5nm 芯片集体 “翻车” 从 7nm 到 5nm 的尴尬

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”。

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?

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。

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?

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