打造專門針對國產CPU的工藝線，看上海企業如何聯手

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廠商會佔有很大優勢——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上獨佔鰲頭的原因之一。

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晶元的商業量產，而中芯國際能夠商業化量產的依舊是28nm晶元。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，模擬模型和實際晶體管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，蒙特卡羅模擬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製造工藝的晶元性能還不如境外的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鑒的。

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，根據媒體報道，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元的量產進程。如果媒體的報道是真實的，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 通信晶元

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。

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