5nm制程即将上线,会是iPhone 12杀手锏吗?

2020年02月20日 16:04 海外视角

2月底的MWC因为疫情已经宣布取消,但科技行业里的发布会不会减少。2月18号,高通在举办了一场线上沟通会,带来了最新一代的5G芯片——骁龙X60。

相比骁龙X55,它的峰值速率提升其实并不明显,但有几个突出的亮点:制程工艺提升到了5nm,是全球首款发布的5nm芯片;配套天线组的体积缩小,整体可以做得更小。

最近这几年一路过来,我们可以清晰地发现芯片制造工艺的突飞猛进。2016年,手机旗舰芯片的工艺制程还是14nm,现在已经一步步提升到7nm。2020年,将会有采用5nm芯片的产品批量上市。

台积电三星奋战5nm

目前,芯片制造领域的晶圆代工厂,实力强劲的已经不多。在掌握最先进的工艺制程上,台积电和三星是最有资格的选手。

台积电:上半年量产

根据台积电公布的信息,今年上半年就能量产5nm EUV工艺,并且下半年产能将提升到每个月7-8万片晶圆。

台积电去年年底发布的论文数据显示,台积电7nm工艺每平方毫米可生产大约9627万个晶体管,而5nm晶体管密度是它的1.83倍,也就是说每平方毫米生产的晶体管能达到1.77亿个。

此外,相比7nm,台积电5nm EUV能效提升15%,功耗减少30%,测试芯片目前的平均良率是80%、峰值良率为90%。知名科技外媒AnandTech在一篇分析文章中指出,目前参与测试的芯片构造比较简单,真正投产的芯片会更复杂,良率也会降低。

当然,从现在的进度来看,台积电5nm上半年实现量产问题不大,下半年我们就能见到搭载5nm芯片的智能设备大规模出货。

三星:奋力直追

在7nm工艺上,三星落后于台积电一步,不管是高通骁龙855、骁龙865,还是苹果的A12、A13,以及华为的麒麟980、麒麟990,都采用了台积电的7nm。

而三星的首款7nm芯片为自家的Exynos 9825,发布于去年8月份,最新的Exynos 990用的也是7nm制程。

在5nm工艺上,三星加快了脚步。去年三星在Q3财报中透露,5nm工艺已经进入到流片阶段。三星的5nm继续沿用7nm LPP工艺的晶体管,密度为它的1.33倍,性能提升了10%,功耗也降低20%。

目前来看,在7nm制程上,台积电仍然保持领先,有望获得各大芯片厂商的订单。不过,三星5nm工艺,已经可以超过台积电的7nm和英特尔的10nm,已经迎头赶上,该有的订单也不会少。

首批5nm谁先吃上?

刚刚发布的骁龙X60是目前最先公布的采用5nm工艺的芯片,不过,按照高通公布的计划,它真正用在消费级产品上并大量出货,还要等到明年年初。产品层面来看,骁龙X60是骁龙X55的升级版,也是高通目前推出的第三代5G解决方案。

据外媒报道,三星已经拿下了骁龙X60 5nm订单,负责这款5G芯片的生产。不过,后续台积电依然有可能也负责骁龙X60的部分订单,两家共同吃上这笔大单。

此外,苹果今年的A14处理器,已经基本可以确定会采用台积电的5nm工艺,并且成为台积电的最大客户。

关于A14,目前我们能得到的信息还相当少。外媒MacWorld表示,在采用5nm制程的情况下,A14的晶体管数量能达到125亿个,在GeekBench中的多核跑分或许能达到4500分,甚至可能超过5000分。

国内知名数码博主@i冰宇宙不久前也在微博上曝光称,苹果A14芯片的跑分为单核1559 、多核4047,相比A13有比较大幅度的提升。

至于尚未发布的iPad Pro 2020,采用的芯片估计是A13X,GPU性能大幅提升。但作为平板产品来说,对芯片功耗的敏感度相对会更低些,A13X估计还是和A13一样采用台积电的7nm工艺。

除了苹果A13和高通骁龙X60,大概率采用5nm工艺的芯片还有麒麟1020、骁龙875、AMD Zen 3处理器等。另外,来自供应链的消息称,比特大陆的5nm芯片已经在去年年底进入流片阶段,估计为AI芯片产品。

有消息称,台积电的首批5nm客户主要是苹果,其次是华为,真正在消费级芯片上普及估计还要到2021年。当然,不管是2020款的iPhone还是华为新款Mate旗舰,5nm将会成为它们的一个重要卖点。

摩尔定律距离尽头还有多久?

50多年前,知名的摩尔定律被提出:集成电路上的晶体管数量,每隔18个月便增加一倍。过去几十年里,芯片的性能在以惊人的速度不断迭代更新。进入触屏智能手机时代后,移动芯片的发展更是突飞猛进,在工艺制程上不断突破极限。

根据台积电公布的规划,5nm远非终点,未来还将向3nm、2nm迈进。按照最乐观的估计,台积电2024年能实现2nm工艺的量产,距离现在还有四年时间。

去年的Hotchips国际大会上,台积电研发负责人黄汉森在演讲报告中称,摩尔定律依然有效,它没消亡也没有减缓。他甚至表示,2050年,晶体管尺寸会缩小到0.1nm。

从三星公布的路线图来看,它的工艺制程的进化路线是7LPP——6LPP——5LPE——4LPE。而且,三星下一个发力的重点目标是3nm GAA工艺,如果未来两年能量产的话,将实现对台积电的反超。

不管是台积电还是三星,都没有在工艺制程的进化升级上停下脚步。至少目前来看,距离摩尔定律真正失效,还有很长的时间。

当然,在芯片制造上,制程每一次进步,投入的成本都要增加很多。为了解决工艺问题,科技巨头们要投入巨额资金用于研发,而且建设一座3nm或者2nm级别的晶圆厂需要百亿级美元的投入。

最近,台积电在一场媒体沟通会上宣布,2020年的开支大概在150到160亿美元间,其中80%将用于扩充产能,包括7nm、5nm及3nm。而在半导体行业里站在金字塔顶端的三星电子,也宣布未来十年将在晶圆制造上1160亿美元。

这也就意味着未来先进制程的芯片制造成本可能会更加高,能用得起的芯片厂商可能只有苹果、华为、高通这些巨头们。试图自研芯片领域的新厂商,面对的技术和资金壁垒,将会更加高。

同样的,在晶圆制造上,台积电三星已经占据了绝对的优势,其他厂商追赶的难度变得相当大。不过,中芯国际在工艺制程上的进度已经非常快,去年三季度实现了14nm的量产,比计划提前了一年,同时12nm也已经提上日程。中芯有望拿到华为等厂商的芯片订单,在依然严峻的形势下,我们依然有最基本的芯片制造能力。

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