從臺積電的7nm工藝資料中推測麒麟980將有哪些技術提升？

本月，全球第一款采用7nm工藝的手機處理器麒麟980將揭開面紗，這一次，和16nm麒麟960，10nm工藝麒麟970一樣，華為手機處理器再度在去全球領先。和麒麟970相比，麒麟980會有哪些提升？雖然華為沒有公布數(shù)據(jù)，但我們可以從目前臺積電公布的7nm工藝資料中做一些推測。

2018年，半導體工藝正式跨入7nm時代，臺積電、格羅方德、三星等都宣稱要量產7nm工藝芯片，不過臺積電可能最早量產7nm 工藝芯片，據(jù)稱其已經獲得了50多家客戶訂單，包括華為海思、NV、賽靈思、AMD等這些大客戶，芯片應用涵蓋智能手機、游戲主機、處理器、AI應用、挖礦機等等。

相比10nm工藝，7nm有哪些提升，讓臺積電才在2017年量產10nm之后就迫不及待的在2018年升級？7nm帶給我們哪些驚喜？給我們帶來哪些驚喜？這里結合一些公布的論文和技術參數(shù)管窺一下。

1、7nm是半導體工藝史上一個極其重要的工藝節(jié)點

在ISSCC 2017大會上，臺積電的存儲器組詳細介紹了他們采用TSQ7nm HK-MG FinFET工藝制造的256 Mib SRAM芯片（如下圖所示），該芯片具有42.64mm2的芯片。 整個裸片大小是16nm工藝版/1/3左右（0.34X）， 與10nm工藝相比，臺積電的7nm工藝密度提升為1.6倍。臺積電聲稱其7nm工藝將性能提高20％，功耗降低40％

據(jù)悉，臺積電的7nm節(jié)點將有兩個版本，一種針對移動應用進行了優(yōu)化，另一種針對高性能應用進行了優(yōu)化。 臺積電還計劃下半年引入第二個改進工藝，稱為7nm +，會采用EUVL技術處理一些層。 這會提高產量并縮短晶圓周期時間。 與第一代7nm工藝相比，7nm +工藝將功耗和面積優(yōu)化的更好。

根據(jù)臺積電（TSMC）CEO魏哲家的說法，到2018年底將有超過50個產品完成7nm設計定案（Tape out）。其中，AI芯片、GPU和礦機芯片占了大部分的產能，其次是5G和應用處理器（AP）。

這是7nm工藝和10nm、16nm工藝性能提升對比

從圖上看出，跟10nm、16nm工藝相比，7nm工藝在功耗、性能和面積上有很大提升，與16nm相比提升非常顯著，超過其他幾個工藝節(jié)點的升級幅度！例如如果從16nm升級到7nm，芯片面積可以縮小到原來的1/3！而且從10nm升級到7nm功耗和面積也優(yōu)化幅度很大，此外，7nm工藝將適用于各類處理器（10nm僅用于移動處理器），所以7nm工藝是一個半導體制造上的一個重要節(jié)點，圍繞這個節(jié)點，EDA公司和IP開發(fā)了大量產品，所以7nm工藝將和28nm工藝節(jié)點一樣，會維持較長的時間，會有很長的生命周期。

所以，據(jù)此我們可以推測麒麟980的晶體管數(shù)量會有很大提升，而且憑借華為海思的設計功力，其在功耗上會做很好的優(yōu)化。未來依托7nm工藝，麒麟可能會有中低端處理器系列比如7系列，或者6系列，形成高中低完全覆蓋的布局。

2、7nm工藝激發(fā)了封裝技術升級

我們都知道，XXnm其實指的是集成電路上形成的互補氧化物金屬半導體場效應晶體管柵極的寬度，也被稱為柵長。隨著工藝技術升級，整個集成電路的面積縮小，集成電路的節(jié)距也隨之縮小、所以必須采用更先進的封裝技術。

據(jù)悉，臺積電會采用CoWoS（基板上芯片上芯片）和集成扇出（InFO）晶圓級封裝等技術應用在7nm工藝芯片上。此外，臺積電開發(fā)了其系統(tǒng)級封裝技術，以進入先進的SiP（系統(tǒng)級封裝）領域。SiP被認為是5G高速連接時代的重要封裝技術。具有5G功能的智能手機會大量采用SiP封裝技術。

據(jù)此判斷，麒麟980應該也采用了更先進封裝技術，據(jù)傳封測公司還未麒麟芯片量身打造了專用的測試設備。

3、一級高速緩存性能大提升，麒麟980主頻大突破？

我們都知道，緩存定義為CPU與內存之間的臨時數(shù)據(jù)交換器，它的出現(xiàn)是為了解決CPU運行處理速度與內存讀寫速度不匹配的矛盾——緩存的速度比內存的速度快多了。

目前一般高級CPU都采用了三級緩存形式（包括L1一級緩存、L2二級緩存、L3三級緩存）都是集成在CPU內的緩存，它們的作用都是作為CPU與主內存之間的高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，L1最靠近CPU核心；L2其次；L3再次。運行速度方面：L1最快、L2次快、L3最慢；容量大小方面：L1最小、L2較大、L3最大。CPU會先在最快的L1中尋找需要的數(shù)據(jù)，找不到再去找次快的L2，還找不到再去找L3，L3都沒有那就只能去內存找了。如下圖所示，其中一級高速緩存非常重要，它將與CPU 的主頻進行匹配，如果一級高速緩存能實現(xiàn)高速度則意味著可以進一步提升CPU主頻。

高速緩存也叫SRAM，一般采用6晶體管形式（6T）組成一個存儲bit 單元，在臺積電公布的數(shù)據(jù)上，SRAM的bit存儲信息存儲在四個場效應管交叉耦合組成的反相器中（其原理這里不贅述），如下圖所示：

在臺積電公布的測試數(shù)據(jù)中，一級高速緩存有驚喜的表現(xiàn)！這是顯微鏡拍攝的采用7nm High-K Metal-Gate FinFET 工藝技術的SRAM

這是測試的速度！在1.12V左右速率竟然可以高達5.36GHz!太驚喜了！這意味著采用7nm工藝的CPU主頻有望實現(xiàn)更高突破！它帶來的性能提升是超乎想象的。此外，CLK-to-WL、Double-WL 和 wl_clk RC延遲都大大減少了，這也可以進一步提升CPU性能。

這個提升是最激動的人心的，這意味著麒麟980主頻可以有很大提升空間，如果能提升超過3GHz那將是劃時代的！值得期待！

以上只是管窺了7nm工藝帶來的幾個性能突破點，實際上，7nm工藝還有更多驚喜，不過，據(jù)報道，目前開發(fā)10nm芯片的成本超過1.7億美元，而7nm則達到了3億美元，5nm更是高達5億美元，3nm直接將超過15億美元。隨著工藝成本日益提升，只有少數(shù)幾個IC巨頭如華為、NV、AMD等敢于投入跟進這場工藝豪賭。

而且，芯片戰(zhàn)略是需要長期投入的，手機廠家也不例外。據(jù)悉華為海思2015年開始就投入7nm工藝的研究，當時就跟TSMC一起做標準庫的研究與開發(fā)，大概進行了幾十個月的研究期，包括芯片可靠性研究等。為啥華為和TSMC會有如此緊密的合作，為啥華為在16nm,10nm,7nm一路領先？下一篇，我就寫寫華為和臺積電如何好基友，如何敢嘗工藝“頭啖湯”。