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高通三星急了?5nm芯片商用战打响

智东西 · 2020-11-11
5nm芯片商用战火燃起,五大手机SoC巨头集齐其四,台积电三星笑到最后。

编者按:本文来自微信公众号“芯东西”(ID:aichip001),作者:董温淑,36氪经授权发布。

继苹果、华为的5nm芯片揭幕后,另外两家芯片巨头三星、高通的5nm芯片业的发布日期将分别在11、12月到来。

作为人类迄今能达到的集成度最高的芯片制造工艺,5nm制程最多可实现每平方毫米集成1.713亿个晶体管;同样基于移动处理器架构Cortex-A77,5nm芯片性能或能比7nm产品提升50%!

对于以降低功耗、提升性能为目标的智能手机处理器产业来说,5nm芯片制程成为其必须抢占的“高地”。在这一产业窗口期,芯片设计、制造工艺成为5nm芯片商用落地的关键。

目前,全球手机SoC芯片市场排名前五的高通、联发科、三星、苹果、华为海思均已针对5nm进行布局。随着三星、高通旗舰芯片发布时间临近,在5nm这条赛道上,全球手机SoC芯片设计界的“五大巨头”已然集齐其四。

把目光投向产业链上游,为4款5nm芯片代工的“山头”上,则主要是台积电和三星各自圈地。

7nm、5nm、3nm……芯片制程越先进,单位面积晶体管数目越多,就越逼近物理体系的极限。

随着各家产品正式亮相,5nm芯片已然从一个摩尔定律的“传说”,进入市场即将刺刀见红的新局面。不消说,随着搭载4款芯片的手机进入消费市场,5nm芯片的战况,将愈加激烈。

然而,在5nm芯片商用赛道的起跑线上,蠢蠢欲动者远不止苹果、华为、三星、高通四家;而在5nm芯片代工赛道上,台积电、三星同样打得难舍难分。

在四款5nm芯片闪亮登场的背景板中,美国一纸禁令缚住华为手脚、摩尔定律触顶之下制程发展遇阻……还有种种因素正导致这场关于手机SoC的恒久战役往不确定的方向滑去……

今天,芯东西与你一起拨开迷雾,走进这场手机芯片之战的风暴眼——5nm芯片商用赛道的真实情况。

01 手机SoC设计之争:四巨头抢跑,谁还在排队?

作为目前可量产的最先进制程,5nm芯片已成为大部分芯片设计玩家追逐的目标。而其中最为人瞩目的部分莫过于手机芯片设计玩家的比拼。

一方面,各家5nm芯片的性能,直接关系到手机性能,因此成为消费者最关注的话题之一;另一方面,作为现有可量产的最先进制程,5nm产能必将被手机厂商追逐和瓜分。

高通曾预计,2021年全球5G手机出货量将达到4.5亿部,数量相比2020年直接翻倍。面对骤增的市场需求,苹果/华为/三星/高通四家抢跑,剩余的联发科、紫光展锐等玩家也已做好热身。

▲苹果、华为、三星、高通商用5nm芯片盘点

1、苹果A14 & 华为麒麟9000:10月份尘埃落定

苹果、华为自研的5nm芯片先后在10月份发布,并分别落地于苹果iPhone 12系列手机、华为Mate 40系列手机。

集成度方面,麒麟9000晶体管数目比A14芯片多出30%。苹果A14集成118亿晶体管,华为麒麟9000集成153亿晶体管。

架构方面,苹果A14芯片采用6核心CPU、4核GPU;华为采用8核CPU、24核GPU。

要指出的是,华为麒麟9000是基于Arm上一代旗舰架构Cortex-A77进行设计的,而苹果、三星、高通均可以获得Arm最新IP授权。从网 传三星猎户座1080、高通骁龙875的架构情况来看,这两款芯片均基于Arm最新的Cortex-A78进行设计。

另外,麒麟9000内置了华为自研基带芯片巴龙5000。相比之下,A14芯片是外挂高通的X55基带芯片。

据中国台湾《联合新闻网》发布的iPhone 12拆解文章,A14芯片确认外挂高通X55基带芯片,但暂无法得知苹果是直接采用高通完整设计,还是采用客制版产品。

▲iPhone 12拆解图(图源:《联合新闻网》)

两款芯片的综合性能对比可参考跑分平台GeekBench透露的数据:搭载麒麟9000的华为Mate 40系列某机型跑分为单核1016,多核3688;搭载A14的iPhone 12跑分为单核1593,多核3893。

2、三星猎户座1080 & 高通骁龙875:抓住2020的尾巴

紧跟着苹果、华为步伐,三星、高通计划乘上2020的“末班车”,分别计划于11月、12月推出5nm芯片。

其中,三星11月2日通过微博官宣,将于10天后(11月12日)在中国上海为猎户座1080芯片举办发布会。这也是三星首次专门为一款处理器举办发布会,三星对猎户座1080的重视由此可见一斑。

根据外媒信息,猎户座1080 CPU部分将采用4颗Arm最新Cortex-A78核心和4颗Cortex-A55核心。相比之下,三星上一代旗舰芯片7nm猎户座9825 CPU采用2颗定制M4核心、2颗Cortex-A75核心、4颗Cortex-A55核心。

据跑分平台GeekBench,7nm制程的猎户座1080跑分为单核1040,多核3017。

各大手机厂商中,华为、三星、苹果对旗舰手机SoC各有自己的匠心设计,剩余的小米、OPPO、vivo等一众玩家,则瞄准了高通的5nm芯片。早在今年10月份,高通就曾官宣将在12月1~2日发布5nm旗舰芯片骁龙875。

根据泄露的信息,高通骁龙875采用8核CPU、搭载自研的Adreno 660 GPU,并将集成骁龙X60 5G基带。

GeekBench平台数据显示,一款据猜测为搭载骁龙875的小米新机,跑分数据为单核1105,多核为3512。

为保证客观,芯东西还搜集跑分平台安兔兔透露的苹果、华为、三星、高通5nm芯片跑分情况,并与四家公司7nm芯片跑分对比,制图表如下:

3、联发科、紫光展锐正在“热身”

四家设计巨头各自在旗舰机SoC市场划分地盘,相比之下,联发科、紫光展锐等玩家则瞄准了中低端机市场,亦在5nm芯片商用的赛道起点开始热身。

▲右-2019全球手机芯片市场排名(图源:Counterpoint)

作为全球排名第二的手机芯片设计玩家,联发科主要面向中低端手机市场。今年以来,联发科的5nm研发计划同样引起市场关注。

先是有消息称,联发科专门为华为打造了基于5nm工艺的5G高端平台。但随着美国对华为禁令的影响逐渐扩大,九月初又传出联发科将“取消基于5nm工艺的5G高端平台研发计划”。

对此传言,联发科官方下场辟谣,称5nm芯片正按计划推进,不会因为单一客户而更改产品计划。

10月31日,数码博主@数码闲聊站爆料,联发科正开发两款芯片mtk6893、mtk6891,将采用全新5nm/6nm工艺,进度快于去年。考虑到这位博主曾多次押准手机产业链消息,有关联发科5nm芯片的消息也较为可信。

▲@数码闲聊站微博爆料

紫光展锐方面,今年二月份推出了基于6nm EUV工艺的虎贲T7520芯片,并将于今年年底实现虎贲T7520量产。按照这一计划,推出5nm芯片应当也在紫光展锐计划之中。

02 工艺比拼:都是5nm,台积电集成度更高

这边厢,5nm手机芯片设计玩家龙争虎斗,不论四家巨头排位如何,都不会影响产业链上游的5nm芯片制造商吃进订单。而那边厢,尽管5nm芯片制造商仅有台积电和三星寥寥两家,但同样打得难舍难分。

有趣的是,目前率先商用的5nm芯片的四家中,苹果A14和华为麒麟9000均是由台积电代工,将在接下来推出的三星猎户座1080、高通骁龙875则是基于三星5nm工艺。

▲全球先进制程技术密度对比

早在2019年,三星宣布完成5nm芯片研发,计划在2020年第二季度实现5nm芯片的量产。现在2020年已经进入第四季度,由台积电代工的两款5nm旗舰芯已经落地,而三星代工的5nm芯片却“赶了晚集”。

具体到产品性能,尽管三星5nm制程芯片还未正式发售,但业界有消息称,台积电的5nm芯片产品集成度更高。

中国台湾《经济日报》曾援引台积电内部消息称,台积电5nm制程试产结果显示,其晶体管是7nm制程的1.8倍。相比之下,三星5nm制程相比7nm制程,晶体管数仅增加二成,且台积电产品在功耗等方面均更有优势。

▲台积电5nm策略(图源:《经济日报》)

两家公司对更先进制程的规划方面,今年7月份,三星宣布将跳过4nm工艺,直接从5nm工艺切进3nm工艺。

今年8月26日召开的“2020世界半导体大会暨南京国际半导体博览会”上,台积电(南京)有限公司总经理罗镇球透露,台积电预计在明年批量生产4nm芯片,在2022年批量生产3nm芯片。

两家公司的计划将会怎样推进?推进结果如何?这些问题只能留待时间回答。

03 先进制程之争:摩尔定律快碰天花板?5nm之后去往何方

AI、5G、海量数据……种种因素推动之下,对计算的需求日益增长,呼唤着芯片制程往更高集成度的方向发展而去。这一背景下,一方面,5nm芯片纷纷落地;而另一方面,关于摩尔定律逼近极限的隐忧仍在盘旋。

就在5nm芯片商用战火燃起,台积电、三星正在5nm赛道上短兵相接的关键时刻,昔日能与它们争辉的另一大芯片代工玩家英特尔已经黯然离场。

今年7月24日,英特尔在2020年第二季度财报中宣布,将其7nm CPU的发布推迟6个月,也就是说,7nm CPU要到2022年下半年或2023年初才会首次在市场上亮相。英特尔CEO Bob Swan称,其7nm CPU延迟是因为一种“缺陷模式”。

作为芯片代工领域的先行者和曾经的领先者,英特尔作出推迟7nm芯片的决定,几乎印证了人们对更先进制程难以实现的担忧。

目前来看,台积电、三星均利用FinFET(鳍式场效晶体管)工艺生产5nm芯片,即垂直利用空间、将场效应管立体化。

但是,随着制程推进到5nm节点,FinFET工艺对先进制程的支持面临瓶颈。

对此,学术界提出了一种全新的芯片生产工艺GAA MCFET(多桥通道 FET),即将芯片晶体管内部的硅通道全都用栅极材料包围,以增加晶体管的密度、降低功耗、进一步增加沟道的缩放潜力,进而提高芯片性能。

GAA也被视为是实现3nm芯片制程的关键工艺,目前台积电、三星均已开始相关研究。

▲左-FinFET工艺;右-GAA工艺

从7nm到5nm,一年时间过去,先进制程追赶之路上已然发生微妙的变化。未来先进制程竞争之路上,谁将成为领先者?达到更先进的制程要求另辟蹊径,或许也为昔日的落后者带来弯道超车的机会。

04 结语:谁能笑到最后?

对摩尔定律将死的“预言”已经流传多年,芯片制程仍向更高集成度步步逼近。2020年在不知不觉中步入尾声,苹果、华为、三星、高通四大手机SoC设计玩家的5nm产品均将在第四季度揭幕。

目前,苹果、华为的5nm芯片产品已经分别在自家的旗舰手机中商用。相比两位领先者,三星、高通将打出怎样的王牌?在接下来的11月12日、12月1日,答案将浮出水面。

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