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视点·观察 先进制程的尴尬：5nm芯片集体“翻车”

从2020年下半年开始，各家手机芯片厂商就开始了激烈的5nm芯片角逐，苹果、华为、高通、三星相继推出旗舰级5nm移动处理器，并宣称无论是在性能上还是在功耗上都有着优秀的表现 。
不过从这几款5nm芯片的实际表现来看，一些用户并不买账，认为5nm手机芯片表现并没有达到预期，5nm芯片似乎遭遇了一场集体“翻车” 。
5nm芯片集体“翻车”，从7nm到5nm的尴尬
最早商用的5nm芯片是去年10月份iPhone12系列手机搭载的A14仿生芯片，这款芯片晶体管达到118亿个，比A13多出近40%，且6核CPU和4核GPU使其CPU性能提升40%，图形性能提升30%，功耗降低30% 。
紧接着华为发布麒麟9000，集成153亿个晶体管，8核CPU、24核GPU和NPU AI处理器，官方称其CPU性能提升25% ，GPU提升50% 。
到了十二月份，高通和三星又相继发布了由三星代工的骁龙888和Exynos 1080，同样声称性能有较大提升，功耗下降 。
最先被爆出疑似“翻车”的是A14 。
据外媒9to5Mac报道，部分iPhone 12用户在使用手机时遇到了高耗电问题，待机一夜电量下降20%至40%，无论是在白天还是晚上，无论有没有开启更多的后台程序，结果依旧如此 。
视点·观察 先进制程的尴尬：5nm芯片集体“翻车”
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最广为用户诟病的还属骁龙888 。
在首批使用者的测试中，不少数码评测博主都指出首发骁龙888的小米11性能提升有限，功耗直接上升 。有人将此归结于骁龙888的代工厂三星的5nm工艺制程的不成熟，由此以来三星自己的两款5nm芯片也面临“翻车”风险 。
如果按照摩尔定律，芯片的晶体管数量每隔18个月翻一番，性能也将提升一倍，但晶体管的微缩越来越难，如今在从7nm到5nm的推进中，手机芯片的表现似乎并不尽人意，不仅在性能提升方面受限，功耗也“翻车”，面临先进制程性价比上的尴尬 。
为何5nm芯片频频翻车？当芯片工艺制程越先进时，性能与功耗究竟如何变化？
设计时性能优先，制造时工艺不成熟
集成电路的功耗可以分为动态功耗和静态功耗 。
动态功耗通俗易懂，指的是电路状态变化时产生的功耗，计算方法与普通电路类似，依据物理公式P=UI，动态功耗受到电压和电流的影响 。
静态功耗即每个MOS管泄露电流产生的功耗，尽管每个MOS管产生的漏电流很小，但由于一颗芯片往往集成上亿甚至上百亿的晶体管，从而导致芯片整体的静态功耗较大 。
在芯片工艺制程发展过程中，当工艺制程还不太先进时，动态功耗占比大，业界通过放弃最初的5V固定电压的设计模式，采用等比降压减慢功耗的增长速度 。
不过，电压减小同样意味着晶体管的开关会变慢，部分更加注重性能的厂商，即便是采用更先进的工艺也依然保持5V供电电压，最终导致功耗增大 。
随着工艺节点的进步，静态功耗的重要性逐渐显现 。从英特尔和IBM的芯片工艺发展中可以看出，在工艺制程从180nm到45nm的演进过程中，晶体管集成度增速不同，动态功耗或增加或减少，但静态功耗一直呈上升趋势，45nm时，静态功耗几乎与动态功耗持平 。
视点·观察 先进制程的尴尬：5nm芯片集体“翻车”
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尽管一些设计厂商宁愿在降低功耗上做出牺牲也要提升性能，但也不得不面对高功耗带来的负面影响 。
对于用户而言，设备发热严重以及耗电严重是高功耗带来的直接影响，如果芯片散热不好，严重时会导致芯片异常甚至失效 。
【视点·观察|先进制程的尴尬：5nm芯片集体“翻车”】因此，行业内依然将低功耗设计视为芯片行业需要解决的问题之一，如何平衡先进节点下芯片的性能、功耗与面积（PPA），也是芯片设计与制造的挑战 。
从理论上而言，芯片制程越先进，更低的供电电压产生更低的动态功耗，随着工艺尺寸进一步减小，已下降到0.13V的芯片电压难以进一步下降，以至于近几年工艺尺寸进一步减小时，动态功耗基本无法进一步下降 。
在静态功耗方面，场效应管的沟道寄生电阻随节点进步而变小，在电流不变的情况下，单个场效应管的功率也变小 。但另一方面，单位面积内晶体管数目倍速增长又提升静态功耗，因此最终单位面积内的静态功耗可能保持不变 。
厂商为追求更低的成本，用更小面积的芯片承载更多的晶体管，看似是达成了制程越先进，芯片性能越好，功耗越低 。但实际情况往往复杂得多，为提升芯片整体性能，有人增加核心，有人设计更复杂的电路，随之而来的是更多的路径刺激功耗增长，又需要新的方法来平衡功耗 。

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