iPhone 13或将使用增强版5nm芯片,预计明年第三季开始投片

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iPhone 13或将使用增强版5nm芯片,预计明年第三季开始投片
麻省理工科技评论 2020-11-23

2020-11-23

据市场情报公司 TrendForce 的一份最新报告预测,苹果或将在 2021 年的新 iPhone13 中采用更先进的 A15 芯片
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据市场情报公司 TrendForce 的一份最新报告预测,苹果或将在 2021 年的新 iPhone13 中采用更先进的 A15 芯片

据市场情报公司 TrendForce 的一份最新报告预测,苹果或将在 2021 年的新 iPhone13 中采用更先进的 A15 芯片,该芯片或将采用台积电的 N5P 工艺(台积电推出的 5 nm 极紫外 EUV(N5)制程的性能增强版本),可生产增强型的 “5nm+” 芯片,预计明年第三季开始投片。

对苹果公司来说,与自研芯片同等重要的是,只有占据最新芯片工艺制程产能,才能牢牢把握产品性能领先。谈及使用使用 5nm 技术对用户的好处,国内某芯片研究院的研发负责人认为:“台积电工艺的改进加上苹果系统架构和设计上的改进,共同带来了芯片硬件上的提升,由于驱动能力、功耗、集成度和设计等方面的优化,从用户体验来说,手机运行会更加流畅,发热更低,手机待机时间更久,同时可能实现更多的应用场景,例如 VR 相关的应用或游戏等。”

此外他还认为:“苹果在软硬件协同优化上优势很大,硬件改进后,从底层系统到应用上会相应地做优化和提升,把硬件提升的优势充分发挥出来,一般的安卓手机,软硬件大多是分离的,可能比较难做到这一点。

对于 “iPhone 使用增强版 5nm 芯片后,iPhone 13 就可以集成基带” 的说法,该负责人认为:“集成基带跟工艺制程的关系不大,和设计以及 IP 方面的关系更大。”

事实上,5nm 芯片的商用今年已经如火如荼,基于 5nm 先进工艺的华为麒麟 9000 手机 Soc 顺利推出,但由于美国技术禁令影响,台积电在 2020 年 9 月 15 日之后无法再向华为出货该旗舰芯片,“麒麟绝唱” 让人唏嘘,能否解禁有待观望。

如今,苹果发布 iPhone 12 并正式使用 A14 芯片,抢占台积电 5nm 芯片产能。此外,近期三星联合 vivo 发布了全球第三款 5nm 手机芯片 Exynos 1080,高通预计也将在 12 月初公布 5nm 芯片骁龙 875 处理器。

iPhone 13或将使用增强版5nm芯片,预计明年开始投片

图 | 苹果 A14 芯片

TrendForce 还预测,苹果将在大约两年时间内采用 4nm 工艺,这意味着 “A16” 芯片可能最早采用 4nm 工艺,苹果仍有可能最先尝鲜。

对此,美国某量测设备供应商技术专家、知乎大 V “多克特梨” 认为:“台积电不会公布任何技术细节,从 N5 到 N5P 还在同一技术节点,关键层应该是 EUV 曝光。如果声称提高电池寿命,那肯定是在漏电流控制上做文章,降低单个 FinFET 的能耗,至于怎么实现,目前完全不清楚。不过 N4 工艺,我个人猜测,依然是 N5 改进版,而且是 FinFET。三星率先宣布攻坚 N3 GAA(GAA 即 Gate-All-Around,环绕式栅极技术),台积电应该是重点押宝 N2 的 GAA 了。”

因为今年 A14 的实际性能并不让人满意,按照苹果官方公布数据,A14 的 CPU 相对于 A13 只提升 17%,GPU 只提升 10%,这性能提升幅度有点 “挤牙膏” 的迹象。要知道,今年苹果 A14 采用台积电 5nm 工艺,集成 118 亿个晶体管,内核面积仅为 88 平方毫米,密度为 1.34 亿个晶体管 / 平方毫米。

作为对比,上代 A13 使用的是台积电 7nm 工艺,集成 85 亿个晶体管,内核面积 94.48 平方毫米,密度为 8997 万个晶体管 / 平方毫米。

根据台积电的宣传,5nm 工艺最高可以做到 1.713 亿个晶体管 / 平方毫米的密度,苹果 A14 距离理论值差了不少,只发挥出来不到 80%,但据业内人士透露,A14 提升幅度较小,主要可能因为台积电的 N5 工艺良率低,苹果不得不限制一些核心能力的提升幅度。

5nm 以后芯片设计难度是怎样的?从芯片制程物理极限角度来说,今后的芯片性能提升是否会越来越困难?

对上述问题,西南交通大学信息学院电子工程系副系主任邸志雄博士告诉 DeepTech:“5nm 以后,芯片设计将不得不面临更加复杂的物理效应问题,如时序优化、寄生参数、拥塞预测等复杂度远远高于现有工艺制程,给 EDA 和代工厂商带来了巨大的压力。5nm 带来了单位面积更高的集成度,芯片验证技术也需要更大规模、更多层次化软硬协同验证才能更适合市场研发周期的需求。从披露的台积电和三星研发进度来看,5nm 之后还会有 3nm、2nm、1nm,晶体管结构也从 FinFET 演变为 GAA,芯片性能的提升将会碰到越来越多的困难,Chiplet 技术也将是解决芯片性能提升的一个重要技术。”

iPhone 13或将使用增强版5nm芯片,预计明年开始投片

图|台积电的新一代 3D 堆栈封装工艺 SoIC

5nm 产能硬仗,台积电或成最大赢家

尽管新冠疫情对全球经济产生了负面影响,但 AIoT、远程教育、5G 智能手机渗透率不断提高以及电信基础设施建设带来的推动,半导体市场逆势上扬。据 TrendForce 调研数据显示,预计 2020 年全球晶圆代工收入将同比增长 23.8%,为十年来最高,根据各代工厂客户订单的状况,当前高端芯片产能的紧张供应至少会持续到 2021 年第一季度。

低于 10nm 节点的先进工艺,目前台积电和三星的晶圆产能都已接近满负荷运转,同样,由于预计 4nm、3nm 工艺将分别在 2021 年和 2022 年投放市场,因此 ASML 的最先进 EUV 光刻机也已成为高度追捧的稀缺设备。

5nm 工艺技术是目前量产芯片的最先进节点,在美国制裁禁止台积电向华为供货后,苹果成为台积电 5nm 手机芯片的唯一客户,此外,苹果为其内部开发的 Mac CPU 和服务器中使用的 FPGA 加速器正在迅速抢占订单,拿下华为离开后剩余的晶圆产能。

清华大学信息国研中心邓辰辰博士表示:“采用制程更先进的芯片,将会给手机产品带来显著的性能和能效的提升。先进工艺是能够实现高速率、低功耗、高集成的5G芯片产品重要支撑条件。同时,先进工艺也意味着研发和制造成本的上升。”

展望 2021 年,苹果公司为 A15 仿生 SoC 需要 5nm + 晶片外,AMD 5nm Zen 4 CPU 的小批量试生产也将拉开序幕,这些产品将有助于台积电明年的 5nm 产能利用率维持在 85-90% 的区间。

需要指出的是,从 2021 年末到 2022 年,联发科、英伟达和高通公司也将开始 5/4nm 的量产,而 AMD 将加大 Zen4 处理器的生产。此外,首批外包的 5nm 英特尔 CPU 也有望在 2022 年在台积电投产,这些公司对高端芯片的巨大需求有望促使台积电业务量激增创下新高,但同时也是一次巨大考验。

iPhone 13或将使用增强版5nm芯片,预计明年开始投片

图|台积电先进芯片制程工艺预测

那么苹果使用的 5nm 技术,和各大手机厂商的产品对比的话,是一个怎样的水平?对于该问题,邸志雄博士告诉 DeepTech:“目前 5nm 制程的移动处理器有苹果 A14 和海思麒麟 9000,高通和三星也会在本年度推出 5nm 处理器。从各个工艺节点上各家推出的移动处理器性能来看,苹果 A14 为自研架构,其他厂商大都采用了 ARM 公版架构,但设计水平上与苹果还有一定的差距。”

苹果于 2020 年秋发布了首款 5G 手机 iPhone 12,但由于 5G 手机姗姗来迟,不少用户表示更期待 iPhone 13,俗称 “十三香”。那么,“十三” 到底香不香,还得看用户是否买账。

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