艺的研发和设计是同步走的，一旦出现短板，设计部门和制造部门就会协调沟通，把短板补全。在研发出新制程后，即便良率低、成本高，IDM厂商也可以通过内部计划经济的模式做好协调，使自己的产品在性能上处于领先地位。

相比之下，Fabless模式的IC设计公司必须和Foundry合作，而这种合作在一般情况下，无法达到IDM厂商那种内部整合效果。举例来说，一旦CPU在流片中出现问题，Fabless IC设计公司和Foundry可能会把问题推给对方，出现推诿扯皮的情况。而且因为技术保密的因素，Fabless IC设计公司和Foundry之间未必能做到IDM模式下的那种毫无保留。因而IDM模式在高性能CPU设计和制造上具有先天优势。

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正是因为Intel具有IDM的先天优势，Intel可以很好的把设计与工艺平台整合在一起，工艺平台几乎就是为通用CPU的生产进行服务，可以及时调试工艺技术实现CPU效能的最大化。

举例来说，Intel使用45nm制造工艺时，就可以把CPU的主频做到2.5G以上，比如Intel的四核CPU Q8200采用的就是45nm制造工艺，主频就达到2.5G。Intel X5270同样使用45nm制造工艺，主频则达到3.5G， 而且这并非P4那种拥有超高流水线级数的高频低能CPU。采用32nm制造工艺时，Intel不仅实现了SNB在IPC上出类拔萃，在主频方面很多型号的CPU都在3G以上，甚至有的CPU主频都做到4.0G。

这也是为什么过去20多年时间里，Intel能够在高性能CPU上独占鳌头的原因之一。

国内晶圆厂罕有专门针对国产CPU的工艺线

目前，国内晶圆厂在制造工艺上与境外工艺存在代差，以国内晶圆代工的老大哥中芯国际为例，在2017年，台积电已经开始10nm芯片的商业量产，而中芯国际能够商业化量产的依旧是28nm芯片。在技术上差了2代有余。

不仅如此，即便是同一代工艺，境内晶圆厂与境外台积电等晶圆厂也有着很大差距——境内的代工厂在同制程下只有台积电的60%。而且境内代工厂在不同批次的一致性，仿真模型和实际晶体管参数的一致性都和国外工艺有一定差距，这使得IC设计公司如果要在境内代工厂流片，在设计时要多留些余量，蒙特卡罗仿真也要把参数波动范围设大一些。

此外，在上海兆芯与上海华力微电子有限公司着手合作开发国内首个通用CPU的28纳米专用制造工艺平台之前，国内罕有专门针对国产CPU的工艺线，加上境内晶圆厂的工艺本来就和境外大厂有差距，结果可想而知，某家IC设计公司曾经使用境内代工厂的40nm制造工艺流片，因该40nm工艺并非针对高性能桌面CPU的，直接导致该公司发现采用了境内的40nm制造工艺的芯片性能还不如境外的65nm制造工艺......兆芯的ZXB和与ZXA的设计是相同的，但因为采用了华力微的制造工艺，而兆芯ZXA CPU 使用的 40nm 工艺与华力微主攻量产的工艺方向存在一些差异，直接导致ZXB使用国内工艺流片颇为坎坷。

由于境内没有专门针对国产CPU的先进工艺，致使中国大陆无法将设计与工艺平台整合在一起，实现类似于Intel的那种设计与工艺的磨合优化。在这种情形下，Intel可以通过45nm制造工艺就把CPU的主频做到2.5G以上，而中国大陆IC设计公司采用境内的40nm工艺只能做到1—1.6G。国内某IC设计公司使用台积电16nm工艺做了一款服务器CPU，主频也只有2.3G。

开发国内首个通用CPU的28纳米专用制造工艺平台具的积极意义

虽然AMD和IBM把晶圆厂卖了，目前属于Fabless厂商，但很多技术资料格罗方德也都继承过去了，而且AMD和IBM依旧和格罗方德保持密切的合作关系——格罗方德更是被戏称为AMD的“女朋友”。

正是依靠这种密切的合作关系，以及AMD和IBM强悍的CPU设计能力，AMD和IBM即便成为Fabless厂商，依旧能做高性能CPU。这正是中国大陆企业值得学习借鉴的。

如果中国大陆始终没有专门针对国产CPU的工艺线，由于无法做到通过调试工艺技术实现CPU效能的最大化，导致在CPU性能上始终差Intel一截。

得益于Intel在IPC上撞墙，自SNB之后一直“挤牙膏”，使得中国大陆CPU公司有了在IPC上追赶Intel的可能性。然而，即使将来国产CPU在IPC上追平了Intel，也依旧会因为制造工艺的原因很难做到Intel CPU的主频，使国产CPU在先天上就输Intel一筹。

对于通用CPU设计企业来说，如果要面向普通消费者的公开市场，就必须在掌握了CPU的设计技术的同时，还掌握设计平台与制造工艺平台优化的能力，这样才能做出高性能的CPU。而上海兆芯与上海华力微电子有限公司着手合作开发国内首个通用CPU的28纳米专用制造工艺平台，则有助于国内晶圆厂实现对通用CPU生产工艺的完全掌握。

如果能够实现这一目标，则可以使境内CPU设计公司扩宽流片渠道，彻底摆脱过分依赖台积电流片的掣肘，特别是在发生军事冲突或者经济制裁等特殊情况下，依旧能保障国产CPU的稳定和持续生产。此外，这也有助于提升本土晶圆厂的技术实力，并帮助提升本土CPU设计公司在使用境内晶圆厂制造工艺时，可以通过及时调试工艺技术实现CPU效能的最大化。

意义重大但任重道远

之前介绍了，国内晶圆厂的技术实力和境外厂商有较大差距，而且华力微在28nm制造工艺上还可能存在良率问题。在2017年2月，根据媒体报道，上海华力微电子挖角联电一组高达50人的28纳米研发团队，希望解决在28纳米制程中的瓶颈问题，加速为联发科代工芯片的量产进程。如果媒体的报道是真实的，那么就意味着华力微的28nm制造工艺在成熟度上恐怕也存在一定瑕疵。

华力微电子与联发科技合作的首颗28nm 通信芯片

上海兆芯与上海华力微电子有限公司着手合作开发国内首个通用CPU的28纳米专用制造工艺平台这件事，如果能做成好处是很多的，但道路也是曲折的，国内企业想要实现设计与工艺平台整合，达到类似于Intel的效果，还有很长的路要走。

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