從蘋(píng)果在2020年9月的iPad Pro上率先采用5nm工藝的A14 Bionic，隨后華為、高通、三星也相繼推出5nm工藝的旗艦級(jí)SoC。

WikiChips分析后估計(jì)，臺(tái)積電5nm的柵極間距為48nm、金屬間距30nm、鰭片間距25-26nm，單元高度約為180nm。

從而推算出臺(tái)積電5nm的晶體管密度為1.713億個(gè)每平方毫米，比初代7nm每平方毫米9120萬(wàn)個(gè)增加88%，臺(tái)積電官方宣傳的數(shù)字是84%。

第一款出貨的5nm芯片，是蘋(píng)果2020年10月份發(fā)布并上市的A14仿生芯片，這款SoC的晶體管數(shù)量達(dá)到118億個(gè)，比A13多大約40%。

而且使6核CPU性能提升40%，4核圖形GPU性能提升30%，功耗降低30%。

第二款華為麒麟9000則集成153億個(gè)晶體管，8核CPU、24核GPU和NPU AI處理器，官方稱CPU性能提升25%，GPU提升50%。

按照摩爾定律，芯片的晶體管數(shù)量每隔18-24個(gè)月翻一番，性能提升一倍。

但隨著半導(dǎo)體技術(shù)逐漸接近物理瓶頸，晶體管尺寸的微縮越來(lái)越難。

從7nm推進(jìn)到5nm的手機(jī)芯片的表現(xiàn)似乎并不盡人意，不僅在性能提升有限，功耗也面臨“翻車(chē)”。特別是很多用戶并不買(mǎi)5nm芯片的賬，認(rèn)為5nm手機(jī)芯片表現(xiàn)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期。

外媒9to5Mac首先指出，部分iPhone 12用戶在使用手機(jī)時(shí)遇到高耗電問(wèn)題，待機(jī)一夜電量下降20%至40%，哪怕有沒(méi)有開(kāi)啟更多的后臺(tái)程序，結(jié)果不變。

工藝、IC設(shè)計(jì)與功耗的平衡

為什么5nm芯片翻車(chē)？主要原因是制造工藝不成熟。

在多數(shù)人眼中，芯片設(shè)計(jì)和制造工藝是互相獨(dú)立的，但事實(shí)并非如此。制造工藝和IC設(shè)計(jì)不匹配時(shí)，便會(huì)造成一些問(wèn)題，包括功耗、性能等。

集成電路的功耗可以分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗通常指電路狀態(tài)變化時(shí)產(chǎn)生的功耗，計(jì)算方法與普通電路的P=UI物理公式相同，動(dòng)態(tài)功耗受到電壓和電流的影響。

靜態(tài)功耗即每個(gè)MOS管泄露電流產(chǎn)生的功耗，盡管每個(gè)MOS管產(chǎn)生的漏電流很小，但一顆集成上億甚至上百億晶體管的芯片，累計(jì)的芯片態(tài)功耗就會(huì)比較大。

在芯片工藝制程發(fā)展過(guò)程中，當(dāng)工藝制程還不太先進(jìn)時(shí)的動(dòng)態(tài)功耗占比大，業(yè)界通過(guò)放棄最初的5V固定電壓的設(shè)計(jì)模式，采用等比降壓減慢功耗的增長(zhǎng)速度。

減小電壓意味著晶體管的開(kāi)關(guān)會(huì)變慢，更加注重性能的廠商即便采用更先進(jìn)的工藝，也依然保持5V供電電壓，導(dǎo)致功耗增大。

由于對(duì)性能需求不同，也就產(chǎn)生了高性能和高能效兩種產(chǎn)品。諸如桌面、服務(wù)器等高性能CPU、GPU，便采用5V供電電壓，確保響應(yīng)速度和性能。

也有廠商選擇降低功耗，雖然會(huì)損失一部分性能，無(wú)需像高性能產(chǎn)品那般面對(duì)高功耗帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

但對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)，設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重和高功耗會(huì)直接影響使用體驗(yàn)，芯片散熱差嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致芯片異常甚至失效。

所以半導(dǎo)體行業(yè)一直將低功耗設(shè)計(jì)視為芯片行業(yè)需要解決的問(wèn)題之一，如何平衡先進(jìn)節(jié)點(diǎn)下芯片的性能、功耗與面積（PPA）也是芯片設(shè)計(jì)與制造的挑戰(zhàn)。

理論芯片制程越先進(jìn)，使用更低的供電電壓產(chǎn)生更低的動(dòng)態(tài)功耗，但工藝尺寸進(jìn)一步減小后，芯片的典雅來(lái)到0.13V以后便難以繼續(xù)下降，也導(dǎo)致了近幾年工藝尺寸減小時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗無(wú)法進(jìn)一步下降。

靜態(tài)功耗方面，場(chǎng)效應(yīng)管的溝道寄生電阻隨節(jié)點(diǎn)進(jìn)步變小，在電流不變的情況下，單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)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(zhǎng)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(dá)成制程越先進(jìn)、芯片性能越好、功耗越低。

但實(shí)際情況更復(fù)雜，有的廠商通過(guò)增加核心、也有通過(guò)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路，無(wú)論是增加核心還是設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路，都需要面對(duì)功耗激增的問(wèn)題，兩者之間又需要尋找新方法進(jìn)行平衡。

晶體管結(jié)構(gòu)的升級(jí)

國(guó)際商業(yè)戰(zhàn)略IBS公司主席兼CEO就曾表示，傳統(tǒng)Bulk CMOS工藝技術(shù)將在20nm走到盡頭，必須用創(chuàng)新的思路和方法尋找新的替代工藝。

胡正明教授在2020年提出全耗盡型絕緣體上硅（FD-SOI）工藝;目前行業(yè)廣泛采用鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）則是1999年發(fā)明。

FinFET工藝很好的平衡了20nm至5nm之間的芯片性能與功耗，類(lèi)似于魚(yú)鰭式的架構(gòu)控制電路的連接和斷開(kāi)，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。

Moortec首席技術(shù)官曾接受外媒體采訪時(shí)稱：當(dāng)制造工藝升級(jí)到16nm或14nm時(shí)，處理器速度的到很大的提高，而且漏電流也下降得比較快，以至于我們?cè)谑褂锰幚砥鲿r(shí)能夠用有限的電量做更多的事情。

但從7nm升級(jí)到5nm的過(guò)程中，漏電情況幾乎與28nm水平相同，以至于廠商需要重新平衡功耗和性能之間的關(guān)系。

Cadence的數(shù)字和簽準(zhǔn)組高級(jí)產(chǎn)品管理總監(jiān)Kam Kittrell也曾表示，很多人都沒(méi)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(fù)載的信息才能優(yōu)化動(dòng)態(tài)功耗。

長(zhǎng)期以來(lái)，我們一直專注于靜態(tài)功耗，以至于一旦切換到FinFET節(jié)點(diǎn)時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗就成為大問(wèn)題。另外多核心的出現(xiàn)也有可能使系統(tǒng)過(guò)載，因此必須有更智能的解決方案。”

IC設(shè)計(jì)公司、制造公司在5nm節(jié)點(diǎn)上面臨相同的問(wèn)題，也是這幾款5nm芯片集體“翻車(chē)”的根本。

不成熟的IC設(shè)計(jì)或制造工藝，都會(huì)影響性能與功耗的最大化折中。雖然不排除IC設(shè)計(jì)公司為追求更好的性能，犧牲功耗。

在FinFET工藝之后，環(huán)繞式閘極電晶體（GAA）也開(kāi)始提上議程，臺(tái)積電原本計(jì)劃在5nm節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用該技術(shù)，但考慮到綜合性能和成本之后，選擇繼續(xù)使用FinFET工藝。

讓GAA的應(yīng)用推遲至3nm節(jié)點(diǎn)上（4nm節(jié)點(diǎn)為5nm改良版），外界對(duì)于功耗、性能的平衡并不了解。

高昂的晶圓設(shè)計(jì)和制造成本

除了功耗和性能之間的平衡外，越先進(jìn)工藝的晶圓設(shè)計(jì)費(fèi)用和制造成本更高。

根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)給出的數(shù)據(jù)顯示，65nm工藝的設(shè)計(jì)成本需要2400萬(wàn)美元，28nm工藝則需要6290萬(wàn)美元，7nm和5nm分別達(dá)到3.49億與4.76億美元。

此外，三星也曾對(duì)外稱其3nm GAA的成本可能會(huì)超過(guò)5億美元，預(yù)期在2022年大規(guī)模，講采用比FinFET更先進(jìn)的GAAFET 3nm制程芯片。

編輯點(diǎn)評(píng)：隨著5nm工藝“翻車(chē)”，外界對(duì)先進(jìn)制程的懷疑態(tài)度又增一分，首先是先進(jìn)工藝的性能提升已經(jīng)難以滿足“摩爾定律”的延續(xù)。

高昂的設(shè)計(jì)成本和制造費(fèi)用，同樣制約著先進(jìn)制程的未來(lái)，目前采用5nm工藝的都是頂級(jí)IC設(shè)計(jì)公司。

對(duì)于半導(dǎo)體越來(lái)越接近物理極限，摩爾定律還能持續(xù)多久？

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