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  • 2021年,“芯片”大概是科技行业出镜率最高的一个词汇了。受到新冠疫情的影响,全球的芯片供应持续紧张,各种芯片一直处于供不应求的缺货状态。从显卡、CPU、手机芯片乃至汽车芯片都是如此。
    不信,科友们可以看一下现在的显卡市场,可谓是一卡难求,加价大几千更是家常便饭。汽车芯片更是缺货到让车企直接减产甚至停产。
    手机这边也好不到哪儿去,由于5G基带、NPU等模块都整合进了芯片,这导致手机芯片的集成度越来越高,制造难度也是直线上升。所以今年的旗舰乃至中端手机芯片都纷纷用上了最先进的5nm制程。
    而目前能够量产5nm芯片的代工厂只有台积电和三星,其中又以台积电的5nm好一些,三星则次之。根据市场报告显示,台积电2020年独占54%芯片代工市场份额,而三星份额只有17%。
    先进归先进,但是全新的5nm制程也带来了一系列问题,比如功耗高、发热量大以及性能提升有限等等。
    5nm制程芯片集体翻车
    结果就是今年的5nm芯片,实际表现集体翻车。
    那么,采用5nm制程的芯片到底翻车有多严重?为何最先进的5nm居然翻车了?
    别急,科技君慢慢给你们说。
    苹果A14作为业界首款采用5nm工艺的芯片被寄予厚望。苹果号称A14的CPU性能提升40%,图形性能提升30%,这么一看貌似还行,但其实这是和A12对比的结果,并非对比A13!
    科技君大概换算了一下,如果对比A13,CPU性能提升约16%,图形性能提升仅约8.3%。
    随后外媒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。
    此外,爱范儿对搭载A14芯片的iPhone12运行《原神》游戏测试表明,20分钟后,手机背面最高温度达到47℃。科技君也发现,iPhone在运行大型游戏时发热确实比较严重。
    总结起来就是一句话:性能提升不大,但是发热耗电可不小。
    苹果A14采用的还是相对较好的台积电5nm工艺。而前段时间发布的高通骁龙888采用了三星的5nm工艺,情况则更加糟糕。
    从B站UP主极客湾对历代高通骁龙旗舰芯片的评测中可以看出,单核功耗上,骁龙865最低,为2.3瓦,其次是骁龙855的2.4瓦,骁龙888最高,为3.3瓦,也就是说,骁龙888的单核功耗相比前代骁龙865高了整整1瓦。
    多核功耗方面,最低的依然是骁龙865,仅为5.9瓦,其次是骁龙855的6.1瓦,骁龙888依然落在最后,功耗高达7.8瓦,为骁龙865的1.32倍。
    单核以及多核的能效比方面,骁龙888也是大幅落后于上代旗舰骁龙865。
    可能很多人对7.8瓦没啥概念,科技君大概说一下,英特尔采用10nm工艺的第11代酷睿低压处理器的功耗大约是7-15W之间,这还是X86架构的处理器,在功耗方面本身并不占优。
    而骁龙888作为一颗5nm的低功耗ARM架构处理器,其功耗竟然也达到7.8瓦!在制程和架构都占优的情况下居然还讨不到便宜,这样的表现实在让人一言难尽。可见三星的5nm工艺比台积电的翻车更严重。
    如此严重的翻车,导致高通前几日不得不发布骁龙870来救场,大家可以把骁龙870简单的理解为骁龙865的超频版本,它采用的是更为成熟的7nm工艺。如无意外,表现应该很稳。
    这车是已经翻了,但主要问题在苹果和高通吗?
    晶体管漏电是元凶
    并不!主要问题在于台积电和三星的5nm制程上。说的再直白一点,问题出在晶体管漏电上。晶体管漏电是所有集成电路和芯片不可避免的一个问题。
    我们先来简单说一下什么是晶体管漏电。首先,无论是A14还是骁龙888,这些手机芯片的本质都是数字集成电路。而数字集成电路的功耗大致上可分为两部分,即电路逻辑状态转换产生的动态功耗,以及CMOS晶体管各种泄露电流产生的静态功耗(又称漏电流功耗)。
    早些年,芯片制程还不算太先进,动态功耗占据了芯片功耗的绝大部分。但近年来随着工艺制程的进步,静态功耗占比越来越大,也就是说晶体管漏电更加严重了。
     
    有数据显示,在90nm工艺的电路中,静态功耗可以占到总功耗的40%以上。
    芯片制程越先进,晶体管漏电也就越严重。其原因在于每一代芯片制程的进步都是以缩短CMOS晶体管的沟道长度为目标,5nm工艺指的就是指沟道长度为5nm。
    沟道长度不断缩短,使得电源电压、阈值电压、栅极氧化层厚度等工艺参数也在不断地按比例缩小,直接导致短沟道效应(SCE)、栅极隧穿电流、结反偏隧穿电流等漏电流机制越来越显著,表现为芯片漏电流功耗不断上升。
    需要说明的是沟道长度和漏电功耗之间的关系并非简单的线性比例关系。越是先进的制程,沟道长度哪怕缩短一点,漏电功耗都会指数型上升。
    研究表明,当晶体管的沟道长度从130nm缩短到90nm时,即缩小30.77%,漏电流功耗上升大约39.25%,但缩短到45nm,即缩小65.4%时,漏电流功耗上升大约273.28%。到了如今的5nm漏电功耗自然不小。
    晶体管漏电现象困扰着每一个半导体厂商,因此大家都拼了命的降低漏电功耗。但台积电和三星当下使用的鳍式场效应晶体管(FinFET)技术潜力已经被压榨的所剩无几,其实早在7nmEUV工艺的时候,这种老旧的鳍式场效应晶体管就该退役了。但出于成本和风险等各种因素考虑它被沿用至今。结果就导致了现在的5nm漏电率居高不下,几乎将制程红利消耗殆尽。
     
    至于鳍式场效应晶体管FinFET的继任者环绕栅极晶体管(GAAFET)则会在下一代更先进的3nm制程上使用。
    坑爹的LPE和成熟的LPP
    其实大家不难发现,从14nm开始,制程上每进步一个数量级都要经过2代的更新,即初代的LPE技术和次年更成熟的LPP技术。14nm、10nm、7nm都是如此。通常来说每个工艺节点的初代LPE技术在功耗和发热表现上都比较差,往往要等到更加成熟的LPP技术应用了才能达成所谓的完全体。
    关于LPE与LPP技术的区别,有一个鲜活的例子:当年iPhone6s搭载的A9处理器分别交由台积电和三星代工,结果台积电的芯片能效表现明显优于三星的,其原因就是因为在几乎同样的制程上台积电采用了更成熟的LPP技术,而三星则采用早期的LPE技术。
    而现在的5nm工艺制程都采用的是LPE技术。
    不必吃惊 理性看待翻车
    所以,科技君认为关于5nm芯片集体翻车这事儿大家也不用大惊小怪,甚至可以说这就是芯片发展的一个规律。毕竟是第一代的5nm制程,大家理解万岁。
    但实话实说,今年的5nm制程确实严重翻车,这点无论如何没得洗。尤其是三星的5nm制程,已经迫使高通不得不把去年的骁龙865拿去旧瓶装新酒弄了个骁龙870出来,这可是之前从来没有过的操作。
    科技君倒是觉得今年的骁龙888颇有点当年骁龙810翻车的影子,历史总是惊人的相似,希望明年的5nm制程能发挥出应有的水准。
    最后,关于5nm芯片集体翻车这事儿科友们是怎么看的呢?
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    凯崖之家 » 5nm芯片集体翻车,这锅到底谁来背?

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