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從2020年下半年開始，各家手機芯片廠商就開始了激烈的5nm芯片角逐，蘋果、華為、高通、三星相繼推出旗艦級5nm移動處理器，并宣稱無論是在性能上還是在功耗上都有著優(yōu)秀的表現(xiàn)。
不過從這幾款5nm芯片的實際表現(xiàn)來看，一些用戶并不買賬，認為5nm手機芯片表現(xiàn)并沒有達到預期，5nm芯片似乎遭遇了一場集體“翻車”。
5nm芯片集體“翻車”，從7nm到5nm的尷尬
最早商用的5nm芯片是去年10月份iPhone12系列手機搭載的A14仿生芯片，這款芯片晶體管達到118億個，比A13多出近40%，且6核CPU和4核GPU使其CPU性能提升40%，圖形性能提升30%，功耗降低30%。
緊接著華為發(fā)布麒麟9000，集成153億個晶體管，8核CPU、24核GPU和NPU AI處理器，官方稱其CPU性能提升25% ，GPU提升50%。
到了十二月份，高通和三星又相繼發(fā)布了由三星代工的驍龍888和Exynos 1080，同樣聲稱性能有較大提升，功耗下降。
最先被爆出疑似“翻車”的是A14。
據(jù)外媒9to5Mac報道，部分iPhone 12用戶在使用手機時遇到了高耗電問題，待機一夜電量下降20%至40%，無論是在白天還是晚上，無論有沒有開啟更多的后臺程序，結(jié)果依舊如此。
最廣為用戶詬病的還屬驍龍888。
在首批使用者的測試中，不少數(shù)碼評測博主都指出首發(fā)驍龍888的小米11性能提升有限，功耗直接上升。有人將此歸結(jié)于驍龍888的代工廠三星的5nm工藝制程的不成熟，由此以來三星自己的兩款5nm芯片也面臨“翻車”風險。
如果按照摩爾定律，芯片的晶體管數(shù)量每隔18個月翻一番，性能也將提升一倍，但晶體管的微縮越來越難，如今在從7nm到5nm的推進中，手機芯片的表現(xiàn)似乎并不盡人意，不僅在性能提升方面受限，功耗也“翻車”，面臨先進制程性價比上的尷尬。
為何5nm芯片頻頻翻車？當芯片工藝制程越先進時，性能與功耗究竟如何變化？
設計時性能優(yōu)先，制造時工藝不成熟
集成電路的功耗可以分為動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。
動態(tài)功耗通俗易懂，指的是電路狀態(tài)變化時產(chǎn)生的功耗，計算方法與普通電路類似，依據(jù)物理公式P=UI，動態(tài)功耗受到電壓和電流的影響。
靜態(tài)功耗即每個MOS管泄露電流產(chǎn)生的功耗，盡管每個MOS管產(chǎn)生的漏電流很小，但由于一顆芯片往往集成上億甚至上百億的晶體管，從而導致芯片整體的靜態(tài)功耗較大。
在芯片工藝制程發(fā)展過程中，當工藝制程還不太先進時，動態(tài)功耗占比大，業(yè)界通過放棄最初的5V固定電壓的設計模式，采用等比降壓減慢功耗的增長速度。
不過，電壓減小同樣意味著晶體管的開關會變慢，部分更加注重性能的廠商，即便是采用更先進的工藝也依然保持5V供電電壓，最終導致功耗增大。
隨著工藝節(jié)點的進步，靜態(tài)功耗的重要性逐漸顯現(xiàn)。從英特爾和IBM的芯片工藝發(fā)展中可以看出，在工藝制程從180nm到45nm的演進過程中，晶體管集成度增速不同，動態(tài)功耗或增加或減少，但靜態(tài)功耗一直呈上升趨勢， 45nm時，靜態(tài)功耗幾乎與動態(tài)功耗持平。
盡管一些設計廠商寧愿在降低功耗上做出犧牲也要提升性能，但也不得不面對高功耗帶來的負面影響。
對于用戶而言，設備發(fā)熱嚴重以及耗電嚴重是高功耗帶來的直接影響，如果芯片散熱不好，嚴重時會導致芯片異常甚至失效。
因此，行業(yè)內(nèi)依然將低功耗設計視為芯片行業(yè)需要解決的問題之一，如何平衡先進節(jié)點下芯片的性能、功耗與面積（PPA），也是芯片設計與制造的挑戰(zhàn)。
從理論上而言，芯片制程越先進，更低的供電電壓產(chǎn)生更低的動態(tài)功耗，隨著工藝尺寸進一步減小，已下降到0.13V的芯片電壓難以進一步下降，以至于近幾年工藝尺寸進一步減小時，動態(tài)功耗基本無法進一步下降。
在靜態(tài)功耗方面，場效應管的溝道寄生電阻隨節(jié)點進步而變小，在電流不變的情況下，單個場效應管的功率也變小。但另一方面，單位面積內(nèi)晶體管數(shù)目倍速增長又提升靜態(tài)功耗，因此最終單位面積內(nèi)的靜態(tài)功耗可能保持不變。
廠商為追求更低的成本，用更小面積的芯片承載更多的晶體管，看似是達成了制程越先進，芯片性能越好，功耗越低。但實際情況往往復雜得多，為提升芯片整體性能，有人增加核心，有人設計更復雜的電路，隨之而來的是更多的路徑刺激功耗增長，又需要新的方法來平衡功耗。
對芯片行業(yè)影響重大的FinFET就是平衡芯片性能與功耗的方法之一，通過類似于魚鰭式的架構控制電路的連接和斷開，改善電路控制并減少漏電流，晶體管的溝道也隨之大幅度縮短，靜態(tài)功耗隨之降低。
不過，從7nm演進到5nm則更為復雜。
Moortec首席技術官Oliver King曾接受外媒體采訪時稱：“當我們升級到16nm或14nm時，處理器速度有了很大的提高，而且漏電流也下降得比較快，以至于我們在使用處理器時能夠用有限的電量做更多的事情。不過當從7nm到5nm的過程中，漏電情況又變得嚴重，幾乎與28nm水平相同，現(xiàn)在我們不得不去平衡他們。”
Cadence的數(shù)字和簽準組高級產(chǎn)品管理總監(jiān)Kam Kittrell也曾表示，“很多人都沒有弄清能夠消耗如此多電能的東西，他們需要提前獲取工作負載的信息才能優(yōu)化動態(tài)功耗。長期以來，我們一直專注于靜態(tài)功耗，以至于一旦切換到FinFET節(jié)點時，動態(tài)功耗就成為大問題。另外多核心的出現(xiàn)也有可能使系統(tǒng)過載，因此必須有更智能的解決方案。”
這是5nm芯片設計、制造公司共同面臨的問題，因此也就能夠稍微明白為何現(xiàn)有的幾款5nm芯片集體“翻車”。不成熟的設計與制造都會影響性能與功耗的最大化折中，當然也不排除芯片設計廠商為追求性能更好的芯片，而不愿花大力氣降低功耗的情況。
尷尬的是，越頂尖的工藝，需要的資金投入就越大，事實上追求諸如7nm、5nm等先進工藝的領域并不多，如果先進的工藝無法在功耗與性能上有極大的改善，那么追求更加先進的制程似乎不再有原本的意義。
走向3nm，真的準備好了嗎？
根據(jù)市場研究機構International Business Strategies (IBS)給出的數(shù)據(jù)顯示，65nm 工藝時的設計成本只需要0.24億美元，到了28nm工藝時需要0.629億美元，7nm和5nm成本急速增長，5nm設計成本達到4.76億美元。
同時，根據(jù)喬治敦大學沃爾什外交學院安全與新興技術中心（CSET）的兩位作者編寫的一份題為《AI Chips: What They Are and Why They Matter》的報告，作者借助模型預估得出臺積電每片5nm晶圓的收費可能約為17,000美元，是7nm的近兩倍。
在估算的模型中，作者估算出每顆5nm芯片需要238美元的制造成本，108美元的設計成本以及80美元的封裝和測試成本。這使得芯片設計公司將為每顆5nm芯片支付高到426美元（約2939元）的總成本金額。
這意味著，無論是芯片設計廠商還是芯片制造廠商，遵循摩爾定律發(fā)展到5nm及以下的先進制程，除了需要打破技術上的瓶頸，還需要有巨大的資本作為支撐，熬過研發(fā)周期和測試周期，為市場提供功耗和性能均有改善的芯片最終進入回報期。
因此，并不是業(yè)界所有人都對5nm芯片的推進持積極樂觀的態(tài)度。芯片IP供應商Kandou的首席執(zhí)行官Amin Shokrollahi曾在接受外媒采訪時表示：“對我們而言，從7nm到5nm 是令人討厭的，電路不會按比例縮放，而且需要很多費用，我們沒有看到這其中的優(yōu)勢。但是客戶希望我們這樣做，所以我們不得不這樣做。”
還有全球第二大芯片代工廠Global Foundries出于經(jīng)濟考慮，于2018年宣布擱置7nm 項目，將資源回歸12nm/14nm 上。就連實力強大的英特爾也在10nm、7nm的研發(fā)過程中多次受阻。
不過，這依然無法阻止各家手機芯片設計廠商在先進制程上的競爭，更無法阻止三星和臺積電之間的制程霸主爭奪。
此前雷鋒網(wǎng)報道過，在先進制程的芯片制造方面，三星視臺積電為最大的競爭對手，三星在同臺積電的競爭中，先進制程的推進斷斷續(xù)續(xù)，曾經(jīng)為了先發(fā)制人直接從7nm跳到7nm LPP EUV，二者同時在2020年實現(xiàn)5nm FF EUV 的量產(chǎn)，如今又都斥巨資投入3nm的研發(fā)與量產(chǎn)中。
上周五，臺積電CEO魏哲家在投資人會議上宣布，臺積電2021年資本的支出將高到250億至280億美元，其中80%會使用在包括3nm、5nm及7nm的先進制程上，10%用在高端封裝及光罩作用，另外10%用在特殊制程上。
根據(jù)臺積電3nm制程的進度，預計將在2021年試產(chǎn)，在2022年下半年進入量產(chǎn)，幫助英特爾代工3nm處理器芯片。
與此同時，三星也曾對外稱其3nm GAA的成本可能會超過5億美元，預期在2022年大規(guī)模生產(chǎn)采用比FinFET更為先進的GAAFET 3nm制程芯片。
回歸到5nm移動處理器的實際情況，無論是出自哪家廠商的設計與生產(chǎn)，均面臨性能和功耗方面的問題，5nm芯片似乎還未成熟，3nm量產(chǎn)就要今年開始試產(chǎn)。越來越趨于摩爾定律極限的3nm，真的準備好了嗎？
封面圖源自阿里云
本文參考來源：
http://m.35crmo.cc/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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