5納米集體翻車為哪般?

現實是,實現5納米大多是吹的,別說車規,就是手機用也還存在問題。為什么?因為10年前困擾臺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)光刻機能實現的最先進芯片工藝,也是智能手機廠商的重要賣點,2020年下半年,蘋果A14(“一度達80℃”)、麒麟9000(“發熱降頻”)、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。

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

功耗和發熱指標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。主要元兇是芯片內部的晶體管漏電。進入深亞微米制造工藝時代之前,動態功耗一直是芯片設計關注的焦點,但在深亞微米工藝,動態功耗在總功耗中的比例越來越小,靜態功耗的比例則越來越大。進入納米時代,漏電流功耗對整個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,靜態功耗可以占到總功耗的40%以上。

究其原因,是因為集成電路每一代制造工藝的進步,都是通過縮短CMOS晶體管的溝道長度(微米或納米)實現的。溝道長度的不斷縮短,使電源電壓、閾值電壓、柵極氧化層厚度等工藝參數也在不斷按比例縮小,使短溝道效應(SCE)、柵極隧穿電流、結反偏隧穿電流等漏電流機制越來越顯著,表現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度縮小是一個數量級增長的關系,溝道長度越來越短,漏電流功耗增加越來越快。

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

從平面FET、FinFET到未來工藝的變化

在7納米時,FinFET技術已走基本到盡頭,將由環繞柵極晶體管(GAAFET)接替。但由于技術風險和成本壓力,頭部代工廠在5納米時代仍不得不使用FinFET。結果可想而知,芯片漏電流功耗暴增幾乎抵消了工藝進步的紅利。

據透露,英特爾已計劃在5納米(接近臺積電3納米工藝)時切換到GAAFET,臺積電則計劃在3納米后再說,三星為了追上臺積電,決定在3納米時就采用GAAFET。不過在GAAFET正式啟用之前,芯片發熱仍然是一個問題。另外,每一個新節點的數字邏輯都發生了微妙的變化,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漂移、噪聲和不同應力等問題抗爭。

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

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?莫非還有獨門絕跡?對此,業界觀察人士對于恩智浦的新平臺到底是什么樣子仍然有點困惑。The Linley Group高級分析師Mike Demler指出,不管工藝節點是什么,這都是一個有趣的消息,他說:“恩智浦的汽車平臺非常廣泛,5納米技術并不適用于所有平臺。”

巨大的挑戰和誘惑

PDF Solutions高級解決方案副總裁Dennis Ciplickas認為:“別說5納米,像7納米這樣的先進技術都存在一些問題。我們已經看到7納米芯片中發生的問題——不同類型的變化、生產線可能出現的缺陷以及工藝模塊之間的所有交互。測試方式、使用的故障模型、診斷和發現缺陷以及構建理解這些因素的功能安全性是一個巨大的挑戰。我們是在朝著自動駕駛的方向前進,我們最終會到達那里。但是,考慮到先進技術的表現方式,要實現這一目標,需要進行的創新是一個巨大的挑戰,也是一個巨大的機遇。”

困則思變,即便是芯片行業長期以來的發展趨勢,也可能會陷入劇變。先進節點半導體的一些最大消費者也開始自研芯片,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同設計、獨特的架構、混合使用加速器和各種類型的處理器和內存來實現數量級的性能改進。

最近由主機廠(如特斯拉)驅動的芯片開發已開始證明,高度自動化的驅動平臺可以實現優異的性能。不使用市場上現有的芯片,轉而采用專門構建的SoC定制的系統需求可以產生巨大的差異。汽車行業已經意識到,對于高度自動化駕駛,主機廠和Tier 1需要在SoC架構的定義中發揮更積極的作用。他們正試圖將高性能專用SoC或系統級封裝(SiP)全部集成在單個芯片,而不是PCB上滿足功能集、每瓦特性能、安全性等要求。

不過,近日有報道稱,特斯拉正在為新型4D全自動駕駛(FSD)開發下一代硬件HW4,而三星電子正在為特斯拉開發5nm芯片。看來自研也有問題。

在此之前,國內一些主機廠已在蠢蠢欲動。蔚來汽車董事長兼CEO李斌在接受采訪時表示:“自研自動駕駛芯片并不難,比手機芯片容易。”但已造了芯的地平線創始人兼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,真正自研芯片的很少,絕大部分還是走分工協作的道路,專業分工才能帶來效率。雖然也有一些手機廠商嘗試過研發芯片,但都不很成功。最后他們都用了高通和聯發科的芯片。我認為,專業化的分工可以帶來效率,專業的人干專業的事。”

的確,研發自動駕駛芯片要比手機芯片更難,就說滿足車規這一條就夠研發者喝一壺的。至于車規AI芯片,用余凱的話說“必須是世界級的AI算法公司”才玩得轉。簡單的芯片或許可以,但也沒有自己造的必要,而復雜的芯片更不是一朝一夕能夠實現的。

值得一提的是,地平線的車規AI芯片征程3 SoC還是16納米工藝;而即將推出、預計量產在2022年下半年的征程5并未提及工藝節點;計劃當中的征程6將采用車規級7納米工藝,工程樣片的推出時間是2023年。由此可見,國內車規級SoC的節點并不先進。

所有新技術都將極大地增加芯片的復雜性,這可能需要利用最新的工藝節點。雖然高端汽車SoC已經采用7納米設計,但一些公司已經在準備下一代5納米先進節點設計。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。

其影響尚待評估,但成功模式可能會發生重大變化。Xilinx總裁兼首席執行官Victor Peng說:“不可否認的事實是,2021年隨著5納米的投產,剩下的提供高性能產品的半導體廠商將把3納米產品的開發成本內部化(納入產品成本)。”