5nm芯片為何集體翻車？10年前困擾臺(tái)積電三星的問題又回來了

來源：魔鐵的世界

作者：魔鐵

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在環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET）正式擼起袖子上陣之前，芯片的發(fā)熱仍然會(huì)是一個(gè)問題。

5nm是EUV（極紫外線）光刻機(jī)能實(shí)現(xiàn)的目前最先進(jìn)芯片制程工藝，也是智能手機(jī)廠商爭(zhēng)搶的宣傳賣點(diǎn)，進(jìn)入2020年下半年后，蘋果A14、麒麟9000、驍龍888等5nm工藝芯片相繼粉墨登場(chǎng)。

然而，公開的信息顯示，無論A14、麒麟9000，還是驍龍888，均被曝出芯片的實(shí)際功耗發(fā)熱與廠商宣傳的美好相差甚遠(yuǎn)，一時(shí)間，“5nm芯片集體翻車”的話題成為網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)。

驍龍888功耗等于低壓酷睿？

根據(jù)AI財(cái)經(jīng)社的報(bào)道，5nm芯片最讓人詬病的，是性能雖然有所提升，但功耗卻比7nm的明顯增加，這其中表現(xiàn)最差的就是驍龍888，被調(diào)侃為“火龍888”。

數(shù)碼評(píng)測(cè)媒體極客灣對(duì)驍龍888、驍龍865、驍龍855測(cè)試的功耗數(shù)據(jù)表明，單核功耗上，驍龍865最低，為2.3瓦，其次是驍龍855的2.4瓦，驍龍888最高，達(dá)3.3瓦，相比驍龍865高了1瓦，高出幅度達(dá)43.5%。多核功耗方面，最低的依然是驍龍865，為5.9瓦，其次是驍龍855的6.1瓦，驍龍888依然落在最后，功耗高達(dá)7.8瓦，是驍龍865的1.32倍。具體見下圖。

驍龍888多核功耗高達(dá)7.8瓦是個(gè)什么概念？英特爾第11代低壓酷睿i7處理器的功耗在7——15瓦，可用于超輕輕薄筆記本電腦（在無風(fēng)扇散熱時(shí)，功耗鎖定為7瓦）。也就是說，驍龍888的多核功耗已經(jīng)相當(dāng)于一顆第11代低壓酷睿i7處理器，但需要明確的是，低壓酷睿i7處理器采用的是10nm工藝制程，落后臺(tái)積電、三星的5nm不少。

英特爾處理器采用復(fù)雜指令集，理論上相比采用精簡(jiǎn)指令集的驍龍888更為耗電，但驍龍888在占據(jù)工藝先進(jìn)至少一代的優(yōu)勢(shì)下，功耗竟然相當(dāng)于英特爾低壓酷睿。不知道英特爾看到這里會(huì)是什么心情。

驍龍888功耗猛增，最直觀的體驗(yàn)就是，手機(jī)如果運(yùn)行較大型的游戲，發(fā)熱就比較明顯。極客灣的數(shù)據(jù)表明，在某款游戲的測(cè)試中，玩了20分鐘后，小米11背面溫度達(dá)到了48℃，而搭載驍龍865的小米10在相同的測(cè)試環(huán)境下，溫控表現(xiàn)更好只有41℃。

愛范兒對(duì)搭載A14芯片的iPhone12運(yùn)行《原神》游戲測(cè)試表明，20分鐘后，手機(jī)背面最高溫度達(dá)到47℃，接近小米11。

5nm的芯片在制程工藝上更先進(jìn)，為何功耗表現(xiàn)卻落后于7nm的芯片？答案是和芯片內(nèi)部的晶體管漏電有直接關(guān)系。

為何晶體管漏電是元兇？

A14、驍龍和麒麟等手機(jī)SoC芯片屬于數(shù)字集成電路，而隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，集成電路的功耗越來越復(fù)雜，但總體可分為電路邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗，以及CMOS晶體管各種泄露電流產(chǎn)生的靜態(tài)功耗（又稱漏電流功耗）。

在芯片進(jìn)入深亞微米工藝時(shí)代之前，動(dòng)態(tài)功耗一直是芯片設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn)，但在進(jìn)入深亞微米工藝時(shí)代之后，動(dòng)態(tài)功耗在總功耗中的比例越來越小，靜態(tài)功耗的比例則越來越大。

當(dāng)芯片制造工藝進(jìn)入納米時(shí)代后，漏電流功耗對(duì)整個(gè)功耗的影響已經(jīng)變得非常顯著。有研究表明，在90nm工藝的電路中，靜態(tài)功耗可以占到總功耗的40%以上。

究其原因，是因?yàn)榧呻娐访恳淮圃旃に嚨倪M(jìn)步，都是以縮短CMOS晶體管的溝道長(zhǎng)度為目標(biāo)，7nm工藝指的就是指溝道長(zhǎng)度。溝道長(zhǎng)度不斷縮短，使得電源電壓、閾值電壓、柵極氧化層厚度等工藝參數(shù)也在不斷地按比例縮小，直接導(dǎo)致短溝道效應(yīng)（SCE）、柵極隧穿電流、結(jié)反偏隧穿電流等漏電流機(jī)制越來越顯著，表現(xiàn)為芯片漏電流功耗不斷上升。

有研究表明，當(dāng)晶體管的溝道長(zhǎng)度從130nm縮短到90nm時(shí)，即縮小30.77%，漏電流功耗上升大約39.25%，但縮短到45nm，即縮小65.4%時(shí)，漏電流功耗上升大約273.28%（具體見下圖）。

也就是說，漏電流功耗和縮小的溝道長(zhǎng)度之間不是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，即使溝道長(zhǎng)度縮短一點(diǎn)，漏電流功耗也會(huì)有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)，而且隨著溝道長(zhǎng)度越來越短，漏電流功耗增長(zhǎng)越來越快。

如果復(fù)盤芯片制造歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)漏電流功耗曾長(zhǎng)期困擾英特爾、三星和臺(tái)積電等制造大廠。

臺(tái)積電為何被稱臺(tái)漏電？

長(zhǎng)期以來，芯片制造大廠一直在和漏電流功耗作斗爭(zhēng)，每有進(jìn)展，都是值得大書特書的新聞，比如英特爾。

相反，臺(tái)積電2010年剛推出28nm工藝制程時(shí)，由于技術(shù)不成熟，漏電流功耗高，導(dǎo)致芯片的功耗大到難以接受，被市場(chǎng)調(diào)侃為“臺(tái)漏電?！庇虚L(zhǎng)達(dá)6年時(shí)間，都摘不掉這頂帽子。

在當(dāng)時(shí)，如何壓制漏電流功耗幾乎可以決定芯片工藝制程賽道上選手的身位。彼時(shí)，英特爾還是制造技術(shù)大拿，率先通過Gate-last技術(shù)壓制了漏電流功耗，臺(tái)積電則走了一些彎路，沿用IBM的Gate-first 技術(shù)，但效果不佳，在28nm上栽了跟斗，后在蔣尚義的主導(dǎo)下，改走英特爾Gate-last技術(shù)路線，才算解決漏電流功耗過高難題。

2011年第4季度，歷經(jīng)波折后，臺(tái)積電終于量產(chǎn)成熟可靠的28nm制程。三星本來在32納米制程也采用Gate-first 技術(shù)，但后來在28 納米制程時(shí)，快速切換到Gate-Last 路線，之后的14納米也基于Gate-Last。

據(jù)說，三星是通過梁孟松解決漏電流功耗問題，成功縮短與臺(tái)積電的工藝差距。結(jié)果引發(fā)臺(tái)積電起訴梁孟松，迫使后者離開三星半導(dǎo)體，輾轉(zhuǎn)到中芯國(guó)際。

由此可見，壓制晶體管漏電流功耗有多重要。

為何老邁的技術(shù)不退休？

臺(tái)積電、三星和英特爾之所以能壓制漏電流功耗問題，主要原因是采用了創(chuàng)新的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（簡(jiǎn)稱FinFET，見附圖），以替代傳統(tǒng)的平面式晶體管。但由加州大學(xué)伯克利分校胡正明教授發(fā)明的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET），通過局部技術(shù)改良，從28nm工藝制程一直沿用至今，可謂發(fā)揮到了極限。隨著制程工藝進(jìn)入EUV時(shí)代，漏電流功耗重新成為挑戰(zhàn)。

在7nm時(shí)，老邁的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）技術(shù)就應(yīng)該謝幕了，由環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET）接替。但由于技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本壓力，大廠們?cè)?nm時(shí)代仍不得不使用老邁的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）技術(shù)，結(jié)果就是如前文所述，5nm的芯片漏電流功耗飆漲，在功耗上集體翻車，幾乎消耗掉制程工藝進(jìn)步的紅利。也可以看出，芯片制造技術(shù)每往前跨一步，其實(shí)都極為不易。

那么，鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）會(huì)應(yīng)用到什么時(shí)候？

從公開的信息看，英特爾計(jì)劃在5nm（接近臺(tái)積電3nm工藝）時(shí)切換到環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET），臺(tái)積電則計(jì)劃3nm之后再說，三星為了追平與臺(tái)積電的工藝差距，決定豪賭一把，搶先臺(tái)積電一步，在3nm時(shí)就采用環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET）。

總之，在環(huán)繞柵極晶體管（GAAFET）正式擼起袖子上陣之前，芯片的發(fā)熱仍然會(huì)是一個(gè)問題。

技術(shù)參考資料：

1.《數(shù)字集成電路漏電流功耗估計(jì)技術(shù)研究》，作者/李鵬；

2.《CMOS晶體管漏電流分析》，作者/王旭。

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