5納米集體翻車為哪般?

現(xiàn)實(shí)是,實(shí)現(xiàn)5納米大多是吹的,別說車規(guī),就是手機(jī)用也還存在問題。為什么?因?yàn)?0年前困擾臺(tái)積電和三星的問題又依然故我了。

5納米是目前EUV(極紫外線)光刻機(jī)能實(shí)現(xiàn)的最先進(jìn)芯片工藝,也是智能手機(jī)廠商的重要賣點(diǎn),2020年下半年,蘋果A14(“一度達(dá)80℃”)、麒麟9000(“發(fā)熱降頻”)、驍龍888(“變身火龍”,810就曾“高燒不退”)等5納米工藝芯片相繼粉墨登場(chǎng)。

不過,公開信息顯示,上述芯片無一幸免均被曝實(shí)際功耗不低,發(fā)熱未減,一時(shí)間,5納米芯片集體翻車成為熱議話題。

功耗和發(fā)熱指標(biāo)不好一直是不斷追隨甚至想超越摩爾定律的廠商沒有解決的難題。主要元兇是芯片內(nèi)部的晶體管漏電。進(jìn)入深亞微米制造工藝時(shí)代之前,動(dòng)態(tài)功耗一直是芯片設(shè)計(jì)關(guān)注的焦點(diǎn),但在深亞微米工藝,動(dòng)態(tài)功耗在總功耗中的比例越來越小,靜態(tài)功耗的比例則越來越大。進(jìn)入納米時(shí)代,漏電流功耗對(duì)整個(gè)功耗的影響變得非常顯著。研究表明,在90納米工藝的電路中,靜態(tài)功耗可以占到總功耗的40%以上。

究其原因,是因?yàn)榧�成電路每一代制造工藝的進(jìn)步,都是通過縮短CMOS晶體管的溝道長(zhǎng)度(微米或納米)實(shí)現(xiàn)的。溝道長(zhǎng)度的不斷縮短,使電源電壓、閾值電壓、柵極氧化層厚度等工藝參數(shù)也在不斷按比例縮小,使短溝道效應(yīng)(SCE)、柵極隧穿電流、結(jié)反偏隧穿電流等漏電流機(jī)制越來越顯著,表現(xiàn)為芯片漏電流功耗不斷上升。更重要的是,漏電流功耗和溝道長(zhǎng)度縮小是一個(gè)數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)的關(guān)系,溝道長(zhǎng)度越來越短,漏電流功耗增加越來越快。

5納米之前,之所以臺(tái)積電、三星和英特爾能抑制漏電流功耗,主要是采用了創(chuàng)新的FinFET,以替代傳統(tǒng)的平面式晶體管。

從平面FET、FinFET到未來工藝的變化

在7納米時(shí),FinFET技術(shù)已走基本到盡頭,將由環(huán)繞柵極晶體管(GAAFET)接替。但由于技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本壓力,頭部代工廠在5納米時(shí)代仍不得不使用FinFET。結(jié)果可想而知,芯片漏電流功耗暴增幾乎抵消了工藝進(jìn)步的紅利。

據(jù)透露,英特爾已計(jì)劃在5納米(接近臺(tái)積電3納米工藝)時(shí)切換到GAAFET,臺(tái)積電則計(jì)劃在3納米后再說,三星為了追上臺(tái)積電,決定在3納米時(shí)就采用GAAFET。不過在GAAFET正式啟用之前,芯片發(fā)熱仍然是一個(gè)問題。另外,每一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的數(shù)字邏輯都發(fā)生了微妙的變化,越來越趨向于類似模擬的行為,迫使芯片工程師開始與信號(hào)漂移、噪聲和不同應(yīng)力等問題抗?fàn)帯?/p>

因此,5納米和已規(guī)劃的3納米都增加了新的可靠性挑戰(zhàn),令汽車應(yīng)用無法承受其重。在3納米,由于許多原因,這些問題的數(shù)量和嚴(yán)重程度還不太清楚。

那么,恩智浦成首家采用5納米汽車芯片公司又從何而來呢?莫非還有獨(dú)門絕跡?對(duì)此,業(yè)界觀察人士對(duì)于恩智浦的新平臺(tái)到底是什么樣子仍然有點(diǎn)困惑。The Linley Group高級(jí)分析師Mike Demler指出,不管工藝節(jié)點(diǎn)是什么,這都是一個(gè)有趣的消息,他說:“恩智浦的汽車平臺(tái)非常廣泛,5納米技術(shù)并不適用于所有平臺(tái)�！�

巨大的挑戰(zhàn)和誘惑

PDF Solutions高級(jí)解決方案副總裁Dennis Ciplickas認(rèn)為:“別說5納米,像7納米這樣的先進(jìn)技術(shù)都存在一些問題。我們已經(jīng)看到7納米芯片中發(fā)生的問題——不同類型的變化、生產(chǎn)線可能出現(xiàn)的缺陷以及工藝模塊之間的所有交互。測(cè)試方式、使用的故障模型、診斷和發(fā)現(xiàn)缺陷以及構(gòu)建理解這些因素的功能安全性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。我們是在朝著自動(dòng)駕駛的方向前進(jìn),我們最終會(huì)到達(dá)那里。但是,考慮到先進(jìn)技術(shù)的表現(xiàn)方式,要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),需要進(jìn)行的創(chuàng)新是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),也是一個(gè)巨大的機(jī)遇�！�

困則思變,即便是芯片行業(yè)長(zhǎng)期以來的發(fā)展趨勢(shì),也可能會(huì)陷入劇變。先進(jìn)節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體的一些最大消費(fèi)者也開始自研芯片,其中包括蘋果、谷歌、亞馬遜、Facebook和阿里巴巴等,都試圖通過軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、獨(dú)特的架構(gòu)、混合使用加速器和各種類型的處理器和內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的性能改進(jìn)。

最近由主機(jī)廠(如特斯拉)驅(qū)動(dòng)的芯片開發(fā)已開始證明,高度自動(dòng)化的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能。不使用市場(chǎng)上現(xiàn)有的芯片,轉(zhuǎn)而采用專門構(gòu)建的SoC定制的系統(tǒng)需求可以產(chǎn)生巨大的差異。汽車行業(yè)已經(jīng)意識(shí)到,對(duì)于高度自動(dòng)化駕駛,主機(jī)廠和Tier 1需要在SoC架構(gòu)的定義中發(fā)揮更積極的作用。他們正試圖將高性能專用SoC或系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)全部集成在單個(gè)芯片,而不是PCB上滿足功能集、每瓦特性能、安全性等要求。

不過,近日有報(bào)道稱,特斯拉正在為新型4D全自動(dòng)駕駛(FSD)開發(fā)下一代硬件HW4,而三星電子正在為特斯拉開發(fā)5nm芯片�？磥碜匝幸灿袉栴}。

在此之前,國內(nèi)一些主機(jī)廠已在蠢蠢欲動(dòng)。蔚來汽車董事長(zhǎng)兼CEO李斌在接受采訪時(shí)表示:“自研自動(dòng)駕駛芯片并不難,比手機(jī)芯片容易。”但已造了芯的地平線創(chuàng)始人兼CEO余凱的話已撂在那里:“到今天為止,全球車企中真正自研芯片的只有特斯拉一家,其他的或許只是聲音。就像智能手機(jī),真正自研芯片的很少,絕大部分還是走分工協(xié)作的道路,專業(yè)分工才能帶來效率。雖然也有一些手機(jī)廠商嘗試過研發(fā)芯片,但都不很成功。最后他們都用了高通和聯(lián)發(fā)科的芯片。我認(rèn)為,專業(yè)化的分工可以帶來效率,專業(yè)的人干專業(yè)的事�！�

的確,研發(fā)自動(dòng)駕駛芯片要比手機(jī)芯片更難,就說滿足車規(guī)這一條就夠研發(fā)者喝一壺的。至于車規(guī)AI芯片,用余凱的話說“必須是世界級(jí)的AI算法公司”才玩得轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單的芯片或許可以,但也沒有自己造的必要,而復(fù)雜的芯片更不是一朝一夕能夠?qū)崿F(xiàn)的。

值得一提的是,地平線的車規(guī)AI芯片征程3 SoC還是16納米工藝;而即將推出、預(yù)計(jì)量產(chǎn)在2022年下半年的征程5并未提及工藝節(jié)點(diǎn);計(jì)劃當(dāng)中的征程6將采用車規(guī)級(jí)7納米工藝,工程樣片的推出時(shí)間是2023年。由此可見,國內(nèi)車規(guī)級(jí)SoC的節(jié)點(diǎn)并不先進(jìn)。

所有新技術(shù)都將極大地增加芯片的復(fù)雜性,這可能需要利用最新的工藝節(jié)點(diǎn)。雖然高端汽車SoC已經(jīng)采用7納米設(shè)計(jì),但一些公司已經(jīng)在準(zhǔn)備下一代5納米先進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。代工廠聲稱,5納米提供了大約20%的速度或大約40%的功率降低,是非常適合下一代汽車的處理器。

其影響尚待評(píng)估,但成功模式可能會(huì)發(fā)生重大變化。Xilinx總裁兼首席執(zhí)行官Victor Peng說:“不可否認(rèn)的事實(shí)是,2021年隨著5納米的投產(chǎn),剩下的提供高性能產(chǎn)品的半導(dǎo)體廠商將把3納米產(chǎn)品的開發(fā)成本內(nèi)部化(納入產(chǎn)品成本)�！�