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骁龙888再测翻车,百事通nba背景音乐5nm为什么这么难,先进工艺制程的大限到了?

2021-01-30 本站作者 【 字体:

  2020年是手机芯片半导体突飞猛进的又一年,从持续2年的7nm演变到5nm,不管是手机厂商还是市场消费者,都对这一制程充满期待。早前从台积电方面获悉,苹果和华为是首批接受5nm订单的客户。

  首批也就意味着首发,从苹果在2020年9月的iPad Air 4和iPhone 12系列上率先采用5nm工艺的A14 Bionic,华为在Mate 40系列上搭载麒麟9000后,高通、三星纷纷相继推出5nm工艺的旗舰级SoC。

  骁龙888再测翻车,百事通nba背景音乐5nm为什么这么难,先进工艺制程的大限到了?(图1)

  不过四者之间不同的是,麒麟9000和雷神奥特曼A14采用的是台积电5nm技术,而高通和三星采用的是三星5nm技术。虽然三星晶圆代工的实力也很强大,但对比台积电,它的技术还是略逊一筹。

  这也使得2021年旗舰机型搭载的骁龙888芯片功耗性能比“全面翻车”。经过再次测试发现,由于今年三星5nm工艺标称的每平方毫米晶体管密度为1.267亿每平方毫米,再加上骁龙888直接上1个X1超大核+3个A78大核这种激进的组合,三星这个工艺确实是压不住功耗了。

  骁龙888再测翻车,百事通nba背景音乐5nm为什么这么难,先进工艺制程的大限到了?(图2)

  对比之下,台积电的5nm工艺虽然为1.713亿每平方毫米,栅极间距为48nm、金属间距30nm、鳍片间距25-26nm,单元高度约为180nm。比初代7nm每平方毫米9120万个增加88%,台积电官方宣传的数字是84%,表现也仅比三星稍好。

  第一款出货的台积电5nm芯片,是苹果2020年10月份上市的A14仿生芯片,这款SoC的晶体管数量达到118亿个,比A13多大约40%。6核CPU性能提升40%,4核图形GPU性能提升30%,功耗降低30%。

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  紧随其后的华为麒麟9000则集成153亿个晶体管,8核CPU、24核GPU和包含NPU AI处理器,CPU性能提升25%,GPU提升50%。然而这两款处理器在同样性能表现下,相对于上代的性能提升可以说是成反比的。

  而按照摩尔定律,芯片的晶体管数量每隔18-24个月翻一番,性能也会提升一倍。但从7nm推进到5nm的手机芯片的表现似乎并不如人意,不仅在性能方面提升有限,功耗也面临“翻车”。

  骁龙888再测翻车,百事通nba背景音乐5nm为什么这么难,先进工艺制程的大限到了?(图4)

  但随着半导体技术逐渐接近物理瓶颈,晶体管尺寸的微缩越来越难。这也让很多用户并不买5nm芯片的账,认为5nm手机芯片表现并没有达到预期。那么,难道制程工艺的大限到了吗?

  其实并不是,主要还是在晶体管设计和制造工艺上的不成熟导致。芯片代工是一个非常复杂的过程,设计与制造的相互独立使得当制造工艺和IC设计不匹配时,便会造成功耗、性能的一些问题。

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  骁龙888、苹果A14、麒麟9000的发热源自于整体所产生的功耗。这一部分功耗也分为动态功耗和静态功耗,动态功耗通常指电路状态变化时产生的功耗,静态功耗则是晶体管漏电产生的功耗。

  对于普通用户来说,设备发热严重和高功耗会直接影响使用体验,芯片过分积热严重时会导致芯片异常。所以半导体行业一直将低功耗设计视为芯片行业最需要解决的问题,如何平衡先进制程下芯片的性能、功耗与面积也是芯片设计与制造的挑战。

  骁龙888再测翻车,百事通nba背景音乐5nm为什么这么难,先进工艺制程的大限到了?(图6)

  因为,目前的晶体管设计使用的是FinFET(鳍式场效应晶体管),这个工艺从28nm开始使用至今,很好的平衡了28nm至5nm之间的芯片性能与功耗。

  通过类似鱼鳍的架构控制电路的连接和断开,减少漏电流,晶体管的沟道也随之大幅度缩短,静态功耗随之降低。但5nm已经到达它的物理极限,更小面积的芯片承载更多的晶体管,更复杂的电路,更多的核心,于是开始漏电严重。7nm时代由于刚好卡到了临界点,于是漏电功耗还能维持。

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  IC设计公司、制造公司在5nm节点上面临上述的问题,这也是这几款5nm芯片集体“翻车”的根本。不成熟的IC设计或制造工艺,都会影响性能与功耗的最大化折中。

  所以在FinFET工艺之后,环绕式闸极电晶体(GAA)也开始提上议程,新的GAA可以让这种漏电变得更低,从而拉低功耗。台积电原本计划在5nm节点上应用该技术,但考虑到综合性能和成本之后,选择继续使用FinFET工艺。

  骁龙888再测翻车,百事通nba背景音乐5nm为什么这么难,先进工艺制程的大限到了?(图8)

  源头代工厂的工艺不变使得不论是苹果,三星,华为包括高通,都只能做CPU调度上面的优化,导致实际上动态功耗会很高,再加上5G通信模块也会增加功耗,因此手机续航,玩游戏发热无法避免。

  根据市场研究机构给出的数据显示,三星3nm GAA的成本可能会超过5亿美元,预期在2022年大规模采用比FinFET更先进的GAAFET 3nm制程芯片,解决全线翻车。


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