傳三星5nm“翻車”？先進(jìn)工藝恐欲速不達(dá)

（電子發(fā)燒友報(bào)道/文周凱揚(yáng)）自蘋果的A14和M1、華為的麒麟9000芯片推出以來(lái)，臺(tái)積電成功在2020年率先成為5nm工藝量產(chǎn)出貨的代工廠。但同樣擁有頂尖工藝的三星也不甘落后，先后推出了Exynos 1080、驍龍888和Exynos 2100三款芯片。盡管力求后發(fā)制人，但三星的5nm之路依舊并非一帆風(fēng)順。

EUV成為突破工藝桎梏的關(guān)鍵

從7nm開(kāi)始，臺(tái)積電和三星都不約而同地全面投入EUV光刻機(jī)，這對(duì)兩大代工廠的產(chǎn)能提出了巨大的挑戰(zhàn)。兩者面臨的首要問(wèn)題就是EUV光刻機(jī)的高成本、低生產(chǎn)效率和長(zhǎng)交期。

NXE:3400C EUV光刻機(jī) / ASML

一臺(tái)EUV光刻機(jī)的價(jià)格就高達(dá)1.2億歐元，因此光刻機(jī)的購(gòu)置和晶圓廠的建造構(gòu)成了資本支出中的重頭戲，三星早在2019年就宣布將在未來(lái)十年投入1160億美元，全面支持其代工業(yè)務(wù)。為了進(jìn)一步擴(kuò)大5nm芯片的產(chǎn)量，去年三星在韓國(guó)平澤市開(kāi)始建造全新的晶圓廠，預(yù)計(jì)今年2021下半年可以開(kāi)始5nm芯片量產(chǎn)，專用于5G、HPC和AI。

而臺(tái)積電在代工業(yè)務(wù)上的資本支出更是居高不下，去年上半年臺(tái)積電的EUV光刻機(jī)占全球總數(shù)的50%，EUV生產(chǎn)的晶圓總量更是占據(jù)全球出貨量的60%。從近日臺(tái)積電公布的預(yù)估數(shù)據(jù)來(lái)看，2021年資本支出從2020年的172.4億美元提升至250億美元以上，更不用說(shuō)在美國(guó)計(jì)劃建造的新廠。

EUV光刻機(jī)的生產(chǎn)效率同樣是一大問(wèn)題，EUV光刻機(jī)的吞吐量在120-175wph左右，與最新DUV光刻機(jī)275wph的吞吐量相比，仍有不少改進(jìn)的空間。因此臺(tái)積電和三星都在和ASML緊密合作，以求提升現(xiàn)有EUV的生產(chǎn)效率。臺(tái)積電提到盡管供應(yīng)商和他們一直在改進(jìn)EUV工具，但目前仍未達(dá)到理想水準(zhǔn)。三星副董事長(zhǎng)更是在去年10月親自造訪ASML總部，討論如何將EUV光刻機(jī)成熟程度提高至DUV的水準(zhǔn)，同步改善產(chǎn)率和可靠性。

既然EUV生產(chǎn)效率低，你可能會(huì)疑惑，為何不購(gòu)置多臺(tái)EUV以數(shù)量補(bǔ)缺呢？這是因?yàn)镋UV光刻機(jī)生產(chǎn)過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致交期過(guò)長(zhǎng)限制了代工廠的產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃。ASML在2020年內(nèi)的EUV光刻機(jī)交付計(jì)劃僅有35臺(tái)，而且現(xiàn)有的制造周期最高優(yōu)化至20周，即便在這樣的理想情況下，也只能做到2021年45到50臺(tái)的EUV交貨量。三星、臺(tái)積電和英特爾往往會(huì)預(yù)定訂單，不然有限的光刻機(jī)很可能會(huì)被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手買走。

5nm工藝“翻車”？

自三星的5nm手機(jī)芯片面世以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)上頻繁冒出“翻車”的言論，主要體現(xiàn)在功耗表現(xiàn)差上，那么這究竟是不是三星5nm工藝5LPE的問(wèn)題呢？我們不妨先來(lái)比較一下這兩家的5nm工藝。

三星的5LPE工藝風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)時(shí)間比臺(tái)積電的N5工藝要早上一截，但量產(chǎn)時(shí)間卻大概晚上了一個(gè)季度。從晶體管密度上來(lái)看，三星的5LPE工藝密度為127 MTr/mm2，而臺(tái)積電的N5工藝密度為173 MTr/mm2，后者明顯占優(yōu)，但這與臺(tái)積電的N7P工藝相比，還是有提升的。

在原始表現(xiàn)上，先進(jìn)制程帶來(lái)的性能提升還是顯而易見(jiàn)的，在GeekBench 5的CPU測(cè)試中，驍龍888與865相比，單核性能提升26%，多核性能提升10%。外掛X55基帶也已成為過(guò)去式，驍龍888換成了內(nèi)置X60基帶，騰出了更多的空間。然而同樣是1+3+4的核心架構(gòu)，驍龍888的X1大核卻比865的A77大核滿載功耗多出了1W，多核功耗更是高達(dá)7.8W，比驍龍865多出了近2W，能耗比也有一定降低。

在測(cè)試了功耗和能耗比后，不少人都對(duì)驍龍888下了“翻車”的蓋棺定論，但究竟是三星的5nm工藝有所欠缺，還是ARM的Cortex-X1大核設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，仍有待確認(rèn)。畢竟與上一代旗艦芯片相比，不管是X1大核、A78中核還是5nm工藝等，都是多出來(lái)的變量，還有不少人認(rèn)為軟件調(diào)用接口測(cè)試功耗的方法與硬件功耗測(cè)試相比并不精確。

Exynos 2100與驍龍888對(duì)比

再者目前搭載驍龍888和Exynos 1080的機(jī)型屈指可數(shù)，未來(lái)還會(huì)陸續(xù)有驍龍888的機(jī)型面世，搭載Exynos 2100的三星S21系列仍在預(yù)售當(dāng)中，具體的功耗數(shù)據(jù)仍無(wú)從得知。從CPU的架構(gòu)上來(lái)看，同用三星自家5nm工藝的Exynos 2100與驍龍888并無(wú)區(qū)別，仍是1個(gè)Cortex-X1+3個(gè)Cortex-A78+4個(gè)Cortex-A55的三叢集設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，反而在幾個(gè)核心的頻率上比驍龍888更加激進(jìn)。如果驍龍888在CPU上真是因?yàn)?nm工藝翻車，那么Exynos 2100想必也不會(huì)幸免，而三星提高頻率的舉動(dòng)就未免有些奇怪了。

產(chǎn)能吃緊，或減少客戶芯片產(chǎn)量

去年臺(tái)積電的5nm訂單基本全部分配給了蘋果和華為，考慮到產(chǎn)能有限，如果爭(zhēng)搶剩下的5nm訂單不僅成本高昂，更是難以出貨。就拿聯(lián)發(fā)科為例，即將公布的天璣1200很有可能采用臺(tái)積電的6nm工藝，至于5nm的天璣2000，傳聞要在2022年第一季度才會(huì)正式發(fā)布。但深受其害的不僅是臺(tái)積電，三星同樣如此。據(jù)韓國(guó)媒體Business Korea報(bào)道，因?yàn)榇罅渴謾C(jī)芯片訂單的涌入，三星的代工業(yè)務(wù)甚至無(wú)法滿足自己的Exynos 2100芯片需求。

三星對(duì)于Galaxy S21系列的銷量非?？春茫A(yù)估出貨量可以達(dá)到2800萬(wàn)以上。而美國(guó)市場(chǎng)是三星的主要市場(chǎng)，在該市場(chǎng)賣出的Galaxy S21將全部搭載Exynos 2100芯片，其他地區(qū)仍將使用高通的驍龍888芯片。但三星認(rèn)為美國(guó)市場(chǎng)的銷量可能會(huì)占據(jù)總銷量的60%，因此現(xiàn)有產(chǎn)能不得不偏向Exynos 2100，同時(shí)減少驍龍888的產(chǎn)能，一并受到影響的還有Galaxy A系列和Vivo X60 Pro使用的Exynos 1080芯片。

小結(jié)

從已面世的5nm芯片看來(lái)，手機(jī)處理器仍是先進(jìn)制程的主要戰(zhàn)力，不管是顯示芯片還是汽車芯片都只能退而求次，去搶占成熟工藝的產(chǎn)能。但這也暴露了新制程在產(chǎn)能和良率上的劣勢(shì)，面臨日益激化的芯片性能競(jìng)爭(zhēng)，不少廠商為了享受先進(jìn)制程的性能紅利，占據(jù)一絲市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，不得不忽略這些因素，在芯片缺貨潮下也要推出自己的新產(chǎn)品。面臨這樣的挑戰(zhàn)，或許三星與臺(tái)積電的5nm工藝之爭(zhēng)真沒(méi)有趕上一個(gè)好的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。