巨頭芯片制程之爭(zhēng):摩爾定律快碰天花板,5nm之后去往何方?

繼蘋果、華為的5nm芯片揭幕后，另外兩家芯片巨頭三星、高通的5nm芯片業(yè)的發(fā)布日期將分別在11、12月到來。

作為人類迄今能達(dá)到的集成度最高的芯片制造工藝，5nm制程最多可實(shí)現(xiàn)每平方毫米集成1.713億個(gè)晶體管；同樣基于移動(dòng)處理器架構(gòu)Cortex-A77，5nm芯片性能或能比7nm產(chǎn)品提升50%！

對(duì)于以降低功耗、提升性能為目標(biāo)的智能手機(jī)處理器產(chǎn)業(yè)來說，5nm芯片制程成為其必須搶占的“高地”。在這一產(chǎn)業(yè)窗口期，芯片設(shè)計(jì)、制造工藝成為5nm芯片商用落地的關(guān)鍵。

目前，全球手機(jī)SoC芯片市場(chǎng)排名前五的高通、聯(lián)發(fā)科、三星、蘋果、華為海思均已針對(duì)5nm進(jìn)行布局。隨著三星、高通旗艦芯片發(fā)布時(shí)間臨近，在5nm這條賽道上，全球手機(jī)SoC芯片設(shè)計(jì)界的“五大巨頭”已然集齊其四。

把目光投向產(chǎn)業(yè)鏈上游，為4款5nm芯片代工的“山頭”上，則主要是臺(tái)積電和三星各自圈地。

7nm、5nm、3nm……芯片制程越先進(jìn)，單位面積晶體管數(shù)目越多，就越逼近物理體系的極限。隨著各家產(chǎn)品正式亮相，5nm芯片已然從一個(gè)摩爾定律的“傳說”，進(jìn)入市場(chǎng)即將刺刀見紅的新局面。不消說，隨著搭載4款芯片的手機(jī)進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)，5nm芯片的戰(zhàn)況，將愈加激烈。

然而，在5nm芯片商用賽道的起跑線上，蠢蠢欲動(dòng)者遠(yuǎn)不止蘋果、華為、三星、高通四家；而在5nm芯片代工賽道上，臺(tái)積電、三星同樣打得難舍難分。

在四款5nm芯片閃亮登場(chǎng)的背景板中，美國(guó)一紙禁令縛住華為手腳、摩爾定律觸頂之下制程發(fā)展遇阻……還有種種因素正導(dǎo)致這場(chǎng)關(guān)于手機(jī)SoC的恒久戰(zhàn)役往不確定的方向滑去……

今天，芯東西與你一起撥開迷霧，走進(jìn)這場(chǎng)手機(jī)芯片之戰(zhàn)的風(fēng)暴眼——5nm芯片商用賽道的真實(shí)情況。

一、手機(jī)SoC設(shè)計(jì)之爭(zhēng)：四巨頭搶跑，誰還在排隊(duì)？

作為目前可量產(chǎn)的最先進(jìn)制程，5nm芯片已成為大部分芯片設(shè)計(jì)玩家追逐的目標(biāo)。而其中最為人矚目的部分莫過于手機(jī)芯片設(shè)計(jì)玩家的比拼。一方面，各家5nm芯片的性能，直接關(guān)系到手機(jī)性能，因此成為消費(fèi)者最關(guān)注的話題之一；另一方面，作為現(xiàn)有可量產(chǎn)的最先進(jìn)制程，5nm產(chǎn)能必將被手機(jī)廠商追逐和瓜分。

高通曾預(yù)計(jì)，2021年全球5G手機(jī)出貨量將達(dá)到4.5億部，數(shù)量相比2020年直接翻倍。面對(duì)驟增的市場(chǎng)需求，蘋果/華為/三星/高通四家搶跑，剩余的聯(lián)發(fā)科、紫光展銳等玩家也已做好熱身。

1、蘋果A14&華為麒麟9000：10月份塵埃落定

蘋果、華為自研的5nm芯片先后在10月份發(fā)布，并分別落地于蘋果iPhone 12系列手機(jī)、華為Mate 40系列手機(jī)。

集成度方面，麒麟9000晶體管數(shù)目比A14芯片多出30%。蘋果A14集成118億晶體管，華為麒麟9000集成153億晶體管。

架構(gòu)方面，蘋果A14芯片采用6核心CPU、4核GPU；華為采用8核CPU、24核GPU。

要指出的是，由于美國(guó)對(duì)華為獲取芯片技術(shù)的限制，華為麒麟9000是基于Arm上一代旗艦架構(gòu)Cortex-A77進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而蘋果、三星、高通均可以獲得Arm最新IP授權(quán)。從網(wǎng)傳三星獵戶座1080、高通驍龍875的架構(gòu)情況來看，這兩款芯片均基于Arm最新的Cortex-A78進(jìn)行設(shè)計(jì)。

另外，麒麟9000內(nèi)置了華為自研基帶芯片巴龍5000。相比之下，A14芯片是外掛高通的X55基帶芯片。

據(jù)中國(guó)臺(tái)灣《聯(lián)合新聞網(wǎng)》發(fā)布的iPhone 12拆解文章，A14芯片確認(rèn)外掛高通X55基帶芯片，但暫無法得知蘋果是直接采用高通完整設(shè)計(jì)，還是采用客制版產(chǎn)品。

兩款芯片的綜合性能對(duì)比可參考跑分平臺(tái)GeekBench透露的數(shù)據(jù)：搭載麒麟9000的華為Mate 40系列某機(jī)型跑分為單核1016，多核3688；搭載A14的iPhone 12跑分為單核1593，多核3893。

2、三星獵戶座1080&高通驍龍875：抓住2020的尾巴

緊跟著蘋果、華為步伐，三星、高通計(jì)劃乘上2020的“末班車”，分別計(jì)劃于11月、12月推出5nm芯片。

其中，三星11月2日通過微博官宣，將于10天后（11月12日）在中國(guó)上海為獵戶座1080芯片舉辦發(fā)布會(huì)。這也是三星首次專門為一款處理器舉辦發(fā)布會(huì)，三星對(duì)獵戶座1080的重視由此可見一斑。

根據(jù)外媒信息，獵戶座1080 CPU部分將采用4顆Arm最新Cortex-A78核心和4顆Cortex-A55核心。相比之下，三星上一代旗艦芯片7nm獵戶座9825 CPU采用2顆定制M4核心、2顆Cortex-A75核心、4顆Cortex-A55核心。

據(jù)跑分平臺(tái)GeekBench，7nm制程的獵戶座1080跑分為單核1040，多核3017。

各大手機(jī)廠商中，華為、三星、蘋果對(duì)旗艦手機(jī)SoC各有自己的匠心設(shè)計(jì)，剩余的小米、OPPO、vivo等一眾玩家，則瞄準(zhǔn)了高通的5nm芯片。早在今年10月份，高通就曾官宣將在12月1～2日發(fā)布5nm旗艦芯片驍龍875。

根據(jù)泄露的信息，高通驍龍875采用8核CPU、搭載自研的Adreno 660 GPU，并將集成驍龍X60 5G基帶。

GeekBench平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示，一款據(jù)猜測(cè)為搭載驍龍875的小米新機(jī)，跑分?jǐn)?shù)據(jù)為單核1105，多核為3512。

為保證客觀，芯東西還搜集跑分平臺(tái)安兔兔透露的蘋果、華為、三星、高通5nm芯片跑分情況，并與四家公司7nm芯片跑分對(duì)比，制圖表如下：

3、聯(lián)發(fā)科、紫光展銳正在“熱身”

四家設(shè)計(jì)巨頭各自在旗艦機(jī)SoC市場(chǎng)劃分地盤，相比之下，聯(lián)發(fā)科、紫光展銳等玩家則瞄準(zhǔn)了中低端機(jī)市場(chǎng)，亦在5nm芯片商用的賽道起點(diǎn)開始熱身。

作為全球排名第二的手機(jī)芯片設(shè)計(jì)玩家，聯(lián)發(fā)科主要面向中低端手機(jī)市場(chǎng)。今年以來，聯(lián)發(fā)科的5nm研發(fā)計(jì)劃同樣引起市場(chǎng)關(guān)注。

先是有消息稱，聯(lián)發(fā)科專門為華為打造了基于5nm工藝的5G高端平臺(tái)。但隨著美國(guó)對(duì)華為禁令的影響逐漸擴(kuò)大，九月初又傳出聯(lián)發(fā)科將“取消基于5nm工藝的5G高端平臺(tái)研發(fā)計(jì)劃”。

對(duì)此傳言，聯(lián)發(fā)科官方下場(chǎng)辟謠，稱5nm芯片正按計(jì)劃推進(jìn)，不會(huì)因?yàn)閱我豢蛻舳漠a(chǎn)品計(jì)劃。

10月31日，數(shù)碼博主@數(shù)碼閑聊站爆料，聯(lián)發(fā)科正開發(fā)兩款芯片mtk6893、mtk6891，將采用全新5nm/6nm工藝，進(jìn)度快于去年?？紤]到這位博主曾多次押準(zhǔn)手機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈消息，有關(guān)聯(lián)發(fā)科5nm芯片的消息也較為可信。

紫光展銳方面，今年二月份推出了基于6nm EUV工藝的虎賁T7520芯片，并將于今年年底實(shí)現(xiàn)虎賁T7520量產(chǎn)。按照這一計(jì)劃，推出5nm芯片應(yīng)當(dāng)也在紫光展銳計(jì)劃之中。

二、工藝比拼：都是5nm，臺(tái)積電集成度更高

這邊廂，5nm手機(jī)芯片設(shè)計(jì)玩家龍爭(zhēng)虎斗，不論四家巨頭排位如何，都不會(huì)影響產(chǎn)業(yè)鏈上游的5nm芯片制造商吃進(jìn)訂單。而那邊廂，盡管5nm芯片制造商僅有臺(tái)積電和三星寥寥兩家，但同樣打得難舍難分。

有趣的是，目前率先商用的5nm芯片的四家中，蘋果A14和華為麒麟9000均是由臺(tái)積電代工，將在接下來推出的三星獵戶座1080、高通驍龍875則是基于三星5nm工藝。

早在2019年，三星宣布完成5nm芯片研發(fā)，計(jì)劃在2020年第二季度實(shí)現(xiàn)5nm芯片的量產(chǎn)?，F(xiàn)在2020年已經(jīng)進(jìn)入第四季度，由臺(tái)積電代工的兩款5nm旗艦芯已經(jīng)落地，而三星代工的5nm芯片卻“趕了晚集”。

具體到產(chǎn)品性能，盡管三星5nm制程芯片還未正式發(fā)售，但業(yè)界有消息稱，臺(tái)積電的5nm芯片產(chǎn)品集成度更高。

中國(guó)臺(tái)灣《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》曾援引臺(tái)積電內(nèi)部消息稱，臺(tái)積電5nm制程試產(chǎn)結(jié)果顯示，其晶體管是7nm制程的1.8倍。相比之下，三星5nm制程相比7nm制程，晶體管數(shù)僅增加二成，且臺(tái)積電產(chǎn)品在功耗等方面均更有優(yōu)勢(shì)。

兩家公司對(duì)更先進(jìn)制程的規(guī)劃方面，今年7月份，三星宣布將跳過4nm工藝，直接從5nm工藝切進(jìn)3nm工藝。

今年8月26日召開的“2020世界半導(dǎo)體大會(huì)暨南京國(guó)際半導(dǎo)體博覽會(huì)”上，臺(tái)積電（南京）有限公司總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球透露，臺(tái)積電預(yù)計(jì)在明年批量生產(chǎn)4nm芯片，在2022年批量生產(chǎn)3nm芯片。

兩家公司的計(jì)劃將會(huì)怎樣推進(jìn)？推進(jìn)結(jié)果如何，這些問題只能留待時(shí)間回答。

三、先進(jìn)制程之爭(zhēng)：摩爾定律快碰天花板？5nm之后去往何方

AI、5G、海量數(shù)據(jù)……種種因素推動(dòng)之下，對(duì)計(jì)算的需求日益增長(zhǎng)，呼喚著芯片制程往更高集成度的方向發(fā)展而去。這一背景下，一方面，5nm芯片紛紛落地；而另一方面，關(guān)于摩爾定律逼近極限的隱憂仍在盤旋。

就在5nm芯片商用戰(zhàn)火燃起，臺(tái)積電、三星正在5nm賽道上短兵相接的關(guān)鍵時(shí)刻，昔日能與它們爭(zhēng)輝的另一大芯片代工玩家英特爾已經(jīng)黯然離場(chǎng)。

今年7月24日，英特爾在2020年第二季度財(cái)報(bào)中宣布，將其7nm CPU的發(fā)布推遲6個(gè)月，也就是說，7nm CPU要到2022年下半年或2023年初才會(huì)首次在市場(chǎng)上亮相。英特爾CEO Bob Swan稱，其7nm CPU延遲是因?yàn)橐环N“缺陷模式”。

作為芯片代工領(lǐng)域的先行者和曾經(jīng)的領(lǐng)先者，英特爾作出推遲7nm芯片的決定，幾乎印證了人們對(duì)更先進(jìn)制程難以實(shí)現(xiàn)的擔(dān)憂。

目前來看，臺(tái)積電、三星均利用FinFET（鰭式場(chǎng)效晶體管）工藝生產(chǎn)5nm芯片，即垂直利用空間、將場(chǎng)效應(yīng)管立體化。

但是，隨著制程推進(jìn)到5nm節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)inFET工藝對(duì)先進(jìn)制程的支持面臨瓶頸。

對(duì)此，學(xué)術(shù)界提出了一種全新的芯片生產(chǎn)工藝GAA MCFET（多橋通道 FET），即將芯片晶體管內(nèi)部的硅通道全都用柵極材料包圍，以增加晶體管的密度、降低功耗、進(jìn)一步增加溝道的縮放潛力，進(jìn)而提高芯片性能。

GAA也被視為是實(shí)現(xiàn)3nm芯片制程的關(guān)鍵工藝，目前臺(tái)積電、三星均已開始相關(guān)研究。

從7nm到5nm，一年時(shí)間過去，先進(jìn)制程追趕之路上已然發(fā)生微妙的變化。未來先進(jìn)制程競(jìng)爭(zhēng)之路上，誰將成為領(lǐng)先者？達(dá)到更先進(jìn)的制程要求另辟蹊徑，或許也為昔日的落后者帶來彎道超車的機(jī)會(huì)。

結(jié)語：誰能笑到最后？

對(duì)摩爾定律將死的“預(yù)言”已經(jīng)流傳多年，芯片制程仍向更高集成度步步逼近。2020年在不知不覺中步入尾聲，蘋果、華為、三星、高通四大手機(jī)SoC設(shè)計(jì)玩家的5nm產(chǎn)品均將在第四季度揭幕。

目前，蘋果、華為的5nm芯片產(chǎn)品已經(jīng)分別在自家的旗艦手機(jī)中商用。相比兩位領(lǐng)先者，三星、高通將打出怎樣的王牌？在接下來的11月12日、12月1日，答案將浮出水面。
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