臺積電究竟有什么了不起,它為什么能決定華為的“生死”?
制程的差異
在蘋果手機(jī)上游,有著長長的供應(yīng)鏈名單,有提供手機(jī)比例的藍(lán)思科技,有提供屏幕的三星、LG,有提供內(nèi)存的美光、海力士,還有提供組裝的富士康、立訊精密,但是這些供應(yīng)商加起來,也沒有臺積電對蘋果的影響大。
無論是手機(jī)還是電腦,其核心都是硬件性能,蘋果如果想要保持領(lǐng)先的處理器性能,就必須使用臺積電的制造工廠。原因很簡單,臺積電的工藝水平超出競爭對手一大截。
小黑在前面說過,芯片制造主要分為IC設(shè)計、IC制造和IC封測,現(xiàn)階段IC封測對芯片性能影響不大,主要就靠IC設(shè)計與IC制造。而在IC制造領(lǐng)域,主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是制程。在最近幾年的手機(jī)發(fā)布會上,制程這個詞屢屢出現(xiàn)。Mate 30 首發(fā)臺積電7nm 制程,iPhone12 首發(fā)臺積電5nm制程,高通驍龍888 首發(fā)三星 5nm 制程,此類報道屢見不鮮。
從表面上看,臺積電與三星處于第一梯隊,制程工藝達(dá)到5nm;英特爾處于第二梯隊,制程工藝才剛剛達(dá)到10nm;再后面就是國內(nèi)的中芯國際,以及放棄先進(jìn)制程的格羅方德、臺聯(lián)電等廠家,制程工藝還停留在14nm。
事實上,制程工藝在各大制程廠家有著完全不同的定義,在14nm工藝之前,大部分廠家都嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)命名。大名鼎鼎的“摩爾定律”,描述的就是制程工藝之迭代:單位面積上晶體管數(shù)量,每18個月增加一倍。
然而,14nm之后,三星與臺積電先后拋棄這一標(biāo)準(zhǔn),各自制定獨特的制程標(biāo)準(zhǔn),因而對比晶體管密度或許更有意義。
▲ 制程工藝與晶體管密度
以晶體管密度來衡量,只有英特爾嚴(yán)格按照摩爾定律命名工藝節(jié)點,英特爾的的10nm制程工藝趕超臺積電7nm制程,略遜于三星的6nm制程與臺積電的7nm+制程。在最先進(jìn)的制程工藝方面,目前臺積電5nm制程工藝遙遙領(lǐng)先,三星5nm制程工藝雖然名字都是5nm,但是晶體管密度差距明顯,真實實力遠(yuǎn)遜于臺積電5nm制程。
大名鼎鼎的“摩爾定律”,描述的就是制程工藝之迭代:單位面積上晶體管數(shù)量,每兩年(也有說法是 18 個月)增加一倍。至于英特爾,10nm 制程才剛剛用于輕薄本低壓芯片,7nm制程遙遙無期。按照原計劃,晶體管密度比臺積電5nm更高的英特爾7nm制程將于2021年量產(chǎn),屆時英特爾將與臺積電處于同一水平(臺積電2021年計劃推出5nm+制程)。結(jié)果幾個月前,英特爾宣布由于技術(shù)缺陷,英特爾7nm將推遲到2022年底或2023年初,這一表態(tài)也直接導(dǎo)致英特爾股價暴跌。
先進(jìn)制程帶來優(yōu)勢
前文說到,先進(jìn)制程可以增加晶體管密度,換句話說同樣面積的芯片,可以“塞入”更多晶體管。像蘋果A14 處理器,單顆芯片塞入了118億晶體管,而華為麒麟9000處理器,更是塞入153億晶體管。雖然晶體管數(shù)量不代表芯片性能,但是在IPC 設(shè)計水平相同的情況下,晶體管數(shù)量越多性能肯定越強(qiáng)(蘋果設(shè)計水平高,因而在晶體管數(shù)量少的條件下性能更強(qiáng))。
另一方面,先進(jìn)制程還能帶來功耗降低。臺積電表示,與7nm工藝相比,同樣的性能下5nm工藝功耗降低30%。通俗地說,5nm工藝可以用更少的電量實現(xiàn)同樣的性能。5nm制程的使用,也是蘋果M1 芯片續(xù)航暴增的原因之一。
與英特爾、AMD 兩大主流PC 芯片廠家相比,蘋果M1 芯片續(xù)航優(yōu)勢主要在兩大方面:一方面,arm架構(gòu)天生比X86 架構(gòu)省電;另一方面,就是蘋果 M1 芯片在制程上領(lǐng)先。以英特爾為例,上一代蘋果macbook 采用的10代i7 采用的是英特爾14nm++++ 制程工藝,與臺積電5nm 有著接近兩代的工藝節(jié)點差距,因此才會出現(xiàn)性能、續(xù)航都是被“吊打”的局面。
當(dāng)然,這樣對比并不公平,畢竟英特爾最新發(fā)布的11代i7 已經(jīng)用上10nm 制程工藝?上В⑻貭10nm也只能跟臺積電7nm、7nm+媲美,綜合性能依然落后于臺積電5nm。因此11代i7也只能在單核性能上與M1 “打得”不相上下,多核性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于M1。至于續(xù)航,采用11代i7處理器的筆記本電腦,續(xù)航通常在10小時左右,而M1 續(xù)航已經(jīng)達(dá)到18 小時以上。
手機(jī)、電腦的性能取決于設(shè)計與制造,制造的關(guān)鍵又在于制程。在芯片誕生的歷程上,設(shè)計、制造缺一不可,今年華為如此艱難,就是因為只掌握了芯片設(shè)計,在芯片制造上找不到臺積電的替代品。因此,臺積電終止與華為合作,麒麟芯片也就無法生產(chǎn),華為整個手機(jī)部門都面臨“缺芯”難題,為了生存甚至拆分榮耀。
制造業(yè)是立國之本,而芯片制造又是制造業(yè)王冠上的寶石,在外部環(huán)境波瀾詭譎的情況下,全面提升芯片設(shè)計與制造迫在眉睫。如今,在整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈中,華為海思、紫光展銳在IC 設(shè)計上處于第一、第三梯隊;中芯國際、華虹半導(dǎo)體在IC 制造上處于第三、第四梯隊;華大九天、上海微電子在EDA 工具、光刻機(jī)制造領(lǐng)域還處于剛剛?cè)腴T水平。半導(dǎo)體研發(fā)之路光榮而艱巨,國內(nèi)廠家想拿下這顆制造業(yè)王冠上的寶石,所面臨的阻礙與挑戰(zhàn)還有很多。對此,小黑只想說:“加油,中國半導(dǎo)體人!”
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