iPhone13或?qū)⑹褂迷鰪?qiáng)版5nm芯片

據(jù)市場(chǎng)情報(bào)公司 TrendForce 的一份最新報(bào)告預(yù)測(cè)，蘋(píng)果或?qū)⒃?2021 年的新 iPhone13 中采用更先進(jìn)的 A15 芯片，該芯片或?qū)⒉捎门_(tái)積電的 N5P 工藝（臺(tái)積電推出的 5 nm 極紫外 EUV（N5）制程的性能增強(qiáng)版本），可生產(chǎn)增強(qiáng)型的 “5nm+” 芯片，預(yù)計(jì)明年第三季開(kāi)始投片。

對(duì)蘋(píng)果公司來(lái)說(shuō)，與自研芯片同等重要的是，只有占據(jù)最新芯片工藝制程產(chǎn)能，才能牢牢把握產(chǎn)品性能領(lǐng)先。談及使用使用 5nm 技術(shù)對(duì)用戶(hù)的好處，國(guó)內(nèi)某芯片研究院的研發(fā)負(fù)責(zé)人認(rèn)為：“臺(tái)積電工藝的改進(jìn)加上蘋(píng)果系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，共同帶來(lái)了芯片硬件上的提升，由于驅(qū)動(dòng)能力、功耗、集成度和設(shè)計(jì)等方面的優(yōu)化，從用戶(hù)體驗(yàn)來(lái)說(shuō)，手機(jī)運(yùn)行會(huì)更加流暢，發(fā)熱更低，手機(jī)待機(jī)時(shí)間更久，同時(shí)可能實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用場(chǎng)景，例如 VR 相關(guān)的應(yīng)用或游戲等。”

此外他還認(rèn)為：“蘋(píng)果在軟硬件協(xié)同優(yōu)化上優(yōu)勢(shì)很大，硬件改進(jìn)后，從底層系統(tǒng)到應(yīng)用上會(huì)相應(yīng)地做優(yōu)化和提升，把硬件提升的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，一般的安卓手機(jī)，軟硬件大多是分離的，可能比較難做到這一點(diǎn)。

對(duì)于 “iPhone 使用增強(qiáng)版 5nm 芯片后，iPhone 13 就可以集成基帶” 的說(shuō)法，該負(fù)責(zé)人認(rèn)為：“集成基帶跟工藝制程的關(guān)系不大，和設(shè)計(jì)以及 IP 方面的關(guān)系更大。”

事實(shí)上，5nm 芯片的商用今年已經(jīng)如火如荼，基于 5nm 先進(jìn)工藝的華為麒麟 9000 手機(jī) Soc 順利推出，但由于美國(guó)技術(shù)禁令影響，臺(tái)積電在 2020 年 9 月 15 日之后無(wú)法再向華為出貨該旗艦芯片，“麒麟絕唱” 讓人唏噓，能否解禁有待觀望。

如今，蘋(píng)果發(fā)布 iPhone 12 并正式使用 A14 芯片，搶占臺(tái)積電 5nm 芯片產(chǎn)能。此外，近期三星聯(lián)合 vivo 發(fā)布了全球第三款 5nm 手機(jī)芯片 Exynos 1080，高通預(yù)計(jì)也將在 12 月初公布 5nm 芯片驍龍 875 處理器。

TrendForce 還預(yù)測(cè)，蘋(píng)果將在大約兩年時(shí)間內(nèi)采用 4nm 工藝，這意味著 “A16” 芯片可能最早采用 4nm 工藝，蘋(píng)果仍有可能最先嘗鮮。

對(duì)此，美國(guó)某量測(cè)設(shè)備供應(yīng)商技術(shù)專(zhuān)家、知乎大 V “多克特梨” 認(rèn)為：“臺(tái)積電不會(huì)公布任何技術(shù)細(xì)節(jié)，從 N5 到 N5P 還在同一技術(shù)節(jié)點(diǎn)，關(guān)鍵層應(yīng)該是 EUV 曝光。如果聲稱(chēng)提高電池壽命，那肯定是在漏電流控制上做文章，降低單個(gè) FinFET 的能耗，至于怎么實(shí)現(xiàn)，目前完全不清楚。不過(guò) N4 工藝，我個(gè)人猜測(cè)，依然是 N5 改進(jìn)版，而且是 FinFET。三星率先宣布攻堅(jiān) N3 GAA（GAA 即 Gate-All-Around，環(huán)繞式柵極技術(shù)），臺(tái)積電應(yīng)該是重點(diǎn)押寶 N2 的 GAA 了。”

因?yàn)榻衲?A14 的實(shí)際性能并不讓人滿(mǎn)意，按照蘋(píng)果官方公布數(shù)據(jù)，A14 的 CPU 相對(duì)于 A13 只提升 17%，GPU 只提升 10%，這性能提升幅度有點(diǎn) “擠牙膏” 的跡象。要知道，今年蘋(píng)果 A14 采用臺(tái)積電 5nm 工藝，集成 118 億個(gè)晶體管，內(nèi)核面積僅為 88 平方毫米，密度為 1.34 億個(gè)晶體管 / 平方毫米。

作為對(duì)比，上代 A13 使用的是臺(tái)積電 7nm 工藝，集成 85 億個(gè)晶體管，內(nèi)核面積 94.48 平方毫米，密度為 8997 萬(wàn)個(gè)晶體管 / 平方毫米。

根據(jù)臺(tái)積電的宣傳，5nm 工藝最高可以做到 1.713 億個(gè)晶體管 / 平方毫米的密度，蘋(píng)果 A14 距離理論值差了不少，只發(fā)揮出來(lái)不到 80％，但據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，A14 提升幅度較小，主要可能因?yàn)榕_(tái)積電的 N5 工藝良率低，蘋(píng)果不得不限制一些核心能力的提升幅度。

5nm 以后芯片設(shè)計(jì)難度是怎樣的？從芯片制程物理極限角度來(lái)說(shuō)，今后的芯片性能提升是否會(huì)越來(lái)越困難？

對(duì)上述問(wèn)題，西南交通大學(xué)信息學(xué)院電子工程系副系主任邸志雄博士告訴 DeepTech：“5nm 以后，芯片設(shè)計(jì)將不得不面臨更加復(fù)雜的物理效應(yīng)問(wèn)題，如時(shí)序優(yōu)化、寄生參數(shù)、擁塞預(yù)測(cè)等復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有工藝制程，給 EDA 和代工廠商帶來(lái)了巨大的壓力。5nm 帶來(lái)了單位面積更高的集成度，芯片驗(yàn)證技術(shù)也需要更大規(guī)模、更多層次化軟硬協(xié)同驗(yàn)證才能更適合市場(chǎng)研發(fā)周期的需求。從披露的臺(tái)積電和三星研發(fā)進(jìn)度來(lái)看，5nm 之后還會(huì)有 3nm、2nm、1nm，晶體管結(jié)構(gòu)也從 FinFET 演變?yōu)?GAA，芯片性能的提升將會(huì)碰到越來(lái)越多的困難，Chiplet 技術(shù)也將是解決芯片性能提升的一個(gè)重要技術(shù)。”

圖｜臺(tái)積電的新一代 3D 堆棧封裝工藝 SoIC

5nm 產(chǎn)能硬仗，臺(tái)積電或成最大贏家

盡管新冠疫情對(duì)全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了負(fù)面影響，但 AIoT、遠(yuǎn)程教育、5G 智能手機(jī)滲透率不斷提高以及電信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)的推動(dòng)，半導(dǎo)體市場(chǎng)逆勢(shì)上揚(yáng)。據(jù) TrendForce 調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì) 2020 年全球晶圓代工收入將同比增長(zhǎng) 23.8％，為十年來(lái)最高，根據(jù)各代工廠客戶(hù)訂單的狀況，當(dāng)前高端芯片產(chǎn)能的緊張供應(yīng)至少會(huì)持續(xù)到 2021 年第一季度。

低于 10nm 節(jié)點(diǎn)的先進(jìn)工藝，目前臺(tái)積電和三星的晶圓產(chǎn)能都已接近滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，同樣，由于預(yù)計(jì) 4nm、3nm 工藝將分別在 2021 年和 2022 年投放市場(chǎng)，因此 ASML 的最先進(jìn) EUV 光刻機(jī)也已成為高度追捧的稀缺設(shè)備。

5nm 工藝技術(shù)是目前量產(chǎn)芯片的最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，在美國(guó)制裁禁止臺(tái)積電向華為供貨后，蘋(píng)果成為臺(tái)積電 5nm 手機(jī)芯片的唯一客戶(hù)，此外，蘋(píng)果為其內(nèi)部開(kāi)發(fā)的 Mac CPU 和服務(wù)器中使用的 FPGA 加速器正在迅速搶占訂單，拿下華為離開(kāi)后剩余的晶圓產(chǎn)能。

清華大學(xué)信息國(guó)研中心鄧辰辰博士表示：“采用制程更先進(jìn)的芯片，將會(huì)給手機(jī)產(chǎn)品帶來(lái)顯著的性能和能效的提升。先進(jìn)工藝是能夠?qū)崿F(xiàn)高速率、低功耗、高集成的5G芯片產(chǎn)品重要支撐條件。同時(shí)，先進(jìn)工藝也意味著研發(fā)和制造成本的上升?！?/p>

展望 2021 年，蘋(píng)果公司為 A15 仿生 SoC 需要 5nm + 晶片外，AMD 5nm Zen 4 CPU 的小批量試生產(chǎn)也將拉開(kāi)序幕，這些產(chǎn)品將有助于臺(tái)積電明年的 5nm 產(chǎn)能利用率維持在 85-90% 的區(qū)間。

需要指出的是，從 2021 年末到 2022 年，聯(lián)發(fā)科、英偉達(dá)和高通公司也將開(kāi)始 5/4nm 的量產(chǎn)，而 AMD 將加大 Zen4 處理器的生產(chǎn)。此外，首批外包的 5nm 英特爾 CPU 也有望在 2022 年在臺(tái)積電投產(chǎn)，這些公司對(duì)高端芯片的巨大需求有望促使臺(tái)積電業(yè)務(wù)量激增創(chuàng)下新高，但同時(shí)也是一次巨大考驗(yàn)。

圖｜臺(tái)積電先進(jìn)芯片制程工藝預(yù)測(cè)

那么蘋(píng)果使用的 5nm 技術(shù)，和各大手機(jī)廠商的產(chǎn)品對(duì)比的話(huà)，是一個(gè)怎樣的水平？對(duì)于該問(wèn)題，邸志雄博士告訴 DeepTech：“目前 5nm 制程的移動(dòng)處理器有蘋(píng)果 A14 和海思麒麟 9000，高通和三星也會(huì)在本年度推出 5nm 處理器。從各個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)上各家推出的移動(dòng)處理器性能來(lái)看，蘋(píng)果 A14 為自研架構(gòu)，其他廠商大都采用了 ARM 公版架構(gòu)，但設(shè)計(jì)水平上與蘋(píng)果還有一定的差距?！?/p>

蘋(píng)果于 2020 年秋發(fā)布了首款 5G 手機(jī) iPhone 12，但由于 5G 手機(jī)姍姍來(lái)遲，不少用戶(hù)表示更期待 iPhone 13，俗稱(chēng) “十三香”。那么，“十三” 到底香不香，還得看用戶(hù)是否買(mǎi)賬。

原文標(biāo)題：iPhone 13或?qū)⑹褂迷鰪?qiáng)版5nm芯片，預(yù)計(jì)明年第三季開(kāi)始投片

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