巨頭芯片制程之爭: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。

作為人類迄今能達到的集成度最高的芯片制造工藝，5nm制程最多可實現每平方毫米集成1.713億個晶體管；同樣基于移動處理器架構Cortex-A77，5nm芯片性能或能比7nm產品提升50%！

對于以降低功耗、提升性能為目標的智能手機處理器產業(yè)來說，5nm芯片制程成為其必須搶占的“高地”。在這一產業(yè)窗口期，芯片設計、制造工藝成為5nm芯片商用落地的關鍵。

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

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

7nm、5nm、3nm……芯片制程越先進，單位面積晶體管數目越多，就越逼近物理體系的極限。隨著各家產品正式亮相，5nm芯片已然從一個摩爾定律的“傳說”，進入市場即將刺刀見紅的新局面。不消說，隨著搭載4款芯片的手機進入消費市場，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，蠢蠢欲動者遠不止蘋果、華為、三星、高通四家；而在5nm芯片代工賽道上，臺積電、三星同樣打得難舍難分。

在四款5nm芯片閃亮登場的背景板中，美國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……還有種種因素正導致這場關于手機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，走進這場手機芯片之戰(zhàn)的風暴眼——5nm芯片商用賽道的真實情況。

一、手機SoC設計之爭：四巨頭搶跑，誰還在排隊？

作為目前可量產的最先進制程，5nm芯片已成為大部分芯片設計玩家追逐的目標。而其中最為人矚目的部分莫過于手機芯片設計玩家的比拼。一方面，各家5nm芯片的性能，直接關系到手機性能，因此成為消費者最關注的話題之一；另一方面，作為現有可量產的最先進制程，5nm產能必將被手機廠商追逐和瓜分。

高通曾預計，2021年全球5G手機出貨量將達到4.5億部，數量相比2020年直接翻倍。面對驟增的市場需求，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、華為Mate 40系列手機。

集成度方面，麒麟9000晶體管數目比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，由于美國對華為獲取芯片技術的限制，華為麒麟9000是基于Arm上一代旗艦架構Cortex-A77進行設計的，而蘋果、三星、高通均可以獲得Arm最新IP授權。從網傳三星獵戶座1080、高通驍龍875的架構情況來看，這兩款芯片均基于Arm最新的Cortex-A78進行設計。

另外，麒麟9000內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。

據中國臺灣《聯(lián)合新聞網》發(fā)布的iPhone 12拆解文章，A14芯片確認外掛高通X55基帶芯片，但暫無法得知蘋果是直接采用高通完整設計，還是采用客制版產品。

兩款芯片的綜合性能對比可參考跑分平臺GeekBench透露的數據：搭載麒麟9000的華為Mate 40系列某機型跑分為單核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、高通計劃乘上2020的“末班車”，分別計劃于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）在中國上海為獵戶座1080芯片舉辦發(fā)布會。這也是三星首次專門為一款處理器舉辦發(fā)布會，三星對獵戶座1080的重視由此可見一斑。

根據外媒信息，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。

據跑分平臺GeekBench，7nm制程的獵戶座1080跑分為單核1040，多核3017。

各大手機廠商中，華為、三星、蘋果對旗艦手機SoC各有自己的匠心設計，剩余的小米、OPPO、vivo等一眾玩家，則瞄準了高通的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平臺數據顯示，一款據猜測為搭載驍龍875的小米新機，跑分數據為單核1105，多核為3512。

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

3、聯(lián)發(fā)科、紫光展銳正在“熱身”

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

作為全球排名第二的手機芯片設計玩家，聯(lián)發(fā)科主要面向中低端手機市場。今年以來，聯(lián)發(fā)科的5nm研發(fā)計劃同樣引起市場關注。

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。但隨著美國對華為禁令的影響逐漸擴大，九月初又傳出聯(lián)發(fā)科將“取消基于5nm工藝的5G高端平臺研發(fā)計劃”。

對此傳言，聯(lián)發(fā)科官方下場辟謠，稱5nm芯片正按計劃推進，不會因為單一客戶而更改產品計劃。

10月31日，數碼博主@數碼閑聊站爆料，聯(lián)發(fā)科正開發(fā)兩款芯片mtk6893、mtk6891，將采用全新5nm/6nm工藝，進度快于去年?？紤]到這位博主曾多次押準手機產業(yè)鏈消息，有關聯(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，并將于今年年底實現虎賁T7520量產。按照這一計劃，推出5nm芯片應當也在紫光展銳計劃之中。

二、工藝比拼：都是5nm，臺積電集成度更高

這邊廂，5nm手機芯片設計玩家龍爭虎斗，不論四家巨頭排位如何，都不會影響產業(yè)鏈上游的5nm芯片制造商吃進訂單。而那邊廂，盡管5nm芯片制造商僅有臺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)，計劃在2020年第二季度實現5nm芯片的量產。現在2020年已經進入第四季度，由臺積電代工的兩款5nm旗艦芯已經落地，而三星代工的5nm芯片卻“趕了晚集”。

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

中國臺灣《經濟日報》曾援引臺積電內部消息稱，臺積電5nm制程試產結果顯示，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，晶體管數僅增加二成，且臺積電產品在功耗等方面均更有優(yōu)勢。

兩家公司對更先進制程的規(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3nm工藝。

今年8月26日召開的“2020世界半導體大會暨南京國際半導體博覽會”上，臺積電（南京）有限公司總經理羅鎮(zhèn)球透露，臺積電預計在明年批量生產4nm芯片，在2022年批量生產3nm芯片。

兩家公司的計劃將會怎樣推進？推進結果如何，這些問題只能留待時間回答。

三、先進制程之爭：摩爾定律快碰天花板？5nm之后去往何方

AI、5G、海量數據……種種因素推動之下，對計算的需求日益增長，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，臺積電、三星正在5nm賽道上短兵相接的關鍵時刻，昔日能與它們爭輝的另一大芯片代工玩家英特爾已經黯然離場。

今年7月24日，英特爾在2020年第二季度財報中宣布，將其7nm CPU的發(fā)布推遲6個月，也就是說，7nm CPU要到2022年下半年或2023年初才會首次在市場上亮相。英特爾CEO Bob Swan稱，其7nm CPU延遲是因為一種“缺陷模式”。

作為芯片代工領域的先行者和曾經的領先者，英特爾作出推遲7nm芯片的決定，幾乎印證了人們對更先進制程難以實現的擔憂。

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

但是，隨著制程推進到5nm節(jié)點，FinFET工藝對先進制程的支持面臨瓶頸。

對此，學術界提出了一種全新的芯片生產工藝GAA MCFET（多橋通道 FET），即將芯片晶體管內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、進一步增加溝道的縮放潛力，進而提高芯片性能。

GAA也被視為是實現3nm芯片制程的關鍵工藝，目前臺積電、三星均已開始相關研究。

從7nm到5nm，一年時間過去，先進制程追趕之路上已然發(fā)生微妙的變化。未來先進制程競爭之路上，誰將成為領先者？達到更先進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會。

結語：誰能笑到最后？

對摩爾定律將死的“預言”已經流傳多年，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SoC設計玩家的5nm產品均將在第四季度揭幕。

目前，蘋果、華為的5nm芯片產品已經分別在自家的旗艦手機中商用。相比兩位領先者，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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