在我们还在为 7 纳米工艺发愁的时候,台积电等芯片巨头已经在推进 2nm。台积电、三星、intel 都将在 2025 年竞技 2nm。
根据集邦咨询报道,台积电正在积极推进 2nm 工艺节点,首部机台计划 2024 年 4 月进厂。而台积电和三星都计划 2025 年开始量产 2nm 工艺芯片,双方争夺战已经打响。
目前台积电已经向苹果、英伟达等主要客户展示了 2nm 工艺原型测试结果;而三星也推出了 2nm 原型,为了吸引英伟达在内的知名客户,将提供了更低廉的价格。据悉,台积电再度抢下苹果订单,预计用在 2025 年上市的 iPhone17 Pro 上。
从原理上说,2nm 制程芯片也和以往的芯片都不相同,它需要在每平方毫米的面积上,植入 3 亿颗晶体管,相当于在一个指甲盖那么大的面积里,塞下近 400 亿颗晶体管。
这个数量是现在主流 5nm 芯片的 2 倍左右。如此巨大的提升与恐怖的密度,需要将芯片制造技术从 2D 平面,扩展到 3D 立体层面,像搭积木一样向上堆叠,才能进一步提升晶体管的密度。
这其中的难度非同小可。
目前对于台积电推出的 2nm 工艺,有一些网友开始质疑:现在台积电的 3nm 和三星的 3nm,性能提升幅度也太不明显了,也不像 7 到 5 的提升。" 苹果的 5 纳米暖手宝,难道这 5nm 是吹出来的?"
而在较早的时候,通信专家项立刚也对此提出了质疑,他表示,芯片制程高速迭代很可能是一个骗局。因为 2016 年之后,在台积电推动下,炒作芯片制程高速迭代,但在用户实际体验上,7nm 的芯片以下的芯片,没有实质性体验提升。
事实上,进一步引爆业内质疑的是采用了 A17 的芯片的 iPhone15,这款芯片是 3 纳米工艺。按照大家对 3nm 的理解,3nm 与 7nm 在性能与功耗层面有巨大差别,那应该手机在流畅和功耗上表现远超其它手机吧,但从消费者实际体验中反馈出来的并未如此。
在 10 月初,Phone15 Pro 发热上了热搜,引发了外媒的广泛讨论,苹果后来也正式承认新发布的全部四款 iPhone15 手机异常发热。
有业内人士根据 IBM 的评估,2nm 技术相较于 7nm 技术,性能方面将得到 45% 的提升,在同等性能下功耗能够减少 75%。基于此推测台积电 2nm 将获得类似的提升。
但是也有用户对于这个性能增加也表示开始质疑,有用户表示,性能增长不超过 15%,苹果 15 芯片就是最好的例子。
为什么芯片制程工艺开始屡遭质疑了,芯片制程未来的发展方向是什么?要弄清这个问题,我们得先从制程谈起。
芯片制程工艺升级背后,2nm 或许不再是我们理解的 2nm 了
芯片上拥有数量庞大的晶体管,而制程就是晶体管源极和漏极之间的沟道长度。晶体管内部的电流从起点(源极)流向终点(漏极)要经过一道闸门,这个闸门的宽度(栅长)就是芯片的纳米单位。纳米原本是指芯片晶体管栅极长度的大小。
随着技术的成熟,晶体管尺寸的减小,性能随之提高、功耗降低以及发热量的降低。简言之,较小的晶体管比较大的晶体管更好,并且制造商之间的工艺节点代际改进是相似的。
然而,在过去的几十年里,随着集成电路设计(从平面晶体管到各种类型的 3D 晶体管)和制造工艺的各种专有改进,仅根据晶体管尺寸来衡量性能增益变得更加复杂。
在 28nm 以下,由于采用 finfet 这些新的技术,这些数字和实际的节点和栅极长度,以及半节距就匹配不上了。所以,现在的 7nm,5nm,已不是原来指的栅极长度。因此,3nm 工艺芯片与晶体管的尺寸没有直接关系了。
这意味着由同一制造商制造的两代工艺节点(例如 5nm 和 3nm)的芯片不一定对应于流程节点名称。假如某家 5nm 的制程实际尺寸是 20nm,那么它把它家 8nm 尺寸的制程标为 2nm,其实也是没有问题的。
因为已经不是同一套标准了,你家是这样的 3nm,他家是这样的 3nm,哪怕 16nm 制程,可能没有真的达到 16nm 尺寸。我们已经很难仅凭表面的制程工艺数字来判定它们的真实水平。
台积电推 2nm,如果从传统我们对 2nm 技术原理层面理解,需要将芯片制造技术从 2D 平面,扩展到 3D 立体层面,类似从盖房子从盖一层小平层到盖一栋高楼的进化,从 2D 到 3D 堆叠需要从设计、材料、制造业、封装等各个领域重新构建一套芯片制造体系。
这其中的难度非同小可,要投入的研发与力度非常大,有业内人士打了个比方:建一栋高楼你得先把图纸设计出来吧?然后地基也得打深一点吧?电线水管是不是更复杂了?材料是不是也得换好一点的?甚至盖楼的机器都不一样。
但事实上,能否做到这种高精尖程度,厂商做的是 3nm++,还是真正的 2nm,外人是不得而知的。
过去台积电的 Philip Wong 曾在 Hot Chips 31 主旨演讲中透露:" 它过去是技术节点,节点编号,意味着晶圆上的一些功能。" 但是:" 今天,这些数字只是数字。它们就像汽车模型——就像宝马 5 系或马自达 6。数字是什么并不重要,它只是下一项技术的目的地,它的名称。"
从台积电高管的话里可以知道,我们所理解的 2nm,其实与他们做出来的 2nm 可能不是同一个概念了,节点的名称与技术实际并没有对等升级,更多是一个迭代的节点数字。
而 Intel 早前甚至已经放弃了类似叫法,改称 Intel 7,Intel 4,Intel 3,Intel 20A。Intel 7 可以认为是原 10nm 的 +++ 版;Intel 4 对应 7nm,Intel 3 对应 7nm+;而 Intel 20A 对应 5nm,而 18A 对应 5nm+。
可以看到,各家的标准各不相同,这其中营销意味越来越强,芯片制程工艺升级背后,2nm 或许不再是我们理解的 2nm 了。
卷工艺制程的时代过去了吗?
事实上,从 iPhone15 系列的口碑表现来看,卷工艺制程的时代过去了,很多用户发现,自己 3 年前买的手机,12nm 工艺,依然快如闪电,感觉可以再战好几年。
iPhone15 系列采用了 3nm 的芯片,并不是功耗降低了,发热问题依然突出,从产品体验与口碑来看,iPhone15 的体验口碑并没有因为 3nm 获得了加持,大家在感知层面也并不明显。消费者更关注的是产品的差异化创新与整体的产品综合体验。
从 Mate60 系列评测来看,它在性能、流畅度以及功耗上已经做到非常好了,跑分也非常强势,能够轻松应对多任务处理、高负荷游戏等各种挑战。
事实上,无论对于厂商还是消费者,工艺制程升级带来的成本提升,变得越来越不划算。
我们知道,最先进制程芯片的量产是一项系统工程,需要产业链上下游设备、材料、IP 等技术厂商的共同进步迭代,且很烧钱,台积电 2nm 代工价被曝光了,近 2.5 万美元 / 片(晶圆),与之对比,3nm-2 万美元 / 片,4/5nm-1.6 万美元 / 片,6/7nm-1 万美元 / 片。
整体芯片代工价格费用越来越高,厂商要承担的代工成本也越来越高,但是芯片制程提供的性能升级,没有想象中大,加上如今手机性能处于过剩时代,整体的体验升级带来的操作感受并不明显,消费者也渐渐对芯片工艺制程的高溢价没有那么感冒了。
从目前来看,今天的 3nm、2nm,是否是一种用来说服消费者、厂商为新品买单的营销手段,这意味着国内如果攻克 7nm 之后,与 3nm、2nm 的差距或已没有想象中大了。
从目前来看,手机行业接下来卷的应该是系统和生态,只要国产芯片解决了功耗和良率,系统的不断迭代升级,手机体验只会更丝滑,手机综合性价比更高,因此,工艺制程将不再成为阻挡国产手机追赶苹果的最大障碍,从这个角度来看,我们依然有弯道超车的机会。