3nm"炙手可热",手机企业怎么办?

来源:中国电子报、电子信息产业网沈丛2023-10-27

近日,首次采用台积电3nm制程的苹果iPhone15 Pro新机陷入A17芯片过热争议。在此前,有消息称台积电3纳米良率仅55%,也因此台积电将不会按照标准晶圆价格向苹果收费,苹果仅向台积电支付可用芯片的费用。此外,有消息称,受到3nm良率的影响,高通即将发布的骁龙8 Gen 3芯片,将不会全部使用3nm制程,部分产品依旧采用4nm制程。

第一个吃螃蟹的人,一定会有风险。随着芯片制程不断缩小,芯片良率低以及发热的问题愈见凸显。使得原本需求火热的先进制程芯片,却因为发热问题变得有些“炙手可热”。先进制程是否将不再成为手机厂商的竞争焦点?先进制程频频发热在此之前,先进制程芯片也频频出现发热问题。大致从5nm工艺开始,手机芯片普遍出现发热现象。

彼时,三星猎户座1080、华为麒麟9000、骁龙888和苹果的A14芯片都采取了5nm工艺制程,但却不约而同地出现了发热的现象。在此后的4nm工艺中,高通骁龙8 Gen 1、三星Exynos 2200、联发科天玑9000等采用4nm工艺制程的手机,也再度因为发热现象引发争议。依照摩尔定律规则,芯片制程缩小,晶体管密度增加,功耗也会随之减少。

然而,随着芯片制程愈发接近物理极限,芯片的功耗为何却出现不降反增的趋势?北京超弦存储器研究院执行副院长、北京航空航天大学兼职博导赵超告诉《中国电子报》记者,先进制程之所以会出现发热的现象,是短沟道效益所引起的。“半导体制造中,集成电路的尺寸随着摩尔定律的发展而持续缩小,沟道长度也相应地缩短,这就导致了沟道管中的S和D(源和漏)的距离越来越短。

因此栅极对沟道的控制能力变差,这就意味着栅极电压夹断沟道的难度变大,即产生短沟道效应,从而出现严重的电流泄露(漏电)现象,最终让芯片的发热和耗电失控。”赵超说。新结构带来新问题赵超表示,5nm、4nm芯片所采用的都是FinFET(鳍式场效应晶体管)结构。FinFET所采用的是三面栅的结构,并非像GAA一样的四面环绕式的结构,其中一个方向没有栅极的包裹。随着芯片制程的不断减小,FinFET三面栅的结构对于漏电的控制能力也在逐渐减弱,造成芯片出现功耗问题。

然而,采用了四面环绕式GAA架构的三星,虽然在一定程度上缓解了短沟道效益,但是却并没有如愿大幅度提升芯片的良率。据了解,采用GAA架构的三星3nm工艺芯片,首批的良率只有10%~20%,而如今的良率也仅仅只有50%~60%。业内人士透露,三星若想获得高通等大客户的3nm订单,良率至少要达到70%以上。

三星通过改变芯片架构实现功耗的降低和性能的提升可以推算,未来芯片进入到2nm以及更小制程后,芯片的发热以及功耗问题也将难以避免。软件成手机厂商发力重点由于先进制程频频出现问题,使得很多手机厂商开始 “另辟蹊径”,试图通过其他方式来提升芯片的性能,在这之中,软件成为了诸多手机厂商的关注焦点。对于手机而言,如果把芯片比作一粒种子,那么软件就是土壤,如果软件能够针对芯片硬件的特性进行优化,就像土壤为种子提供最适宜的生长环境,那么芯片便能发挥出更大的功效。因此,诸多手机厂商也开始尝试通过优化自家的软件系统,从而更好地发挥自研芯片的性能,提供更加流畅、高效的用户体验。

例如,苹果即将发布iOS 17.0.3版本,便是想通过软件的升级,从而优化设备的温度表现,进而改善手机的发热问题;华为的鸿蒙系统与麒麟芯片的深度结合,也是促使Mate 60 Pro的性能超越传统预期的主要方式之一。先进制程依旧是竞争焦点然而,业内专家莫大康向《中国电子报》记者表示,软件生态对于手机而言固然重要,但是并不能完全替代通过芯片制程缩小带来的性能提升。此外,尽管芯片制程的不断缩小,给芯片良率带来了很多困难,但是先进制程的市场热度仍旧只增不减。台积电3nm工艺制造的12英寸晶圆的报价高达3万美元,是7nm工艺的3倍之多。预计到2025年之际,3nm制程市场的产值将会高达255亿美元。

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数据来源:据公开资料整理

“采用新产品、新技术,是帮助企业在市场竞争中立足的关键因素之一,但这同样也需要企业承担相应的风险。市场竞争本身就是赌,谁也无法预测是否能赌成功。但是苹果等资本力量雄厚的企业,也有赌的资本,所以他们并不怕试错。此外,新技术同样也需要时间去试错和迭代。虽然,目前3nm先进制程的良率不高,但是并不意味着未来的良率不会提升。随着技术不断成熟,先进制程芯片的现有问题也会被一一解决,只是由于制程不断缩小,技术难度越来越大,技术的磨合期也会相应变长。”莫大康向《中国电子报》记者表示

台积电、三星、英特尔中芯国际的芯片制程发展线有消息称,在台积电成功试产2nm的几乎同一时间,苹果便成为了首个客户。与此同时,高通也在考虑在未来使用台积电的2nm工艺生产其芯片。先进制程依旧是手机厂商眼中的“香饽饽”。芯片制程的延伸和软件系统的升级,也将成为未来手机技术发展的“两条腿”,二者缺一不可。

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