5nm芯片戰(zhàn)爭(zhēng)即將打響

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

進(jìn)入2020年第三季度，臺(tái)積電5nm芯片開始大規(guī)模量產(chǎn)，該產(chǎn)能也成為了眾IC設(shè)計(jì)大廠爭(zhēng)奪的目標(biāo)。據(jù)悉，高通、AMD、聯(lián)發(fā)科、NXP等客戶紛紛加速轉(zhuǎn)向5nm制程工藝，而且，后續(xù)5nm訂單還在不斷涌入臺(tái)積電，因此，該公司還在不斷擴(kuò)充5nm產(chǎn)能，目前的產(chǎn)能是6萬片晶圓/月，南科工業(yè)園的Fab 18工廠P3工程將于今年第四季度量產(chǎn)，明年第二季度P4工程還會(huì)進(jìn)一步增加約1.7萬片晶圓/月。據(jù)悉，隨著這些工廠的擴(kuò)產(chǎn)，臺(tái)積電的5nm產(chǎn)能將從目前的6萬片晶圓/月，提升到接近11萬片/月。

而作為臺(tái)積電唯一的對(duì)手，三星的5nm量產(chǎn)步伐有些滯后。為了加快追趕的腳步，三星今年在5nm產(chǎn)能建設(shè)方面又有新動(dòng)作。今年2月，三星宣布華城廠的7nm產(chǎn)線開始量產(chǎn)，且同樣在該廠的5nm產(chǎn)線預(yù)計(jì)今年下半年投產(chǎn)。

就在臺(tái)積電宣布投資120億美元赴美設(shè)廠后不久，5月21日，三星宣布位于首爾近郊京畿道平澤市的全新12吋晶圓廠已經(jīng)動(dòng)工，預(yù)計(jì)2021下半年投產(chǎn)，將是運(yùn)用EUV設(shè)備的5nm制程產(chǎn)線。

本周，韓國(guó)媒體ZDNetKorea報(bào)道稱，三星電子今年底將開始量產(chǎn)采用5nm制程的新一代手機(jī)應(yīng)用處理器（AP）產(chǎn)品，除了用5nm制程制造應(yīng)用處理器外，三星電子也將采用5nm制程量產(chǎn)手機(jī)調(diào)制解調(diào)器（基帶）芯片。

報(bào)道指出，三星電子將用5nm制程量產(chǎn)高通的驍龍875，以及5G基帶芯片驍龍X60，另外，還有三星自家的處理器Exynos 1000等產(chǎn)品。如果三星電子能按計(jì)劃從今年下半年開始大規(guī)模生產(chǎn)5nm制程芯片，將可以進(jìn)一步縮小與臺(tái)積電的技術(shù)差距。

你爭(zhēng)我奪

實(shí)際上，高通的先進(jìn)制程芯片一直在臺(tái)積電和三星這兩家產(chǎn)線之間擇優(yōu)選用，以驍龍875和驍龍X60為例，今年早些時(shí)候有消息顯示，高通的5G芯片訂單，特別是基帶芯片X60，除了由臺(tái)積電代工之外，還有一部分交由三星生產(chǎn)。

按照慣例，高通將會(huì)在今年12月發(fā)布旗下最新的旗艦手機(jī)處理器驍龍875。作為高通主要面向明年安卓旗艦機(jī)型推出的處理器產(chǎn)品，驍龍875將會(huì)基于5nm制程工藝。今年早些時(shí)候，91Mobiles率先曝光了這款處理器的詳細(xì)信息。驍龍875將會(huì)和驍龍X60 5G基帶芯片，以及新的射頻系統(tǒng)搭配，驍龍875處理器在高通內(nèi)部的開發(fā)代號(hào)為SM8350。

爆料指出，驍龍875處理器將會(huì)擁有基于ARM v8 Cortex架構(gòu)的Kryo 685 CPU，但目前還不能確定驍龍875采用公版架構(gòu)還是會(huì)進(jìn)行修改；支持毫米波以及sub-6GHz 5G網(wǎng)絡(luò)；擁有Adreno 660 GPU、Adreno 665 VPU（視頻處理單元）、Adreno 1095 DPU（分散處理單元）、高通安全處理單元（SPU250）、Spectra 580圖像處理引擎、驍龍傳感器核心技術(shù)、升級(jí)的Hexagon DSP、四通道LPDDR5、WCD9380和WCD9385音頻編解碼器。

除了高通訂單之外，三星自家的Exynos 1000也會(huì)采用5nm制程，據(jù)悉，該手機(jī)處理器采用了RDNA GPU技術(shù)，RDNA GPU技術(shù)是去年6月AMD授權(quán)給三星的，用以取代現(xiàn)有的Maili GPU。

再有，今年4月，谷歌宣布與三星合作打造自研芯片，據(jù)外媒報(bào)道，谷歌自研的SoC已經(jīng)流片，將有望在Pixel系列手機(jī)上使用。這顆芯片代號(hào)叫“Whitechapel”，搭載的是8核CPU，采用三星5nm制程工藝。

與三星的5nm訂單相比，臺(tái)積電豐富得多，目前，除了華為海思之外，約有7個(gè)客戶在排隊(duì)等候臺(tái)積電的5nm產(chǎn)能，包括蘋果、高通、AMD、英偉達(dá)、聯(lián)發(fā)科、英特爾、比特大陸。下面來看一下這些即將出爐的5nm芯片情況。

首先，海思的麒麟9000是臺(tái)積電為華為趕制的5nm芯片，將用于下個(gè)月發(fā)布的Mate40手機(jī)?？紤]到7nm FinFET Plus EUV 麒麟990 5G集成了高達(dá)103億個(gè)晶體管，麒麟9000使用5nm工藝，其每平方毫米可能有多達(dá)1.713億個(gè)晶體管。該芯片可能會(huì)采用Cortex A77架構(gòu)，性能表現(xiàn)上將比麒麟990系列至少快30%，同時(shí)也更加省電。

蘋果是臺(tái)積電最大客戶，據(jù)悉，該公司基于5nm的A14處理器，除了擁有更多的晶體管和更高的峰值時(shí)鐘速率外，蘋果還在架構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，預(yù)計(jì)其單核性能會(huì)提升不少。

相較于單核性能，A14的多核性能存在更多變數(shù)。首先是因?yàn)橹瞥坦に嚨纳?jí)，晶體管密度能夠大幅提升，蘋果或許會(huì)增加第三個(gè)大核，或者大幅改進(jìn)小核心的性能，來提升多線程性能。

圖形性能上，A13處理器相較于A12有跳躍式提升，在3DMark Sling Shot Extreme Unlimited測(cè)試中，從A12的4000分左右直接跳到了6500分左右。而對(duì)于A14處理器的圖形性能，根據(jù)趨勢(shì)曲線估計(jì)會(huì)在7000分左右。但是，MacWorld表示除非出現(xiàn)了新的性能瓶頸，否則A14圖形性能將可能超過9500分。

MacWorld認(rèn)為，得益于升級(jí)的5nm制程工藝，蘋果將會(huì)增加Neural Engine內(nèi)核，并且可能進(jìn)行架構(gòu)升級(jí)，以帶來更好的神經(jīng)引擎性能升級(jí)。

臺(tái)積電的另一大客戶是AMD，該公司的訂單量增速迅猛。據(jù)悉，AMD的Zen 4架構(gòu)CPU有望在2021年推出，將采用臺(tái)積電的5nm工藝制造。這將是業(yè)界首個(gè)5nm制程的x86處理器。而Zen 4架構(gòu)的EPYC霄龍?zhí)幚砥鞯陌l(fā)布時(shí)間將會(huì)在2021年或者2022年初。Zen 4對(duì)AMD來說至關(guān)重要，因?yàn)榇?hào)為“熱那亞”的數(shù)據(jù)中心處理器將會(huì)采用全新的SP5接口，新的接口將顯著改變處理器的I/O，并支持新的DDR5內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)和PCIe 5.0標(biāo)準(zhǔn)。

今年3月，AMD公布了GPU發(fā)展路線圖，不僅包含了去年夏天發(fā)布的Radeon RX 5700 XT RDNA，還闡述了RDNA 2和RDNA 3。其中，RDNA 3在功能方面能夠得到的消息還比較少，但從整體目標(biāo)來看，AMD仍然希望能夠持續(xù)提高每瓦功率性能，功耗仍然是GPU總體性能的瓶頸，而更先進(jìn)的制程工藝有助于提升功率效率。鑒于即將發(fā)布的RDNA 2可能不再局限于臺(tái)積電的EUV 7nm+工藝，那么RDNA 3可能會(huì)采用臺(tái)積電6nm或者5nm工藝。

另外，有消息稱，英偉達(dá)下一代Hopper GPU已經(jīng)預(yù)訂了臺(tái)積電的5nm制程。AMD積極采用7nm制程的做法使英偉達(dá)感受到了壓力，作為應(yīng)對(duì)方案，他們已經(jīng)為Hopper GPU預(yù)訂了臺(tái)積電2021年的5nm產(chǎn)能。

此外，聯(lián)發(fā)科的D2000也將在第四季度開始在臺(tái)積電5nm產(chǎn)線投片，而英特爾自研的Xe架構(gòu)GPU也很有可能于明年通過臺(tái)積電的6nm或5nm制程生產(chǎn)。

3D封裝跟進(jìn)

5nm不僅對(duì)晶圓加工設(shè)備提出了很高要求，相應(yīng)芯片生產(chǎn)出來以后，后續(xù)的封裝水平也必須能夠滿足越來越高的要求。因此，無論是三星，還是臺(tái)積電，都陸續(xù)推出了3D封裝工藝，以應(yīng)對(duì)5nm，以及之后的4nm、3nm客戶要求。

近期，三星公布了自家的3D封裝技術(shù)，名為X-Cube，可用于7nm及5 nm制程。據(jù)悉，“X-Cube”取自英文eXtended-Cube 的縮寫。

X-Cube利用TSV 硅穿孔封裝，可讓多個(gè)芯片進(jìn)行堆疊，制造出單一的邏輯芯片。三星在7nm制程的測(cè)試過程中，成功利用TSV 技術(shù)將SRAM 堆疊在邏輯芯片頂部，這也使得在電路板的配置上，可在更小的面積上裝載更多的存儲(chǔ)單元。該3D封裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還包含芯片間的信號(hào)傳遞距離更短，以及將數(shù)據(jù)傳送、能量效率提升到更高水平。

三星稱，X-Cube可讓芯片工程師在進(jìn)行客制化解決方案的過程中，能享有更多彈性，也更貼近他們的特殊需求。

三星表示，X-Cube已經(jīng)在其自家的7nm和5nm制程上通過驗(yàn)證，計(jì)劃和IC設(shè)計(jì)客戶繼續(xù)合作，推進(jìn)3D封裝工藝在下一代高性能應(yīng)用中的部署。

臺(tái)積電方面，幾年前就推出了2.5D封裝技術(shù)CoWoS，之后也陸續(xù)發(fā)布了3D封裝技術(shù)。本周，該公司推出了一種晶圓級(jí)系統(tǒng)集成平臺(tái)技術(shù)。

該技術(shù)平臺(tái)包含了CoWoS和InFo這兩種封裝技術(shù)。據(jù)悉，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到智能手機(jī)、數(shù)據(jù)中心、人工智能訓(xùn)練等上百種產(chǎn)品上。在這個(gè)平臺(tái)上，還有一個(gè)比較新，更具彈性的SoIC 3D堆疊技術(shù)，如F2F、F2B，CoW、WoW、LoL，以及LOM等。在芯片制造的前道工序?qū)崿F(xiàn)。通過這項(xiàng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片之間更緊密的連接。

與此同時(shí)，臺(tái)積電發(fā)布了全新的3D Fabric，它將SoIC、InFO、CoWoS等3D IC平臺(tái)整合在了一起，這是代表臺(tái)積電最先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)晶圓集成平臺(tái)。這一新的命名能簡(jiǎn)單表達(dá)制程整合的次序。例如前道整合，分別展現(xiàn)了芯片堆疊在晶圓、或者晶圓堆疊在晶圓上面。

結(jié)語

5nm制程工藝量產(chǎn)已經(jīng)鋪開，隨著推進(jìn)腳步的加快，無論是甲方，還是乙方，在接下來的一年時(shí)間內(nèi)，預(yù)估對(duì)相應(yīng)產(chǎn)能的爭(zhēng)奪將趨于白熱化。