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台积电推2nm,芯片制程极限升级,2nm或不再是我们理解的2nm了

在我们还在为7纳米工艺发愁的时候,台积电等芯片巨头已经在推进2nm。台积电、三星、intel都将在2025年竞技2nm。

根据集邦咨询报道,台积电正在积极推进 2nm 工艺节点,首部机台计划 2024 年 4 月进厂。而台积电和三星都计划 2025 年开始量产 2nm 工艺芯片,双方争夺战已经打响。

目前台积电已经向苹果、英伟达等主要客户展示了 2nm 工艺原型测试结果;而三星也推出了 2nm 原型,为了吸引英伟达在内的知名客户,将提供了更低廉的价格。据悉,台积电再度抢下苹果订单,预计用在2025年上市的iPhone17 Pro上。

从原理上说,2nm制程芯片也和以往的芯片都不相同,它需要在每平方毫米的面积上,植入3亿颗晶体管,相当于在一个指甲盖那么大的面积里,塞下近400亿颗晶体管。

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这个数量是现在主流5nm芯片的2倍左右。如此巨大的提升与恐怖的密度,需要将芯片制造技术从2D平面,扩展到3D立体层面,像搭积木一样向上堆叠,才能进一步提升晶体管的密度。

这其中的难度非同小可。

目前对于台积电推出的2nm工艺,有一些网友开始质疑:现在台积电的3nm和三星的3nm,性能提升幅度也太不明显了,也不像7到5的提升。“苹果的5纳米暖手宝,难道这5nm是吹出来的?”

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而在较早的时候,通信专家项立刚也对此提出了质疑,他表示,芯片制程高速迭代很可能是一个骗局。因为2016年之后,在台积电推动下,炒作芯片制程高速迭代,但在用户实际体验上,7nm的芯片以下的芯片,没有实质性体验提升。

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事实上,进一步引爆业内质疑的是采用了A17的芯片的iPhone15,这款芯片是3纳米工艺。按照大家对3nm的理解,3nm与7nm在性能与功耗层面有巨大差别,那应该手机在流畅和功耗上表现远超其它手机吧,但从消费者实际体验中反馈出来的并未如此。

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在10月初,Phone15 Pro发热上了热搜,引发了外媒的广泛讨论,苹果后来也正式承认新发布的全部四款iPhone15手机异常发热。

有业内人士根据IBM的评估,2nm技术相较于7nm技术,性能方面将得到45%的提升,在同等性能下功耗能够减少75%。基于此推测台积电2nm将获得类似的提升。

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但是也有用户对于这个性能增加也表示开始质疑,有用户表示,性能增长不超过15%,苹果15芯片就是最好的例子。

为什么芯片制程工艺开始屡遭质疑了,芯片制程未来的发展方向是什么?要弄清这个问题,我们得先从制程谈起。

芯片制程工艺升级背后,2nm或许不再是我们理解的2nm了

芯片上拥有数量庞大的晶体管,而制程就是晶体管源极和漏极之间的沟道长度。晶体管内部的电流从起点(源极)流向终点(漏极)要经过一道闸门,这个闸门的宽度(栅长)就是芯片的纳米单位。纳米原本是指芯片晶体管栅极长度的大小。

随着技术的成熟,晶体管尺寸的减小,性能随之提高、功耗降低以及发热量的降低。简言之,较小的晶体管比较大的晶体管更好,并且制造商之间的工艺节点代际改进是相似的。

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然而,在过去的几十年里,随着集成电路设计(从平面晶体管到各种类型的 3D 晶体管)和制造工艺的各种专有改进,仅根据晶体管尺寸来衡量性能增益变得更加复杂。

在28nm以下,由于采用finfet这些新的技术,这些数字和实际的节点和栅极长度,以及半节距就匹配不上了。所以,现在的7nm,5nm,已不是原来指的栅极长度。因此,3nm 工艺芯片与晶体管的尺寸没有直接关系了。

这意味着由同一制造商制造的两代工艺节点(例如 5nm 和 3nm)的芯片不一定对应于流程节点名称。假如某家5nm的制程实际尺寸是20nm,那么它把它家8nm尺寸的制程标为 2nm,其实也是没有问题的。

因为已经不是同一套标准了,你家是这样的3nm,他家是这样的3nm,哪怕16nm制程,可能没有真的达到16nm尺寸。我们已经很难仅凭表面的制程工艺数字来判定它们的真实水平。

台积电推2nm,如果从传统我们对2nm技术原理层面理解,需要将芯片制造技术从2D平面,扩展到3D立体层面,类似从盖房子从盖一层小平层到盖一栋高楼的进化,从2D到3D堆叠需要从设计、材料、制造业、封装等各个领域重新构建一套芯片制造体系。

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这其中的难度非同小可,要投入的研发与力度非常大,有业内人士打了个比方:建一栋高楼你得先把图纸设计出来吧?然后地基也得打深一点吧?电线水管是不是更复杂了?材料是不是也得换好一点的?甚至盖楼的机器都不一样。

但事实上,能否做到这种高精尖程度,厂商做的是3nm++,还是真正的2nm,外人是不得而知的。

过去台积电的Philip Wong曾在Hot Chips 31主旨演讲中透露:“它过去是技术节点,节点编号,意味着晶圆上的一些功能。”但是:“今天,这些数字只是数字。它们就像汽车模型——就像宝马5系或马自达6。数字是什么并不重要,它只是下一项技术的目的地,它的名称。”

从台积电高管的话里可以知道,我们所理解的2nm,其实与他们做出来的2nm可能不是同一个概念了,节点的名称与技术实际并没有对等升级,更多是一个迭代的节点数字。

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而Intel早前甚至已经放弃了类似叫法,改称Intel 7,Intel 4,Intel 3,Intel 20A。Intel 7可以认为是原10nm的+++版;Intel 4对应7nm,Intel 3对应7nm+;而Intel 20A对应5nm,而18A对应5nm+。

可以看到,各家的标准各不相同,这其中营销意味越来越强,芯片制程工艺升级背后,2nm或许不再是我们理解的2nm了。

卷工艺制程的时代过去了吗?

事实上,从iPhone15系列的口碑表现来看,卷工艺制程的时代过去了,很多用户发现,自己3年前买的手机,12nm工艺,依然快如闪电,感觉可以再战好几年。

iPhone15系列采用了3nm的芯片,并不是功耗降低了,发热问题依然突出,从产品体验与口碑来看,iPhone15的体验口碑并没有因为3nm获得了加持,大家在感知层面也并不明显。消费者更关注的是产品的差异化创新与整体的产品综合体验。

从Mate60系列评测来看,它在性能、流畅度以及功耗上已经做到非常好了,跑分也非常强势,能够轻松应对多任务处理、高负荷游戏等各种挑战。

事实上,无论对于厂商还是消费者,工艺制程升级带来的成本提升,变得越来越不划算。

我们知道,最先进制程芯片的量产是一项系统工程,需要产业链上下游设备、材料、IP等技术厂商的共同进步迭代,且很烧钱,台积电2nm代工价被曝光了,近2.5万美元/片(晶圆),与之对比,3nm-2万美元/片,4/5nm-1.6万美元/片,6/7nm-1万美元/片。

整体芯片代工价格费用越来越高,厂商要承担的代工成本也越来越高,但是芯片制程提供的性能升级,没有想象中大,加上如今手机性能处于过剩时代,整体的体验升级带来的操作感受并不明显,消费者也渐渐对芯片工艺制程的高溢价没有那么感冒了。

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从目前来看,今天的3nm、2nm,是否是一种用来说服消费者、厂商为新品买单的营销手段,这意味着国内如果攻克7nm之后,与3nm、2nm的差距或已没有想象中大了。

从目前来看,手机行业接下来卷的应该是系统和生态,只要国产芯片解决了功耗和良率,系统的不断迭代升级,手机体验只会更丝滑,手机综合性价比更高,因此,工艺制程将不再成为阻挡国产手机追赶苹果的最大障碍,从这个角度来看,我们依然有弯道超车的机会。