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高通苹果齐翻车?国产5nm能弯道超车吗

如果盘点近一年来电子科技圈的大新闻,那么5nm芯片集体“翻车”和显卡价格暴涨肯定关注度最高,而这两个大事件都指向了同一个技术:芯片制造

目前市面上的5nm芯片主要由台积电(AMD,苹果,华为)和三星(三星,高通)两大巨头把控,如果加上将要量产成品的英特尔,那么三足鼎立就是5nm芯片在未来几年内将保持的局面。

说到芯片制造,就不得不提到摩尔定律。摩尔定律说的是,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。对于用户来说,就是同样价格买到的电子产品,约每两年性能可以翻一番。

为什么说摩尔定律失效?

戈登·摩尔(Gordon Moore,Intel公司的创始人之一,发现摩尔定律)表示CPU制程已经接近原子极限,暂时没有很好的解决方案。

英特尔创始人之一戈登·摩尔(图片源自IEEE)

实践了多年的摩尔定律要失效,问题出在哪里呢?答案就是微观。

举例来说,从44nm到30nm的改变,只要更改一下制程,将原有的设计图缩小一下并做修改就能进入制作,在设计方面和制造方面都不需要投入非常高的成本。

处理器性能拟合摩尔定律,注意纵坐标为指数(图片源自维基百科)

但是从7nm开始,芯片的设计制造就不同了,由于原子的特性,制程在7nm以下时会引发量子隧穿效应,产生非预期的问题,所以不能简单修改设计,而需要重新规划光刻线路及布局。

先进制程的CPU需要更高的技术(图片源自英特尔)

另外,20nm以下工艺的芯片在制作时也会有更高的成本,光刻时不能一次曝光所有的线条,就需要愈来愈多的层数进行曝光,台积电N7+有4层EUV光刻层,而到了N5这一数量达到了14层,会带来更多额外的成本。

光刻也是芯片制造中高成本的部分

容易发现,随着工艺的不断升级,芯片厂商承担的成本也在增加,像原来一样同样的价格性能翻倍会越来越慢,逐渐偏离摩尔定律的性能曲线。

芯片制程的出路在哪?

如果摩尔定律失效,那是不是意味着芯片的制程发展有限,我们能够享受到的性能提升也愈发有限了?虽然理论上是这样,但我们还是可以找到出路的。

在制程提升的道路上,芯片行业也在不断探索,工程师通过优化设计来进一步避免传统工艺的局限性,主要有三个方面。

制程发展的选择和挑战(图片源自cadence)

第一是通过工艺和材料进一步优化,包括FinFET鳍式场效晶体管,CNTFET碳纳米管,石墨烯纳米带器件等等,主要是借助新材料的特性和新工艺的优势,在摩尔定律的道路上继续前进。

IMEC提出的GAA结构

第二是在除了主芯片外的地方做文章,包括电源控制,能耗管理,射频电路等等,主要是优化PCB上除了CPU之外其他元件的性能。

三星的全环绕栅示意(图片源自三星)

最后也是最难的,用新型的方案升级或取代CMOS,但是由于很多技术还在验证,具体的可行性和成本都是问题,所以挑战也最大。

英特尔的研发方向(图片源自英特尔)

当然,工程师还会将多种方案结合,从而获得更好的性能表现,所以虽然芯片制程的进步放缓,但是仍然有不少发展的空间,工艺进一步压缩到3nm甚至2nm也是近几年内可以实现的。

5nm会让手机更便宜吗?

不可避免的是新制程的成本提升会使得产品越来越贵,但是5nm制程还是可以做到能够商用普及的价格。既然5nm的CPU主要用在手机和电脑上,那么5nm的量产岂不是意味着手机和电脑会更便宜?

苹果A14和高通骁龙888采用了5nm制程(图片源自sihirlielma)

同样因为设计和制造的成本问题,5nm工艺的芯片并不会便宜,再加上使用5nm制程的手机和电脑都需要周边PCB电路的支持,这项成本同样要考虑在内,所以不能指望芯片能够做到“白菜价”。

CPU复杂电路中的“沧海一粟”

但是芯片工艺的进步在于,更多设备可以用到发热更低,性能更好的芯片,小到穿戴设备,大到交通工具,都意味着我们可以享受到更多高性能的产品应用。

大陆芯片能弯道超车吗?

在严峻的国际环境下,国内的芯片设计和制造都受到了影响,那么问题来了,大陆的芯片行业能够借助摩尔定律放缓的机会实现弯道超车吗?

国内IC市场还有很大的缺口(图片源自IC Insights)

根据IC Insights报告的数据,中国大陆的IC产量约占市场份额的15.7%,但市场需求还是远远高于IC产量,2020年集成电路的进口金额达到了3500亿美元,从技术到产能上都不容乐观。

另外,目前高端光刻机是被荷兰ASML垄断的,所以国产芯片要在制程上突破,还离不开光刻机的制造和研发。

芯片厂商的制程进程(图片源自DIGITIMES)

虽然说大陆芯片在设计和研发领域取得了突破,年内有望实现12nm芯片量产,但要注意我们芯片产业的技术依然落后,产能依然严重不足,尤其在高端芯片方面,和台积电,三星及英特尔的差距巨大,我们几乎不可能弯道超车。

不过可以肯定的是,即使有西方团体的围堵,只要我们稳步发展,按部就班从低端芯片到中端芯片做起,利用好现在这一时机,不断加大投入加快建设,我们就能逐步缩小差距。我们不追求短时间内赶超欧美,但是有了不被卡脖子的本领,就能在未来展示中国实力。

参考文献:

[1] IEEE Spectrum, SPECIAL REPORT: 50 Years of Moore’s Law
[2] Andrew Cole, Circuit Design and Verification of 7nm Low-Power
[3] Chris Mack, The Multiple Lives of Moore’s Law
[4] CSET, AI Chips: What They Are and Why They Matter
[5] IC Insights, Semiconductor Market Research
[6] 第一财经,吴汉明院士:后摩尔时代国产芯片挑战和机遇

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