5nm芯片集体“翻车”？2021集成电路行业5nm新消息解读

　　据雷锋网分析，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？

　　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。