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先进制程的高成本如何影响半导体和AI发展?

2020-09-28 09:24 次阅读

乔治敦大学沃尔什外交学院安全与新兴技术中心(CSET)的两位作者编写的一份题为《AI Chips: What They Are and Why They Matter》的报告,借助模型预估得出,台积电每片5nm晶圆的收费可能约为17,000美元,是7nm的近两倍。

该报告同时估计,每片300mm直径的晶圆通常可以制造71.4颗5nm芯片,这让无晶圆芯片公司的制造成本达到每颗238美元(约为1642元)。

不仅不如,通过对半导体行业和AI芯片设计的调查,作者通过模型不仅估算出5nm芯片238美元的制造成本,还提出了每颗芯片108美元的设计成本以及每颗芯片80美元的封装和测试成本。

这使芯片设计公司为每颗5nm芯片支付的总成本将高达426美元(约为2939元)。

5nm之后“高贵”的先进制程

市场研究机构International Business Strategies (IBS)给出的数据显示,28nm之后芯片的成本迅速上升。28nm工艺的成本为0.629亿美元,到了7nm和5nm,芯片的正本迅速暴增,5nm将增至4.76亿美元。三星称其3nm GAA 的成本可能会超过5亿美元。

设计一款5nm芯片的总成本将高达近5亿美元,那平均到每颗芯片的成本有多高?CSET在报告中的模型类比了英伟达P100 GPU,这款GPU基于台积电16nm节点处制造,包含153亿个晶体管,裸片面积为610 平方毫米,相当于晶体管密度25 MTr/mm2。

由此计算,直径300毫米的硅晶片能够生产71.4颗 610平方毫米的芯片。

先进制程的高成本如何影响半导体和AI发展?

假设5nm GPU的芯片面积为610平方毫米,并且晶体管密度比P100 GPU高,达到907亿个晶体管。下表中是用模型估算的台积电90至5nm之间的节点晶体管密度。在90至7nm范围内的节点,模型使用具有相同规格的假想GPU,包括晶体管除晶体管密度,假想的5nm GPU与假设节点关联。

CSET的成本模型使用的是无晶圆厂的角度,包含建造工厂的成本、材料、人工,制造研发和利润等。芯片制造出来后,将外包给芯片测试和封装(ATP)公司。

当然,使用更先进的制程节点芯片设计公司也会有相应的成本增加。最终看来,芯片设计成本和ATP成本之和等于总生产成本,得出每颗5nm芯片支付的总成本将高达426美元成本的结论。

之所以先进制程芯片的成本不断增加,不可忽视的是半导体制造设备成本每年增加11%,每颗芯片的设计成本增加24%,其增长率都高于半导体市场7%的增长率。

2018年的时候,台积电CEO魏哲家就打趣地说,台积电预计在5nm投资了250亿美元,各位就知道以后价格是多少了!

并且,随着半导体复杂性的增加,对高端人才的需求也不断增长,这也进一步推高了先进制程芯片的成本。报告中指出,研究人员的有效数,即用半导体研发支出除以高技能研究人员的工资,从1971年到2015年增长了18倍。

换句话说,摩尔定律延续增加大量的投入和人才。

雷锋网此前报道,为了支撑先进制程,台积电十年内研发人数增加了三倍,2017年研发人员将近6200人,比2008年多了近两倍,这6200人只从事研发,不从事生产。

先进制程的高成本如何影响半导体和AI发展?

半导体市场以超过世界经济3%的速度增长。目前,半导体产业占全球的0.5%经济产出。对于半导体产业而言,先进的制程和高性能芯片驱动着行业的进步,晶体管成为关键。

晶体管尺寸减小使每个晶体管的功耗也降低,CPU的峰值性能利用率每1.57年翻一番,一直持续到2000年。此后,由于晶体管尺寸减小放缓,效率每2.6年翻一番,相当于每年30%的效率提升。

报告中指出,台积电声称的节点进步带来的速度提升和功耗降低,从90 nm和5 nm之间以恒定比例变化,但趋势趋于平稳。三星两种指标在14 nm和5 nm之间都有下降趋势,但缺少大于14 nm的节点处的数据。

不过,由于半导体设备、研发等成本持续增加,这也让大量晶圆代工厂无法参与先进制程的生产和竞争,比如,GlobalFoundries就不生产14 nm以下的芯片。

下表给出了每个工艺节点量产的时间以及代工厂的数量,可以看到,随着制程的向前推进,晶圆代工厂数量越来越少。目前先进的制程工艺代工厂仅剩台积电、三星和英特尔

虽然代工厂越来越少,但业界对于先进制程的需求并没有减少。AI芯片就对先进制程有不小的需求,最先进的AI芯片比最先进的CPU更快,且具有更高的AI效率算法。AI芯片的效率是CPU的一千倍,这相当于摩尔定律驱动下CPU 26年的改进。

这要求晶体管持续改进,晶体管的改进仍在继续,但进展缓慢。得益于FinFET晶体管的发明,英特尔在2011年推出了商业化的22nm FinFET,业界也基于FinFET将半导体制程从22nm一直向前推进到如今的5nm。

到了2nm,台积电和英特尔都采用GAA(Gate-all-around,环绕闸极)或称为GAAFET维持先进制程的性能提升。魏哲家透露,台积电制程每前进一个世代,客户的产品速度效能提升30%- 40%,功耗可以降低20%-30%。

但高昂的成本和性能提升的幅度减少,让AI公司在计算上花费的时间和金钱更多,进而成为AI发展的瓶颈。

报告指出,AI实验室的训练的费用非常高,估算AlphaGo、AlphaGo Zero、AlphaZero和AlphaStar模型的训练成本每个为5000万到1亿美元之间。

值得关注的是,由于CSET当前正在关注AI和先进计算的进步所带来的影响。该报告称,美国政府正在考虑如何控制AI技术,但由于AI软件、算法和数据集不是理想的控制目标,因此硬件成为了重点。

未来,有多少AI芯片功能能够用得起先进制程?AI在全球的发展又会受到怎样的限制?
       责任编辑:tzh

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miconductors K32 L2微控制器 (MCU) 采用低功耗Arm® 皮层®-M0+内核,以及一系列功耗优化型集成外设。K32 L2 MCU具有从64KB到512KB的闪存选项以及从32kB到128kB的SRAM选项。这些器件还具有高精度混合信号集成,包括一个高分辨率16位ADC(具有单对和差分对输入模式选项)和一个支持DMA的12位DAC,从而可以减轻内核负担并使其执行其他重要任务。 K32 L2 MCU系列还配有一系列低功耗串行外设(支持低功耗模式下的异步操作)、SPI接口、I2C、USB全速2.0(支持无晶振操作)、NXP FlexIO模块(支持对附加的UART、SPI、I2C、PWM进行仿真&#...
发表于 10-26 18:06 2次 阅读
K32L2B31VMP0A NXP Semiconductors K32 L2微控制器

STM32WB30CEU5A STMicroelectronics STM32双核多协议无线MCU

oelectronics STM32双核多协议无线微控制器 (MCU) 是一款超低功耗 2.4GHz MCU片上系统 (SoC)。STM32WB支持Bluetooth/BLE 5.0以及IEEE 802.15.4通信协议(在单一和并行模式下),满足各种物联网应用的需求。STM32无线MCU基于超低功耗STM32L4 MCU,它具有丰富灵活的外设集,设计用于缩短开发时间、降低开发成本、延长应用电池寿命以及激发创新。 STM32无线MCU的双核架构支持实时执行应用程序代码和网络处理任务。因此,开发人员可确保出色的最终用户体验,同时也能灵活地优化系统资源、功耗和材料成本。 Arm...
发表于 10-26 18:06 2次 阅读
STM32WB30CEU5A STMicroelectronics STM32双核多协议无线MCU

MPF7100BMMA0ES NXP Semiconductors PF7100 7-Channel PMIC for i.MX 8 Processors

导体PF71007通道电源管理集成电路(PMIC)是专为高端的MX8系列多媒体应用处理器设计的主要电源管理组件。 PF7100还能够为高端i.MX6系列以及许多非NXP处理器提供电源解决方案。 PF7100的特点是五个高效率的buck转换器和两个线性调节器为处理器,内存和杂项外围设备供电。 该PF7100包括内置的一次可编程(OTP)存储器,它存储关键的启动配置,大大减少了通常用于设置输出电压和外部调节器序列的外部组件。 调节器参数通过高速I可调2 启动后的C接口,为不同的系统状态提供灵活性。 The NXP Semiconductors PF7100 PMIC is available in a 7mm x 7mm x 0.85mm HVQFN48 package with wettable flanks. 特性 巴克监管机构 SW1,SW2,SW3,SW4:0.4V至1.8V;2500mA;2%精度 SW5:1.0V至4.1V;2500mA;准确度2 动态电压缩放SW1,SW2,SW3,SW4, SW1,SW2可配置为双相调节器 SW3,SW4可...
发表于 10-23 20:06 2次 阅读
MPF7100BMMA0ES NXP Semiconductors PF7100 7-Channel PMIC for i.MX 8 Processors

MC33FS8530A0ES NXP Semiconductors FS8400和FS8500系统基础芯片

miconductors FS8400和FS8500系统基础芯片是汽车功能安全的多输出电源集成电路 (PMIC),优化用于雷达、视觉、ADAS(高级辅助驾驶系统)和信息娱乐应用。FS8400和FS8500设计符合ISO 26262汽车安全完整性等级 (ASIL) 标准,可确保道路车辆的功能安全。FS8400支持ASIL B级,FS8500支持ASIL D级。所有器件选项均引脚对引脚兼容和软件兼容。 FS8400和FS8500 SBC采用热增强型四方扁平无引线 (QFN) 封装,带可湿性侧翼。 特性 符合ISO 26262标准和AEC-Q100 1级标准 FS8400:ASIL B FS8500:ASIL D 60VDC最大输入电压&#...
发表于 10-23 20:06 13次 阅读
MC33FS8530A0ES NXP Semiconductors FS8400和FS8500系统基础芯片

QN9090-DK006 NXP Semiconductors QN9090DK开发套件 (QN9090-DK006)

miconductors QN9090DK开发套件 (QN9090-DK006) 是基于NXP QN9090 BLUETOOTH® 5片上系统 (SoC) 的评估和设计平台。随附的QN9090DK板集成了按钮和LED,可以方便地识别SoC状态并重置系统。QN9090DK板还设有各种有用的接口,例如miniUSB、 CMSIS(提供串行线调试 (SWD) 和 UART 接口)以及Arduino兼容接口,可轻松进行系统原型设计。 软件支持 QN9090DK开发套件配有集成编程器和调试器以及示例应用套件,展示完整软件开发套件 (SDK) 中的标准GATT规范。QN用MCUXpresso SDK兼容IAR 和NXP MCUXpresso IDE(集成开发环...
发表于 10-23 20:06 10次 阅读
QN9090-DK006 NXP Semiconductors QN9090DK开发套件 (QN9090-DK006)

STH2N120K5-2AG STMicroelectronics SuperMESH™ 高压 MOSFET

半导体 齐纳保护 SuperMESH™ 功率 MOSFETs 是对标准带式 PowerMESH™ 布线的终极优化。 意法半导体 SuperMESH MOSFET 大幅压低了导通电阻,同时为要求最高的应用确保了非常好的 dv/dt 性能。SuperMESH 器件有最低限度的栅极电荷,并100% 通过雪崩测试,同时还改进了 ESD 功能,并具有新的高压基准。这些意法半导体 MOSFET 可用于开关应用。 汽车级产品 1200V汽车级电池管理设备现在可用。 这些器件在很高的BVDSS上具有不均匀的鲁棒性,并且是AEC-Q101合格的。 这些设备的1200V击穿电压保护汽车电池系统。 K5系列产品有800V、850V、900V、950V、1050V、1200V、1500V和1700V。随着汽车级和1700V器件的引入,ST扩展了其超结MDmeshK5MOSFET的组合。 该设备提供每个区域的最低RDS(ON)和最低的栅极电荷(下降到47nC)。 这导致了行业的最佳业绩(FOM)。 更高的击穿电压确保了更高的安全裕度,以更健壮和可靠的应用。 它们是理想的宽输入电压范围辅助电源在高功率应用,如太阳能逆变器,工厂自...
发表于 10-23 20:06 10次 阅读
STH2N120K5-2AG STMicroelectronics SuperMESH™ 高压 MOSFET

ICM-20789 TDKInvenSenseICM207897轴压力传感器

venSense ICM-20789 7轴惯性和大气压力传感器在单个小尺寸外形中设有各种高性能的分立元件,用于跟踪旋转和线性运动以及压差。ICM-20789是一款集成式6轴惯性器件,在24引脚LGA封装中结合了3轴陀螺仪、3轴加速度计,以及超低噪声MEMS电容式压力传感器。 The pressure sensor features MEMS capacitive architecture to provide low noise at low power, high sensor throughput, and temperature coefficient offset of ±0.5 Pa/°C. A combination of high accuracy elevation measurements, low power, and temperature stability complemented by the motion tracking 6-axis inertial sensor in a small footprint, is ideal for a wide range of motion tracking applications. The embedded 6-axis MotionTracking device combines a 3-axis gyroscope, 3-axis accelerometer, and a Digital Motion Processor™ (DMP). A large 4 kB FIFO reduces traffic on the serial bus interface, and power consumption through burst sensor data tra...
发表于 10-23 19:06 6次 阅读
ICM-20789 TDKInvenSenseICM207897轴压力传感器

MAX20361AEWC+ MaximIntegratedMAX20361SingleCellMultiCellSolarHarvester

Integrated MAX20361Single-Cell/Multi-Cell Solar Harvester是一种完全集成的解决方案,用于从单细胞和多电池太阳能源收集能量。 该MAX20361包括一个超低静态电流(360nA)升压转换器,能够从输入电压低到225MV启动。 为了最大限度地利用从源中提取的功率,MAX20361实现了一种专有的最大功率点跟踪(MPPT)技术,该技术允许从可用输入功率的15μW到300mW以上的有效采集。 MAX20361的特点是集成充电和保护电路,是优化锂离子电池。 该装置还可用于超级电容器、薄膜电池或传统电容器充电。 该充电器具有可编程充电截止电压与阈值可编程通过一个I2 的C接口以及温度关断。 The Maxim Integrated MAX20361 Solar Harvester is available in a 12-bump, 0.4mm pitch, 1.63mm x 1.23mm wafer-level package (WLP). 特性 单电池/多电池太阳能收割机 225mV至2.5V(典型)输入电压范围 Efficient harvesting from 15μW...
发表于 10-23 19:06 8次 阅读
MAX20361AEWC+ MaximIntegratedMAX20361SingleCellMultiCellSolarHarvester

STM32WB55VGY6TR STMicroelectronics STM32双核多协议无线MCU

oelectronics STM32双核多协议无线微控制器 (MCU) 是一款超低功耗 2.4GHz MCU片上系统 (SoC)。STM32WB支持Bluetooth/BLE 5.0以及IEEE 802.15.4通信协议(在单一和并行模式下),满足各种物联网应用的需求。STM32无线MCU基于超低功耗STM32L4 MCU,它具有丰富灵活的外设集,设计用于缩短开发时间、降低开发成本、延长应用电池寿命以及激发创新。 STM32无线MCU的双核架构支持实时执行应用程序代码和网络处理任务。因此,开发人员可确保出色的最终用户体验,同时也能灵活地优化系统资源、功耗和材料成本。 Arm...
发表于 10-23 19:06 11次 阅读
STM32WB55VGY6TR STMicroelectronics STM32双核多协议无线MCU

NTP53321G0JTZ NXP Semiconductors NTP5312和NTP5332 NTAG® 5链路

miconductors NTP5312和NTP5332 NTAG® 5链路IC以面向未来的方式在设备和云端之间建立安全、基于标准的链路,为传感器供电以及满足其需求。符合NFC Forum协议的非接触式NTAG 5 IC的工作频率为13.56MHz,可由支持NFC的器件在近距离内读取和写入,以及由支持ISO/IEC 15693的工业读卡器在较长距离内读取。 通过NTP5312,配备传感器的系统的设计人员能够通过可配置为脉冲宽度调制器 (PWM) 或通用I/O (GPIO) 的有线主机接口添加一个NFC接口。NTP5332还具有I2C主器件特性以及AES相互身份验证功能。 NTAG 5链...
发表于 10-23 19:06 6次 阅读
NTP53321G0JTZ NXP Semiconductors NTP5312和NTP5332 NTAG® 5链路

T5818 TDKInvenSenseT5818多模数字MEM麦克风

venSense T5818多模数字MEM麦克风具有1.65V至1.98V电源电压范围、9µA睡眠模式电流以及3.5mm × 2.65mm × 0.98mm表面贴装封装。T5818是一款脉冲密度调制 (PDM) 麦克风,具有107dB至590µA动态范围,可在非常安静到非常吵的环境中实现出色的声学性能。数字接口允许利用单一时钟在一条数据线上对两个麦克风的PDM输出进行时间复用处理。TDK InvenSense T5818麦克风非常适合用于智能手机、麦克风阵列、平板电脑和相机。 特性 3.5mm × 2.65mm × 0.98mm表面贴装封装 扩展频率响应:40Hz至>20kHz 睡眠模式:9µA 四阶Σ-Δ调制器 数字脉冲密度调制 (PDM) 输出 兼容无锡/铅和无铅焊接工艺...
发表于 10-23 16:06 6次 阅读
T5818 TDKInvenSenseT5818多模数字MEM麦克风

MAX22702EASA+ Maxim Integrated MAX22700–MAX22702隔离式栅极驱动器

MAX22700–MAX22702隔离式栅极驱动器是一系列单通道隔离式栅极驱动器,具有300kV/μs(典型值)的超高共模瞬态抗扰度 (CMTI)。该器件设计用于驱动各种逆变器或电机控制应用中的碳化硅 (SiC) 或氮化镓 (GaN) 晶体管。所有器件均采用Maxim的专有工艺技术,集成了数字电流隔离功能。该器件提供具有各种输出选项的型号,包括栅极驱动器公共引脚GNDB (MAX22700)、米勒钳位 (MAX22701) 和可调欠压锁定UVLO (MAX22702)。另外还提供差分(D型)或单端(E型)输入型号。这些器件在电源域不同的电路间传输数字信号。该系列中所有器件均具有隔离功能,耐压等级为3kV/分钟。 所有器件均支持20ns的最小脉冲宽度,最大脉冲宽度失真为2ns。+25°C环境温度下的零件间传播延迟在2ns(最大值)Ð...
发表于 10-23 15:06 6次 阅读
MAX22702EASA+ Maxim Integrated MAX22700–MAX22702隔离式栅极驱动器

据说这道电路面试题难住大部分工程师,赶紧看看!

本文所选电路图为一家公司面试出的题,这道题本身并不太难,不过却能刷掉大部分不能胜任岗位的面试人员,大家赶紧看看吧。 电...
发表于 10-23 09:13 309次 阅读
据说这道电路面试题难住大部分工程师,赶紧看看!

用AD20绘制NSOP的芯片封装-PCB绘制-适用于其他双排类型的IC-详细过程-学习记录

NSOP封装PCB绘制-绘制记录一、以16NSOP为例,使用软件AD20. 1、封装命名参照图中格式。2、放置首个焊盘焊盘宽度比...
发表于 10-22 17:07 101次 阅读
用AD20绘制NSOP的芯片封装-PCB绘制-适用于其他双排类型的IC-详细过程-学习记录

ARM芯片的应用和选型

1.1 ARM芯核如果希望使用WinCE或Linux等操作系统以减少软件开发时间,就需要选择ARM720T以上带有MMU(memory mana...
发表于 10-22 10:59 101次 阅读
ARM芯片的应用和选型

HarmonyOS-Hi3516dv300官方SDK原理图及封装库Altium Designer格式,硬件工程师的福音!

附件里是官方Hi3516dv300,6层PCB导出的原理图及PCB封装,Altium Designer格式,大家可以下载后自行绘制属于自己的鸿蒙A...
发表于 10-17 16:20 165次 阅读
HarmonyOS-Hi3516dv300官方SDK原理图及封装库Altium Designer格式,硬件工程师的福音!

芯片失效分析探针台测试

芯片失效分析探针台测试简介: 可以便捷的测试芯片或其他产品的微区电信号引出功能,支持微米级的测试点信号引出或施加,配备硬...
发表于 10-16 16:05 0次 阅读
芯片失效分析探针台测试

开源资料自制一个光立方体

功能描述: 8*8*8光立方主控板,采用STC12C5A60S2单片机为主控芯片,驱动电路采用8个SN74HC573为驱动锁存器和ULN28...
发表于 10-15 10:44 606次 阅读
开源资料自制一个光立方体

邮票封装

各位大神,能发我一份邮票焊盘的封装吗?
发表于 10-13 14:04 31次 阅读
邮票封装

求助 我没有大神知道这个是哪个型号的芯片

有没有大神知道这个是哪个型号的芯片 小弟在此多谢啦...
发表于 10-12 21:13 50次 阅读
求助 我没有大神知道这个是哪个型号的芯片

求教一老芯片用什么接口写入,谢谢!

各位大侠!求教一老芯片用什么接口写入?有RST,RXD,CLK...
发表于 10-01 22:24 272次 阅读
求教一老芯片用什么接口写入,谢谢!

IGBT失效的原因与IGBT保护方法分析

IGBT的使用方法 IGBT绝缘栅双极型晶体管是一种典型的双极MOS复合型功率器件。它结合功率MOSFET的工艺技术,...
发表于 09-29 17:08 154次 阅读
IGBT失效的原因与IGBT保护方法分析

2N2484HR 2N2484HR高可靠NPN双极晶体管60 V 0.05甲

增益特性 密封封装 ESCC合格 欧洲优选零件清单 - EPPL 在2N2484HR是硅平面外延NPN晶体管专门为航天高可靠的应用而设计和容纳在密封封装。它符合ESCC 5000资格标准。它是ESCC根据5201-001规格合格。在此数据表和ESCC之间发生冲突的情况下,详细规格,后者占据上风。
发表于 05-20 11:05 50次 阅读
2N2484HR 2N2484HR高可靠NPN双极晶体管60 V 0.05甲