5纳米集体翻车为哪般?

现实是,实现5纳米大多是吹的,别说车规,就是手机用也还存在问题。为什么?因为10年前困扰台积电和三星的问题又依然故我了。

5纳米是目前EUV(极紫外线)光刻机能实现的最先进芯片工艺,也是智能手机厂商的重要卖点,2020年下半年,苹果A14(“一度达80℃”)、麒麟9000(“发热降频”)、骁龙888(“变身火龙”,810就曾“高烧不退”)等5纳米工艺芯片相继粉墨登场。

不过,公开信息显示,上述芯片无一幸免均被曝实际功耗不低,发热未减,一时间,5纳米芯片集体翻车成为热议话题。

功耗和发热指标不好一直是不断追随甚至想超越摩尔定律的厂商没有解决的难题。主要元凶是芯片内部的晶体管漏电。进入深亚微米制造工艺时代之前,动态功耗一直是芯片设计关注的焦点,但在深亚微米工艺,动态功耗在总功耗中的比例越来越小,静态功耗的比例则越来越大。进入纳米时代,漏电流功耗对整个功耗的影响变得非常显著。研究表明,在90纳米工艺的电路中,静态功耗可以占到总功耗的40%以上。

究其原因,是因为集成电路每一代制造工艺的进步,都是通过缩短CMOS晶体管的沟道长度(微米或纳米)实现的。沟道长度的不断缩短,使电源电压、阈值电压、栅极氧化层厚度等工艺参数也在不断按比例缩小,使短沟道效应(SCE)、栅极隧穿电流、结反偏隧穿电流等漏电流机制越来越显著,表现为芯片漏电流功耗不断上升。更重要的是,漏电流功耗和沟道长度缩小是一个数量级增长的关系,沟道长度越来越短,漏电流功耗增加越来越快。

5纳米之前,之所以台积电、三星和英特尔能抑制漏电流功耗,主要是采用了创新的FinFET,以替代传统的平面式晶体管。

从平面FET、FinFET到未来工艺的变化

在7纳米时,FinFET技术已走基本到尽头,将由环绕栅极晶体管(GAAFET)接替。但由于技术风险和成本压力,头部代工厂在5纳米时代仍不得不使用FinFET。结果可想而知,芯片漏电流功耗暴增几乎抵消了工艺进步的红利。

据透露,英特尔已计划在5纳米(接近台积电3纳米工艺)时切换到GAAFET,台积电则计划在3纳米后再说,三星为了追上台积电,决定在3纳米时就采用GAAFET。不过在GAAFET正式启用之前,芯片发热仍然是一个问题。另外,每一个新节点的数字逻辑都发生了微妙的变化,越来越趋向于类似模拟的行为,迫使芯片工程师开始与信号漂移、噪声和不同应力等问题抗争。

因此,5纳米和已规划的3纳米都增加了新的可靠性挑战,令汽车应用无法承受其重。在3纳米,由于许多原因,这些问题的数量和严重程度还不太清楚。

那么,恩智浦成首家采用5纳米汽车芯片公司又从何而来呢?莫非还有独门绝迹?对此,业界观察人士对于恩智浦的新平台到底是什么样子仍然有点困惑。The Linley Group高级分析师Mike Demler指出,不管工艺节点是什么,这都是一个有趣的消息,他说:“恩智浦的汽车平台非常广泛,5纳米技术并不适用于所有平台。”

巨大的挑战和诱惑

PDF Solutions高级解决方案副总裁Dennis Ciplickas认为:“别说5纳米,像7纳米这样的先进技术都存在一些问题。我们已经看到7纳米芯片中发生的问题——不同类型的变化、生产线可能出现的缺陷以及工艺模块之间的所有交互。测试方式、使用的故障模型、诊断和发现缺陷以及构建理解这些因素的功能安全性是一个巨大的挑战。我们是在朝着自动驾驶的方向前进,我们最终会到达那里。但是,考虑到先进技术的表现方式,要实现这一目标,需要进行的创新是一个巨大的挑战,也是一个巨大的机遇。”

困则思变,即便是芯片行业长期以来的发展趋势,也可能会陷入剧变。先进节点半导体的一些最大消费者也开始自研芯片,其中包括苹果、谷歌、亚马逊、Facebook和阿里巴巴等,都试图通过软硬件协同设计、独特的架构、混合使用加速器和各种类型的处理器和内存来实现数量级的性能改进。

最近由主机厂(如特斯拉)驱动的芯片开发已开始证明,高度自动化的驱动平台可以实现优异的性能。不使用市场上现有的芯片,转而采用专门构建的SoC定制的系统需求可以产生巨大的差异。汽车行业已经意识到,对于高度自动化驾驶,主机厂和Tier 1需要在SoC架构的定义中发挥更积极的作用。他们正试图将高性能专用SoC或系统级封装(SiP)全部集成在单个芯片,而不是PCB上满足功能集、每瓦特性能、安全性等要求。

不过,近日有报道称,特斯拉正在为新型4D全自动驾驶(FSD)开发下一代硬件HW4,而三星电子正在为特斯拉开发5nm芯片。看来自研也有问题。

在此之前,国内一些主机厂已在蠢蠢欲动。蔚来汽车董事长兼CEO李斌在接受采访时表示:“自研自动驾驶芯片并不难,比手机芯片容易。”但已造了芯的地平线创始人兼CEO余凯的话已撂在那里:“到今天为止,全球车企中真正自研芯片的只有特斯拉一家,其他的或许只是声音。就像智能手机,真正自研芯片的很少,绝大部分还是走分工协作的道路,专业分工才能带来效率。虽然也有一些手机厂商尝试过研发芯片,但都不很成功。最后他们都用了高通和联发科的芯片。我认为,专业化的分工可以带来效率,专业的人干专业的事。”

的确,研发自动驾驶芯片要比手机芯片更难,就说满足车规这一条就够研发者喝一壶的。至于车规AI芯片,用余凯的话说“必须是世界级的AI算法公司”才玩得转。简单的芯片或许可以,但也没有自己造的必要,而复杂的芯片更不是一朝一夕能够实现的。

值得一提的是,地平线的车规AI芯片征程3 SoC还是16纳米工艺;而即将推出、预计量产在2022年下半年的征程5并未提及工艺节点;计划当中的征程6将采用车规级7纳米工艺,工程样片的推出时间是2023年。由此可见,国内车规级SoC的节点并不先进。

所有新技术都将极大地增加芯片的复杂性,这可能需要利用最新的工艺节点。虽然高端汽车SoC已经采用7纳米设计,但一些公司已经在准备下一代5纳米先进节点设计。代工厂声称,5纳米提供了大约20%的速度或大约40%的功率降低,是非常适合下一代汽车的处理器。

其影响尚待评估,但成功模式可能会发生重大变化。Xilinx总裁兼首席执行官Victor Peng说:“不可否认的事实是,2021年随着5纳米的投产,剩下的提供高性能产品的半导体厂商将把3纳米产品的开发成本内部化(纳入产品成本)。”