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3纳米芯片性能成“鸡肋”?苹果下一代手机从性能转向能耗

2022年12月30日,也就是在2022年的倒数第二天,台积电正式发布了3nm芯片工艺,也算是完成了其在年内量产该芯片工艺的承诺。据悉,台积电3nm工艺将会在中国台湾南部园区生产,且其对外表示,客户对TSMC 3nm工艺的需求“非常强劲”。

尽管台积电预估3nm工艺将在五年内创造1.5万亿美元产品终端价值,但目前这一工艺仅将被应用到苹果设备上,其他厂商仍持观望态度。这背后的原因在于3nm工艺性能提升有限,且代工成本昂贵,也只有对产品性能孜孜以求的苹果敢于“大手笔”采购。

尽管理论上芯片工艺还可以继续,但由于接近1纳米物理极限,其上升空间已不大。这一点在进入5纳米芯片工艺之后,已体现得尤为明显。

根据台积电说法,对比N5工艺,N3功耗可降低约25-30%,性能可提升10-15%,晶体管密度提升约70%。但是3nm良率拉升难度飙升,台积电为此已不断修正3nm蓝图,且划分出N3、N3E等多个3nm家族版本。

从数据上来看,芯片性能演进已经脱离了摩尔定律的范畴。在摩尔定律鼎盛之际,半导体芯片的集成度随着工艺节点的缩小每18个月翻一倍,同时也带来了大幅的性能提升。

如今,我们看到随着摩尔定律接近物理极限,下一代工艺的进一步更新的节奏正在慢慢放缓。同时新工艺的成本越来越高但是对于性能的提升正在变小(只有15-30%左右)。

在摩尔定律放缓的过程中,SRAM单元微缩减缓已经成为先进芯片工艺进步的最大阻碍因素之一。尽管芯片逻辑密度也在减缓,但也远远好于SRAM单元的缩微化。WikiChip发布的一份报告提到,台积电在SRAM方面的微缩速度已大大放缓,且认为SRAM单元缩微化减缓将对3纳米及以下的芯片工艺带来很大影响。

根据WikiChip报告,台积电采用N3和N5制程的SRAM大小为0.0199μm²和0.021μm²,仅缩小了约5%。而N3E制程基本维持在0.021μm²,相较N5制程几乎没有微缩表现。这就导致芯片工艺更多依靠芯片逻辑密度缩微化,SRAM单元成为芯片工艺进步的“硬肋”。

因此,在智能手机市场萎靡的大行情下,性能提升不大的3纳米工艺,能适用的终端产品的选择已不大。

一直以来,苹果凭借A系列芯片性能强劲,长期保持相对于安卓阵营的碾压性优势,几乎每一代产品都能领先竞争对手一段时间。不过,苹果在iPhone14系列采用双芯片策略之后,即标准版沿用A15芯片节省成本,只有Pro版搭载A16芯片,已经招致消费者的不满,也给予了相应的市场反馈。

有消息传出,苹果仍将沿用双芯片策略,最新的A17芯片只会出现在iPhone 15 Pro版本的机型当中,标准版的iPhone 15搭载的将是iPhone 14 Pro机型的A16仿生芯片。

据悉,与目前的5纳米芯片相比,3纳米芯片将提供更好的性能,苹果可能会在2023年开始采用3纳米处理器。不过,3nm代工价格突破2万美元/片晶圆,也就是14万元左右才能加工一片12英寸晶圆,首批投片量只有数千片,目前只有苹果有需求。

苹果之所以坚持双芯片策略,主要在于其希望通过在iPhone 15 Pro系列高端机型上搭载最新的A17处理器,以提升新款iPhone高端机型的出货比例,实现利润最大化。

就3纳米芯片工艺性能来看,苹果似乎已在芯片性能上妥协,其iPhone 15 Pro 系列所搭载的 A17 芯片可能会更注重电池续航,而非芯片性能。这一点从台积电为其代工的3纳米芯片的数据也可以看出来,显然3纳米芯片功耗降低约25-30%,要比性能提升10-15%更加“亮眼”很多,也算是“不得已而为之”。

值得一提的是,当前手机、PC市场都处于“寒冬”阶段,2023年也存在诸多不确定性,台积电“3nm工艺将在五年内创造1.5万亿美元产品终端价值”的口号是否有些过大?尽管除了苹果之外,英伟达、AMD、英特尔、高通等这些台积电大客户都有采用3纳米芯片的意愿,但大行情下不得不低头,加之3nm工艺高昂的代工成本,其均没有明确的采购时间表。

文章来自:https://www.eet-china.com/