5nm芯片集体“翻车”，先进制程的尴尬
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2021-01-23 01:16
作者 | 吴优
出品 | 雷锋网产业组
从2020年下半年开始，各家手机芯片厂商就开始了激烈的5nm芯片角逐，苹果、华为、高通、三星相继推出旗舰级5nm移动处理器，并宣称无论是在性能上还是在功耗上都有着优秀的表现。
不过从这几款5nm芯片的实际表现来看，一些用户并不买账，认为5nm手机芯片表现并没有达到预期，5nm芯片似乎遭遇了一场集体“翻车”。
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5nm芯片集体“翻车”，从
7nm到5nm的尴尬
最早商用的5nm芯片是去年10月份iPhone12系列手机搭载的A14仿生芯片，这款芯片晶体管达到118亿个，比A13多出近40%，且6核CPU和4核GPU使其CPU性能提升40%，图形性能提升30%，功耗降低30%。
紧接着华为发布麒麟9000，集成153亿个晶体管，8核CPU、24核GPU和NPU AI处理器，官方称其CPU性能提升25% ，GPU提升50%。
到了十二月份，高通和三星又相继发布了由三星代工的骁龙888和Exynos 1080，同样声称性能有较大提升，功耗下降。
最先被爆出疑似“翻车”的是A14。
据外媒9to5Mac报道，部分iPhone 12用户在使用手机时遇到了高耗电问题，待机一夜电量下降20%至40%，无论是在白天还是晚上，无论有没有开启更多的后台程序，结果依旧如此。
最广为用户诟病的还属骁龙888。
在首批使用者的测试中，不少数码评测博主都指出首发骁龙888的小米11性能提升有限，功耗直接上升。有人将此归结于骁龙888的代工厂三星的5nm工艺制程的不成熟，由此以来三星自己的两款5nm芯片也面临“翻车”风险。
如果按照摩尔定律，芯片的晶体管数量每隔18个月翻一番，性能也将提升一倍，但晶体管的微缩越来越难，如今在从7nm到5nm的推进中，手机芯片的表现似乎并不尽人意，不仅在性能提升方面受限，功耗也“翻车”，面临先进制程性价比上的尴尬。
为何5nm芯片频频翻车？当芯片工艺制程越先进时，性能与功耗究竟如何变化？
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设计时性能优先，制造时工艺不成熟
集成电路的功耗可以分为动态功耗和静态功耗。
动态功耗通俗易懂，指的是电路状态变化时产生的功耗，计算方法与普通电路类似，依据物理公式P=UI，动态功耗受到电压和电流的影响。
静态功耗即每个MOS管泄露电流产生的功耗，尽管每个MOS管产生的漏电流很小，但由于一颗芯片往往集成上亿甚至上百亿的晶体管，从而导致芯片整体的静态功耗较大。
在芯片工艺制程发展过程中，当工艺制程还不太先进时，动态功耗占比大，业界通过放弃最初的5V固定电压的设计模式，采用等比降压减慢功耗的增长速度。
不过，电压减小同样意味着晶体管的开关会变慢，部分更加注重性能的厂商，即便是采用更先进的工艺也依然保持5V供电电压，最终导致功耗增大。
随着工艺节点的进步，静态功耗的重要性逐渐显现。从英特尔和IBM的芯片工艺发展中可以看出，在工艺制程从180nm到45nm的演进过程中，晶体管集成度增速不同，动态功耗或增加或减少，但静态功耗一直呈上升趋势， 45nm时，静态功耗几乎与动态功耗持平。
尽管一些设计厂商宁愿在降低功耗上做出牺牲也要提升性能，但也不得不面对高功耗带来的负面影响。
对于用户而言，设备发热严重以及耗电严重是高功耗带来的直接影响，如果芯片散热不好，严重时会导致芯片异常甚至失效。
因此，行业内依然将低功耗设计视为芯片行业需要解决的问题之一，如何平衡先进节点下芯片的性能、功耗与面积（PPA），也是芯片设计与制造的挑战。
从理论上而言，芯片制程越先进，更低的供电电压产生更低的动态功耗，随着工艺尺寸进一步减小，已下降到0.13V的芯片电压难以进一步下降，以至于近几年工艺尺寸进一步减小时，动态功耗基本无法进一步下降。
在静态功耗方面，场效应管的沟道寄生电阻随节点进步而变小，在电流不变的情况下，单个场效应管的功率也变小。但另一方面，单位面积内晶体管数目倍速增长又提升静态功耗，因此最终单位面积内的静态功耗可能保持不变。
厂商为追求更低的成本，用更小面积的芯片承载更多的晶体管，看似是达成了制程越先进，芯片性能越好，功耗越低。但实际情况往往复杂得多，为提升芯片整体性能，有人增加核心，有人设计更复杂的电路，随之而来的是更多的路径刺激功耗增长，又需要新的方法来平衡功耗。
对芯片行业影响重大的FinFET就是平衡芯片性能与功耗的方法之一，通过类似于鱼鳍式的架构控制电路的连接和断开，改善电路控制并减少漏电流，晶体管的沟道也随之大幅度缩短，静态功耗随之降低。
不过，从7nm演进到5nm则更为复杂。
Moortec首席技术官Oliver King曾接受外媒体采访时称：“当我们升级到16nm或14nm时，处理器速度有了很大的提高，而且漏电流也下降得比较快，以至于我们在使用处理器时能够用有限的电量做更多的事情。不过当从7nm到5nm的过程中，漏电情况又变得严重，几乎与28nm水平相同，现在我们不得不去平衡他们。”
Cadence的数字和签准组高级产品管理总监Kam Kittrell也曾表示，“很多人都没有弄清能够消耗如此多电能的东西，他们需要提前获取工作负载的信息才能优化动态功耗。长期以来，我们一直专注于静态功耗，以至于一旦切换到FinFET节点时，动态功耗就成为大问题。另外多核心的出现也有可能使系统过载，因此必须有更智能的解决方案。”
这是5nm芯片设计、制造公司共同面临的问题，因此也就能够稍微明白为何现有的几款5nm芯片集体“翻车”。不成熟的设计与制造都会影响性能与功耗的最大化折中，当然也不排除芯片设计厂商为追求性能更好的芯片，而不愿花大力气降低功耗的情况。
尴尬的是，越顶尖的工艺，需要的资金投入就越大，事实上追求诸如7nm、5nm等先进工艺的领域并不多，如果先进的工艺无法在功耗与性能上有极大的改善，那么追求更加先进的制程似乎不再有原本的意义。
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走向3nm，真的准备好了吗？
根据市场研究机构International Business Strategies (IBS)给出的数据显示，65nm 工艺时的设计成本只需要0.24亿美元，到了28nm工艺时需要0.629亿美元，7nm和5nm成本急速增长，5nm设计成本达到4.76亿美元。
同时，根据乔治敦大学沃尔什外交学院安全与新兴技术中心（CSET）的两位作者编写的一份题为《AI Chips: What They Are and Why They Matter》的报告，作者借助模型预估得出台积电每片5nm晶圆的收费可能约为17,000美元，是7nm的近两倍。
在估算的模型中，作者估算出每颗5nm芯片需要238美元的制造成本，108美元的设计成本以及80美元的封装和测试成本。这使得芯片设计公司将为每颗5nm芯片支付高到426美元（约2939元）的总成本金额。
这意味着，无论是芯片设计厂商还是芯片制造厂商，遵循摩尔定律发展到5nm及以下的先进制程，除了需要打破技术上的瓶颈，还需要有巨大的资本作为支撑，熬过研发周期和测试周期，为市场提供功耗和性能均有改善的芯片最终进入回报期。
因此，并不是业界所有人都对5nm芯片的推进持积极乐观的态度。芯片IP供应商Kandou的首席执行官Amin Shokrollahi曾在接受外媒采访时表示：“对我们而言，从7nm到5nm 是令人讨厌的，电路不会按比例缩放，而且需要很多费用，我们没有看到这其中的优势。但是客户希望我们这样做，所以我们不得不这样做。”
还有全球第二大芯片代工厂Global Foundries出于经济考虑，于2018年宣布搁置7nm 项目，将资源回归12nm/14nm 上。就连实力强大的英特尔也在10nm、7nm的研发过程中多次受阻。
不过，这依然无法阻止各家手机芯片设计厂商在先进制程上的竞争，更无法阻止三星和台积电之间的制程霸主争夺。
此前雷锋网报道过，在先进制程的芯片制造方面，三星视台积电为最大的竞争对手，三星在同台积电的竞争中，先进制程的推进断断续续，曾经为了先发制人直接从7nm跳到7nm LPP EUV，二者同时在2020年实现5nm FF EUV 的量产，如今又都斥巨资投入3nm的研发与量产中。
上周五，台积电CEO魏哲家在投资人会议上宣布，台积电2021年资本的支出将高到250亿至280亿美元，其中80%会使用在包括3nm、5nm及7nm的先进制程上，10%用在高端封装及光罩作用，另外10%用在特殊制程上。
根据台积电3nm制程的进度，预计将在2021年试产，在2022年下半年进入量产，帮助英特尔代工3nm处理器芯片。
与此同时，三星也曾对外称其3nm GAA的成本可能会超过5亿美元，预期在2022年大规模生产采用比FinFET更为先进的GAAFET 3nm制程芯片。
回归到5nm移动处理器的实际情况，无论是出自哪家厂商的设计与生产，均面临性能和功耗方面的问题，5nm芯片似乎还未成熟，3nm量产就要今年开始试产。越来越趋于摩尔定律极限的3nm，真的准备好了吗？
本文参考来源：
https://www.leiphone.com/news/202009/ft8Mx9l2A1T3kCru.html
https://semiengineering.com/power-and-performance-optimization-at-7-5-3nm/
http://www.paper.edu.cn/scholar/showpdf/MUT2EN1IOTD0Mx3h
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