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5nm芯片为何集体翻车？10年前困扰台积电三星的问题又回来了

晰数塔互联网快讯
2021-01-25 09:22

编者按：本文来自微信公众号“魔铁的世界”（ID:jiangpeiyu0916），作者：魔铁，36氪经授权发布。

5nm是EUV（极紫外线）光刻机能实现的目前最先进芯片制程工艺，也是智能手机厂商争抢的宣传卖点，进入2020年下半年后，苹果A14、麒麟9000、骁龙888等5nm工艺芯片相继粉墨登场。

然而，公开的信息显示，无论A14、麒麟9000，还是骁龙888，均被曝出芯片的实际功耗发热与厂商宣传的美好相差甚远，一时间，“5nm芯片集体翻车”的话题成为网络热点。

骁龙888功耗等于低压酷睿？

根据AI财经社的报道，5nm芯片最让人诟病的，是性能虽然有所提升，但功耗却比7nm的明显增加，这其中表现最差的就是骁龙888，被调侃为“火龙888”。

数码评测媒体极客湾对骁龙888、骁龙865、骁龙855测试的功耗数据表明，单核功耗上，骁龙865最低，为2.3瓦，其次是骁龙855的2.4瓦，骁龙888最高，达3.3瓦，相比骁龙865高了1瓦，高出幅度达43.5%。多核功耗方面，最低的依然是骁龙865，为5.9瓦，其次是骁龙855的6.1瓦，骁龙888依然落在最后，功耗高达7.8瓦，是骁龙865的1.32倍。具体见下图。

骁龙888多核功耗高达7.8瓦是个什么概念？英特尔第11代低压酷睿i7处理器的功耗在7——15瓦，可用于超轻轻薄笔记本电脑（在无风扇散热时，功耗锁定为7瓦）。也就是说，骁龙888的多核功耗已经相当于一颗第11代低压酷睿i7处理器，但需要明确的是，低压酷睿i7处理器采用的是10nm工艺制程，落后台积电、三星的5nm不少。

英特尔处理器采用复杂指令集，理论上相比采用精简指令集的骁龙888更为耗电，但骁龙888在占据工艺先进至少一代的优势下，功耗竟然相当于英特尔低压酷睿。不知道英特尔看到这里会是什么心情。

骁龙888功耗猛增，最直观的体验就是，手机如果运行较大型的游戏，发热就比较明显。极客湾的数据表明，在某款游戏的测试中，玩了20分钟后，小米11背面温度达到了48℃，而搭载骁龙865的小米10在相同的测试环境下，温控表现更好只有41℃。

爱范儿对搭载A14芯片的iPhone12运行《原神》游戏测试表明，20分钟后，手机背面最高温度达到47℃，接近小米11。

5nm的芯片在制程工艺上更先进，为何功耗表现却落后于7nm的芯片？答案是和芯片内部的晶体管漏电有直接关系。

为何晶体管漏电是元凶？

A14、骁龙和麒麟等手机SoC芯片属于数字集成电路，而随着制造工艺的不断进步，集成电路的功耗越来越复杂，但总体可分为电路逻辑状态转换产生的动态功耗，以及CMOS晶体管各种泄露电流产生的静态功耗（又称漏电流功耗）。

在芯片进入深亚微米工艺时代之前，动态功耗一直是芯片设计关注的焦点，但在进入深亚微米工艺时代之后，动态功耗在总功耗中的比例越来越小，静态功耗的比例则越来越大。

当芯片制造工艺进入纳米时代后，漏电流功耗对整个功耗的影响已经变得非常显著。有研究表明，在90nm工艺的电路中，静态功耗可以占到总功耗的40%以上。

究其原因，是因为集成电路每一代制造工艺的进步，都是以缩短CMOS晶体管的沟道长度为目标，7nm工艺指的就是指沟道长度。沟道长度不断缩短，使得电源电压、阈值电压、栅极氧化层厚度等工艺参数也在不断地按比例缩小，直接导致短沟道效应（SCE）、栅极隧穿电流、结反偏隧穿电流等漏电流机制越来越显著，表现为芯片漏电流功耗不断上升。

有研究表明，当晶体管的沟道长度从130nm缩短到90nm时，即缩小30.77%，漏电流功耗上升大约39.25%，但缩短到45nm，即缩小65.4%时，漏电流功耗上升大约273.28%（具体见下图）。

也就是说，漏电流功耗和缩小的沟道长度之间不是简单的比例关系，即使沟道长度缩短一点，漏电流功耗也会有一个数量级的增长，而且随着沟道长度越来越短，漏电流功耗增长越来越快。

如果复盘芯片制造历史，会发现漏电流功耗曾长期困扰英特尔、三星和台积电等制造大厂。

台积电为何被称台漏电？

长期以来，芯片制造大厂一直在和漏电流功耗作斗争，每有进展，都是值得大书特书的新闻，比如英特尔。

相反，台积电2010年刚推出28nm工艺制程时，由于技术不成熟，漏电流功耗高，导致芯片的功耗大到难以接受，被市场调侃为“台漏电。”有长达6年时间，都摘不掉这顶帽子。

在当时，如何压制漏电流功耗几乎可以决定芯片工艺制程赛道上选手的身位。彼时，英特尔还是制造技术大拿，率先通过Gate-last技术压制了漏电流功耗，台积电则走了一些弯路，沿用IBM的Gate-first 技术，但效果不佳，在28nm上栽了跟斗，后在蒋尚义的主导下，改走英特尔Gate-last技术路线，才算解决漏电流功耗过高难题。

2011年第4季度，历经波折后，台积电终于量产成熟可靠的28nm制程。三星本来在32纳米制程也采用Gate-first 技术，但后来在28 纳米制程时，快速切换到Gate-Last 路线，之后的14纳米也基于Gate-Last。

据说，三星是通过梁孟松解决漏电流功耗问题，成功缩短与台积电的工艺差距。结果引发台积电起诉梁孟松，迫使后者离开三星半导体，辗转到中芯国际。

由此可见，压制晶体管漏电流功耗有多重要。

为何老迈的技术不退休？

台积电、三星和英特尔之所以能压制漏电流功耗问题，主要原因是采用了创新的鳍式场效应晶体管（简称FinFET，见附图），以替代传统的平面式晶体管。但由加州大学伯克利分校胡正明教授发明的鳍式场效应晶体管（FinFET），通过局部技术改良，从28nm工艺制程一直沿用至今，可谓发挥到了极限。随着制程工艺进入EUV时代，漏电流功耗重新成为挑战。

在7nm时，老迈的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术就应该谢幕了，由环绕栅极晶体管（GAAFET）接替。但由于技术风险和成本压力，大厂们在5nm时代仍不得不使用老迈的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术，结果就是如前文所述，5nm的芯片漏电流功耗飙涨，在功耗上集体翻车，几乎消耗掉制程工艺进步的红利。也可以看出，芯片制造技术每往前跨一步，其实都极为不易。

那么，鳍式场效应晶体管（FinFET）会应用到什么时候？

从公开的信息看，英特尔计划在5nm（接近台积电3nm工艺）时切换到环绕栅极晶体管（GAAFET），台积电则计划3nm之后再说，三星为了追平与台积电的工艺差距，决定豪赌一把，抢先台积电一步，在3nm时就采用环绕栅极晶体管（GAAFET）。

总之，在环绕栅极晶体管（GAAFET）正式撸起袖子上阵之前，芯片的发热仍然会是一个问题。

技术参考资料：

《数字集成电路漏电流功耗估计技术研究》，作者/李鹏；

《CMOS晶体管漏电流分析》，作者/王旭。