硬件 5nm手机芯片功耗过高 先进制程只是噱头?
功耗是芯片制造工艺演进时备受关注的指标之一 。比起7nm工艺节点，5nm工艺可以使产品性能提高15%，晶体管密度最多提高1.8倍 。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 。然而，5nm手机芯片功耗过高的问题却于近期被媒体频频报道 。这也不禁令人产生质疑：先进制程是否只是噱头？芯片厂商是否还有必要花费高价和大量时间，在芯片先进制程方面持续进行研发和投入？
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先进制程只是噱头？
数据显示，28nm工艺的设计成本为0.629亿美元 。随着制程工艺的推进，芯片的设计成本迅速上升 。7nm工艺节点的成本暴增至3.49亿美元，5nm工艺所需成本更是高达4.76亿美元 。另有数据显示，台积电每片5nm晶圆的代工费用约为17000美元，这一数字几乎是7nm芯片所需费用的两倍 。因为成本的压力，许多晶圆代工厂无法参与到先进制程工艺的赛道 。目前，具备先进制程芯片生产能力的代工厂，仅有台积电、三星和英特尔三家 。然而，高昂的付出却仍然无法解决功耗问题，先进制程工艺是否只是噱头？
“手机芯片的制程数值越小，意味着芯片晶体管尺寸进一步微缩，芯片中元器件的排列也更加密集 。这使得单位面积内，芯片可集成的晶体管数目增多 。此次手机芯片制程由7nm提升至5nm，使得芯片上集成的晶体管数目得到显著提升 。以华为麒麟9000芯片为例，和上一代采用7nm工艺制程的麒麟990（5G版）相比，华为麒麟9000的晶体管数目足足多了50亿，总数目提高至153亿 。晶体管数目越多，芯片相应的运算和存储能力也就越强，这使得芯片在程序运行加载速度、数据处理性能等方面都获得了较为显著的提升 。除此之外，5nm手机SoC芯片更强调5G能力，5G基带芯片的集成使其在通信性能方面获得了明显提升 。”复旦大学微电子学院教授周鹏向采访人员说道 。
随着摩尔定律的发展，半导体产业本身就是一部关于创新的著作，里面凝聚了许多迭代创新的技术，当然也包括了试错的过程 。周鹏认为，5nm技术节点是目前先进半导体技术的集大成者 。现阶段，5nm技术才刚推出第一代工艺，它所面对的问题主要源于工艺的不稳定性 。在每一代工艺节点的研发中，新产品都会面临类似的问题，这种问题的解决还需要更多研发时间的投入和技术上的改进迭代 。
Gartner研究副总裁盛凌海也指出，任何新的工艺都需要有一个磨合期 。随着技术的更新迭代，出现的问题将得到解决 。手机芯片刚刚开启5nm时代，推出5nm手机芯片的厂商成为第一批“吃螃蟹的人” 。然而，没有吃到“螃蟹黄”，并不意味着“螃蟹肉”就不够鲜美 。随着时间的推移和技术的演进，5nm芯片会体现更多优势，让诸多手机厂商吃到“螃蟹黄” 。
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为何会出现功耗问题？
为何采用先进工艺制造的芯片产品容易出现功耗问题？周鹏介绍，目前的芯片产品越来越追求高性能，功耗的增加主要来源于“漏电”这一不可控现象 。他表示，构成芯片的基本单元——晶体管可被视为一个控制电流的电子开关 。它可以把功耗分成两部分，即静态功耗和动态功耗 。动态功耗是指在开关过程中产生的功耗，而静态功耗是指开关在关闭时，泄漏电流产生的功耗 。如今5nm手机芯片出现功耗过高的问题，主要是泄漏电流导致的静态功耗增加 。
为提高芯片的性能，就需要把电子开关对电流通断的控制能力提高，以加快开关的速度 。这意味着，开关要在更小尺寸的情况下通过更大的电流 。开关的尺寸越小，对制备工艺的要求就越高，这使得开关在关闭状态下，会有更多泄露电流 。这部分产生的功耗是不可控的，是否产生功耗将直接由工艺的稳定性决定 。要想使产品的性能提升，就需要更小的芯片制程，而芯片制程越小，就会为制造工艺带来更大的挑战 。由于难以保障工艺的稳定性，漏电现象会愈发明显，功耗也会变大 。
也有声音称，此次5nm芯片出现功耗问题，意味着FinFET工艺结构将不再适用于5nm芯片制程 。用于3nm工艺节点的GAA工艺结构，有望提前被用在5nm芯片中 。
自英特尔于2011年首次推出基于FinFET结构的22nm工艺以来，FinFET工艺结构已经在先进集成电路芯片中应用了十年 。周鹏介绍，FinFET结构的提出是为了克服平面MOSFET结构下，由于源极和漏极越来越近、氧化物越来越薄所导致的漏电问题 。它的优势主要体现在两个方面 。一方面是可以使晶体管在更小的平面结构尺寸下，缓解漏电的问题；另一方面则是将晶体管的结构形态从二维层次突破到三维空间，提高了芯片的空间利用率 。提出该结构的最终目的，是为了在单位面积内塞入更多的晶体管 。
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