5纳米芯片集体“尴尬” 先进工艺尴尬
从2020年下半年开始,各种手机芯片厂商开始了对5nm芯片的激烈竞争。苹果、华为、高通、三星先后推出旗舰5nm移动处理器,号称无论是性能还是功耗都有着出色的表现。
但从这5nm芯片的实际性能来看,有些用户并没有购买,认为5nm手机芯片的性能没有达到预期,5nm芯片似乎遭遇了集体“翻车”。
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月搭载在iPhone12系列手机上的A14仿生芯片。这个芯片有118亿个晶体管,比A13多了将近40%。6核CPU和4核GPU可提高CPU性能40%,显卡性能30%,功耗30%。然后华为发布了麒麟9000,集成了153亿个晶体管,8核CPU,24核GPU,NPU AI处理器。官方称其CPU性能提升25%,GPU提升50%。
12月,高通和三星先后发布了三星生产的Snapdragon 888和Exynos 1080。他们还声称性能大大提高,功耗降低。
A14是第一个被怀疑“翻车”的。
据外媒9to5Mac报道,部分iPhone 12用户在使用手机时遇到了高功耗,一夜之间功耗下降了20%到40%,无论是白天还是晚上,无论是否打开了更多的后台程序,结果都保持不变。
用户批评最多的是Snapdragon 888。
在第一批用户的测试中,很多数字评测博主指出,小米11,首款Snapdragon 888,性能提升有限,直接增加了功耗。有人把这归咎于小龙888的代工厂三星的5nm工艺不成熟。此后,三星自己的两款5nm芯片也面临“翻车”的风险。
根据摩尔定律,芯片中的晶体管数量每18个月就会翻倍,性能也会翻倍,但是缩小晶体管越来越难。如今从7nm到5nm的推进,手机芯片的性能似乎不尽如人意,不仅性能提升有限,功耗也“颠覆”,面临先进工艺性价比的尴尬。
5nm芯片为什么经常翻车?芯片工艺越先进,性能和功耗会有怎样的变化?
设计时性能优先,制造时工艺不成熟
IC的功耗可以分为动态功耗和静态功耗。动态功耗很好理解,是指电路状态变化时的功耗。计算方法与普通电路相似。根据物理公式P=UI,动态功耗受电压和电流影响。
静态功耗是各MOS管漏电流引起的功耗。虽然每个MOS管的漏电流都很小,但一个芯片往往集成几亿甚至几十亿个晶体管,导致整个芯片的静态功耗更大。
在芯片工艺的开发过程中,当工艺不先进时,动态功耗占很大比例。业界放弃了原来5V固定电压的设计模式,采用等比降压来减缓功耗的增长速度。
但电压降低也意味着晶体管的开关会变慢,一些更注重性能的厂商即使采用更先进的技术,仍然会保持5V的电源电压,最终导致功耗增加。
随着流程节点的进步,静态功耗的重要性逐渐显现。从Intel和IBM的芯片工艺发展可以看出,在180nm到45nm的工艺演变过程中,晶体管集成度增长率不同,动态功耗有增有减,但静态功耗始终呈上升趋势。在45nm处,静态功耗几乎等于动态功耗。
虽然有些设计师宁愿牺牲功耗,提高性能,但也要面对高功耗的负面影响。
对于用户来说,设备发热、耗电严重是高耗电的直接影响。如果芯片散热不好,会导致芯片异常甚至失效。
理论上,芯片工艺越先进,电源电压越低,动态功耗越低。随着工艺尺寸的进一步减小,已经下降到0.13伏的芯片电压很难进一步降低,因此近年来当工艺尺寸进一步减小时,动态功耗不能进一步降低。
静态功耗方面,FET的寄生电阻随着节点的进展而减小,单个FET的功耗也随着恒流而减小。另一方面,单位面积晶体管数量的双速增加增加了静态功耗,因此单位面积静态功耗可能保持不变。
为了追求更低的成本,制造商使用更小的芯片来携带更多的晶体管。似乎工艺越先进,芯片性能越好,功耗越低。然而实际情况往往要复杂得多。为了提高芯片的整体性能,有人添加内核,有人设计更复杂的电路。与此同时,更多的路径刺激了功耗的增长,需要新的方法来平衡功耗。
对芯片行业影响很大的FinFET是平衡芯片性能和功耗的途径之一。通过控制类似鱼鳍结构的电路的通断,改善了电路控制,降低了漏电流,大大缩短了晶体管的沟道,降低了静态功耗。
然而,从7纳米到5纳米的演变更加复杂。
穆尔泰克首席技术官奥利弗金(Oliver King)在接受外国媒体采访时说:
“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。
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?
热点推荐
- · 看看在黑暗中发光的三菱Evo汽车
Dip Your Car进行了一项实验,将三菱Evo转变为夜光汽车,其结果发布在同名的YouTube频道上。事实证明,将荧光漆涂在具有光亮层的身体上并
- · Memoji现在可以在最新的苹果iOS 1...
我认为这是我们只能与Emojis聊天的时候了,您的朋友仍然会理解您要说的话。如今,随着疯狂的表情符号数量的增加,您可以从表情符号选项卡中
- · 联想使用高通Snapdragon 865制造...
根据在weibo com上发布的图像,看来联想可能会推出自己的游戏智能手机,该智能手机将配备高通公司的顶级Snapdragon 865芯片组。此外,发布
- · 新消息确认荣耀X50Pro5G智能手机的...
昨天,realme宣布将在线发布 realme X50 Pro 5G。但很明显,该公司无意放弃这种戏弄,最新消息证实该智能手机的显示屏将具有90Hz的刷新
- · 在2020年亚马逊Prime Day期间可获...
亚马逊2020年Prime Day为各种耳机带来了很多优惠,包括索尼的新型WH-1000XM4无线耳挂式耳机,该耳机具有市场上最好的噪音消除功能。这套特
- · 索尼最好的降噪耳机在Prime Day上...
如果您从Verge链接购买商品,Vox Media可能会赚取佣金。请参阅我们的道德声明。2020年黄金日的第二天也是最后一天,但接下来的几个小时仍
- · Spotify现在拥有自己的iOS 14小部件
自iOS 14发布以来的几周内,越来越多的应用程序在增加新功能,以利用Apple最新更新中的功能。现在,Spotify也加入了。今天,领先的订阅音
- · 苹果TV应用程序出现在Sony的一些最...
如果您从Verge链接购买商品,Vox Media可能会赚取佣金。请参阅我们的道德声明。苹果的Apple TV应用程序首次进入了Android TV。索尼宣布
- · 宏G支持G-Sync的27英寸4K 144Hz游...
如果您从Verge链接购买商品,Vox Media可能会赚取佣金。请参阅我们的道德声明。宏A在亚马逊上的27英寸4K Predator游戏显示器的闪电交易持
- · 谷歌Glass正在添加Meet 以便远程...
您可能已经有一段时间没有考虑过Google Glass了,但其抬头显示器的企业版却有了一个巧妙的新技巧:它将能够使用Google Meet(以前称为Hang
- · 贝尔金的首批MagSafe产品是外观精...
苹果公司新的MagSafe配件生态系统还没有建立一天,但是Belkin已经开始使用新的使用磁性充电系统的充电配件,并推出了新的BoostCharge Pro
- · 谷歌的新手势系统将可用于所有Pixel设备
除了触摸屏幕或按下按钮外,我们还有许多其他方式可以与智能手机进行交互。借助最新的Google Pixel 4 系列的Motion Sense ,我们可以
- · 华为于2020年推出其6nm麒麟820 5G芯片
华为最近宣布,他们可能会推出新的麒麟820 5G芯片组,该芯片组将在2020年2月24日晚上9点举行的在线会议上揭晓。根据gizchina com的声明,
- · 华为将开发一款具有多达8个摄像头...
最近花姐发现有诸多的小伙伴们对于华为将开发一款具有多达8个摄像头传感器的智能手机吗这个问题都颇为感兴趣的,大家也都想要及时了解到华
- · 配备64MP AI Quad相机的荣耀6系...
realme在其官方网站上发布了一张图片,其中提到realme 6系列(包括realme 6以及Pro变体)将于2020年3月5日发布。虽然关于上述智能手机的完
- · 未来的智能手机会使用用户可更换的...
根据fd nl上的一份报告,看来欧盟正在制定一项提案,要求智能手机具有用户可更换的电池。这是由于以下事实:用户通常将旧的智能手机换成较
- · FlyPods 3是HONOR为您呈现的全新...
除了HONOR View 30 Pro 和HONOR 9X Pro,HONOR在巴塞罗那举行的发布会上也给我们带来了另一个惊喜。该公司已经宣布了名为HONOR FlyP
- · LG推出V60 ThinQ 5G智能手机和改...
大约两周前,我们得到了LG即将推出的旗舰智能手机的渲染图 ,暗示了其内部外观。好吧,渲染似乎很准确。LG正式发布了V60 ThinkQ 5G,已
- · 据说苹果的2020年WWDC将举行 传闻...
由于使用了COVID-19病毒,该疾病已成功地减慢了速度,并取消了大多数事件。最近的一次是2020年世界移动通信大会,也有谣言说东京奥运会也将
- · 三星为下一代智能手机推出12GB LPDDR4X DRAM
三星宣布将发布其用于下一代智能手机的新型12GB LPDDR4X DRAM,该芯片旨在用于未来的手机。我们可以预计,今年新的12GB LPDDR4X DRAM将