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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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？

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”。

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？

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。

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