3nm“炙手可熱”，手機企業(yè)怎么辦？

近日，首次采用臺積電3nm制程的蘋果iPhone15 Pro新機陷入A17芯片過熱爭議。在此前，有消息稱臺積電3納米良率僅55%，也因此臺積電將不會按照標準晶圓價格向蘋果收費，蘋果僅向臺積電支付可用芯片的費用。此外，有消息稱，受到3nm良率的影響，高通即將發(fā)布的驍龍8 Gen 3芯片，將不會全部使用3nm制程，部分產(chǎn)品依舊采用4nm制程。

第一個吃螃蟹的人，一定會有風險。隨著芯片制程不斷縮小，芯片良率低以及發(fā)熱的問題愈見凸顯。使得原本需求火熱的先進制程芯片，卻因為發(fā)熱問題變得有些“炙手可熱”。先進制程是否將不再成為手機廠商的競爭焦點？

先進制程頻頻發(fā)熱

在此之前，先進制程芯片也頻頻出現(xiàn)發(fā)熱問題。

大致從5nm工藝開始，手機芯片普遍出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。彼時，三星獵戶座1080、華為麒麟9000、驍龍888和蘋果的A14芯片都采取了5nm工藝制程，但卻不約而同地出現(xiàn)了發(fā)熱的現(xiàn)象。在此后的4nm工藝中，高通驍龍8 Gen 1、三星Exynos 2200、聯(lián)發(fā)科天璣9000等采用4nm工藝制程的手機，也再度因為發(fā)熱現(xiàn)象引發(fā)爭議。

依照摩爾定律規(guī)則，芯片制程縮小，晶體管密度增加，功耗也會隨之減少。然而，隨著芯片制程愈發(fā)接近物理極限，芯片的功耗為何卻出現(xiàn)不降反增的趨勢？

北京超弦存儲器研究院執(zhí)行副院長、北京航空航天大學兼職博導趙超告訴《中國電子報》記者，先進制程之所以會出現(xiàn)發(fā)熱的現(xiàn)象，是短溝道效益所引起的。“半導體制造中，集成電路的尺寸隨著摩爾定律的發(fā)展而持續(xù)縮小，溝道長度也相應地縮短，這就導致了溝道管中的S和D（源和漏）的距離越來越短。因此柵極對溝道的控制能力變差，這就意味著柵極電壓夾斷溝道的難度變大，即產(chǎn)生短溝道效應，從而出現(xiàn)嚴重的電流泄露（漏電）現(xiàn)象，最終讓芯片的發(fā)熱和耗電失控?！壁w超說。

新結(jié)構(gòu)帶來新問題

趙超表示，5nm、4nm芯片所采用的都是FinFET（鰭式場效應晶體管）結(jié)構(gòu)。FinFET所采用的是三面柵的結(jié)構(gòu)，并非像GAA一樣的四面環(huán)繞式的結(jié)構(gòu)，其中一個方向沒有柵極的包裹。隨著芯片制程的不斷減小，F(xiàn)inFET三面柵的結(jié)構(gòu)對于漏電的控制能力也在逐漸減弱，造成芯片出現(xiàn)功耗問題。

然而，采用了四面環(huán)繞式GAA架構(gòu)的三星，雖然在一定程度上緩解了短溝道效益，但是卻并沒有如愿大幅度提升芯片的良率。據(jù)了解，采用GAA架構(gòu)的三星3nm工藝芯片，首批的良率只有10%～20%，而如今的良率也僅僅只有50%～60%。業(yè)內(nèi)人士透露，三星若想獲得高通等大客戶的3nm訂單，良率至少要達到70%以上。

三星通過改變芯片架構(gòu)實現(xiàn)功耗的降低和性能的提升

可以推算，未來芯片進入到2nm以及更小制程后，芯片的發(fā)熱以及功耗問題也將難以避免。

軟件成手機廠商發(fā)力重點

由于先進制程頻頻出現(xiàn)問題，使得很多手機廠商開始 “另辟蹊徑”，試圖通過其他方式來提升芯片的性能，在這之中，軟件成為了諸多手機廠商的關注焦點。

對于手機而言，如果把芯片比作一粒種子，那么軟件就是土壤，如果軟件能夠針對芯片硬件的特性進行優(yōu)化，就像土壤為種子提供最適宜的生長環(huán)境，那么芯片便能發(fā)揮出更大的功效。因此，諸多手機廠商也開始嘗試通過優(yōu)化自家的軟件系統(tǒng)，從而更好地發(fā)揮自研芯片的性能，提供更加流暢、高效的用戶體驗。

例如，蘋果即將發(fā)布iOS 17.0.3版本，便是想通過軟件的升級，從而優(yōu)化設備的溫度表現(xiàn)，進而改善手機的發(fā)熱問題；華為的鴻蒙系統(tǒng)與麒麟芯片的深度結(jié)合，也是促使Mate 60 Pro的性能超越傳統(tǒng)預期的主要方式之一。

先進制程依舊是競爭焦點

然而，業(yè)內(nèi)專家莫大康向《中國電子報》記者表示，軟件生態(tài)對于手機而言固然重要，但是并不能完全替代通過芯片制程縮小帶來的性能提升。此外，盡管芯片制程的不斷縮小，給芯片良率帶來了很多困難，但是先進制程的市場熱度仍舊只增不減。臺積電3nm工藝制造的12英寸晶圓的報價高達3萬美元，是7nm工藝的3倍之多。預計到2025年之際，3nm制程市場的產(chǎn)值將會高達255億美元。

數(shù)據(jù)來源：據(jù)公開資料整理

“采用新產(chǎn)品、新技術(shù)，是幫助企業(yè)在市場競爭中立足的關鍵因素之一，但這同樣也需要企業(yè)承擔相應的風險。市場競爭本身就是賭，誰也無法預測是否能賭成功。但是蘋果等資本力量雄厚的企業(yè)，也有賭的資本，所以他們并不怕試錯。此外，新技術(shù)同樣也需要時間去試錯和迭代。雖然，目前3nm先進制程的良率不高，但是并不意味著未來的良率不會提升。隨著技術(shù)不斷成熟，先進制程芯片的現(xiàn)有問題也會被一一解決，只是由于制程不斷縮小，技術(shù)難度越來越大，技術(shù)的磨合期也會相應變長。”莫大康向《中國電子報》記者表示。

臺積電、三星、英特爾中芯國際的芯片制程發(fā)展線

數(shù)據(jù)來源：集邦咨詢

有消息稱，在臺積電成功試產(chǎn)2nm的幾乎同一時間，蘋果便成為了首個客戶。與此同時，高通也在考慮在未來使用臺積電的2nm工藝生產(chǎn)其芯片。先進制程依舊是手機廠商眼中的“香餑餑”。

芯片制程的延伸和軟件系統(tǒng)的升級，也將成為未來手機技術(shù)發(fā)展的“兩條腿”，二者缺一不可。

作者丨沈叢，編輯丨張心怡

美編丨馬利亞，監(jiān)制丨連曉東