手机新芯片揭秘:16nm/10nm/7nm处理器差距有多大?
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今年6月份,晶圆代工龙头企业TSMC(台积电)召开了股东常会,揭露了先进制程技术的最新进展。其中,7nm已经在今年四月开始试产,预期良品率...
今年6月份,晶圆代工龙头企业TSMC(台积电)召开了股东常会,揭露了先进制程技术的最新进展。其中,7nm已经在今年四月开始试产,预期良品率改善将相当迅速。5nm工艺则预计于2019年上半年试产,如今也已择地准备建厂了。

半导体行业离我们似乎很遥远,FinFET是什么东西,EUV又是什么新技术,每次看到这种相关的新闻都让我们如同云里雾里,不知所谓。其实它离我们很近,无论是FinFET还是EUV都是为了完善制程工艺所做的努力。而一款处理器的性能表现、散热效率、功耗等等都和制程息息相关。

今天,笔者就从制程谈起,聊聊手机处理器的这些事。

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●16nm、10nm,这些数字到底是啥?    

说起这个话题,我们要先搞清楚什么是制程。那些20nm、16nm什么的到底代表了什么。其实这些数值所代表的都是一个东西,那就是处理器的蚀刻尺寸,简单的讲,就是我们能够把一个单位的电晶体刻在多大尺寸的一块芯片上。

手机处理器不同于一般的电脑处理器,一部手机中能够给它留下的尺寸是相当有限的。蚀刻尺寸越小,相同大小的处理器中拥有的计算单元也就越多,性能也就越强。这也是为何厂商会频繁强调处理器制程的原因。

同时,因为随着频率的提升,处理器所产生的热量也随之提高,而更先进的蚀刻技术另一个重要优点就是可以减小晶体管间电阻,让CPU所需的电压降低,从而使驱动它们所需要的功率也大幅度减小。所以每一代的新产品不仅是性能大幅度提高,同时还有功耗和发热量的降低。

综合以上,可以发现处理器的制程对于手机十分重要,更高的性能带来更流畅的游戏体验,而一个保持正常温度的机身更是能保证大家拥有一个良好的使用体验。一次制程的升级,带来了散热效果与计算性能的双重提升。

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无论什么电子产品,CPU都称得上是核心部件

●手机制程的发展和性能永远在一起   

所以手机性能不断提升的今天,半导体行业功不可没。从32nm的Exynos 4412到如今10nm的Exynos 8895才过去了不到5年,可是手机的性能提升却是数以倍计的。屏幕分辨率的提升,镜头像素的提升,这些其实都与手机性能息息相关。只有更高的运算速度支持,我们才能支持更大分辨率的图像输出,更强的相机算法。

目前的手机处理器大部分交由两家厂商代工。除了上文中提到的台积电之外,还有就是三星。它们两者也一直在你追我赶,毫不放松。三星刚推出32nm工艺,台积电就紧追不舍放出28nm新制程。这边刚拿出16nm方案,那边就宣布14nm即将投入商用。

没有竞争就没有发展,正是因为两家之间互有胜负的不断角逐,才能让手机行业不至于类似电脑处理器那般陷入“挤牙膏”一般的提升节奏。这不,我们的10nm芯片还没用上多久,三星的8nm,台积电的7nm已经争着发布了。

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●在制程之下,其实还有更多的博弈

说了这么多,处理器的制程真的这么重要吗?以苹果为例,当初一直选择三星作为自家处理器代工厂的苹果为何在iPhone 7/Plus选择了台积电的16nm工艺而放弃了三星的14nm技术,自然是因为在16/14nm这一制程上台积电的工艺更加成熟完善。

当初两个版本的A9处理器,苹果分别选择了三星和台积电各自代工生产了一版,而台积电略强于三星的表现,想来也是苹果在iPhone 7上彻底倒戈台积电的原因之一吧。

不过除了制程之外,其实厂商需要考虑的还有更多。Helio X30是联发科在年初的MWC上发布的新一代旗舰级处理器,而且抢在了三星高通之前率先使用了10nm工艺。

可惜,前期新的生产工艺下良品率并不理想,而如今台积电又要为了完成苹果的A11订单火力全开。同样由它代工的X30就难免产能不足,这个被联发科寄予厚望的芯片我们至今仍未得一见。

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●5nm,3nm,或者干脆量子计算?

其实半导体蚀刻尺寸发展到现在已经很吃力,每个原子的大小约为0.1nm,在10nm的情况下,一条线只有不到100颗原子,在制作上相当困难,而且只要有一个原子的缺陷,像是在制作过程中有原子掉出或是有杂质,就会因为量子效应产生不知名的现象,影响产品的良率。

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其实制程的瓶颈我们早已遇到,当初凭借将电晶体的平面结构转化为立体结构,也就是FinFET(鳍式场效电晶体)的使用,我们突破桎梏,迎来了10nm制程的时代。而从10nm往后,处理器的发展就寄托于新的蚀刻工艺—极紫外光刻(EUV),用更小更锋利的“手术刀”来切割出更小的电晶体结构。

 

目前看来,苹果的下一代产品A11使用的将依然是10nm的工艺,那么究竟谁会抢先带来更新更好的制程工艺,是台积电的7nm还是三星的8nm,首发处理器又将花落谁家?我们拭目以待。

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