台积电为什么对Exynos 处理器系列普及程度下降？

本文对来自不同公司、采用不同制造工艺的智能手机处理器进行了比较，本来打算以张贴栏的方式发出来，后来随着信息内容的增加，我把它写成了一篇文章。本文的比较对象最大程度地包括了苹果 A 系列、华为麒麟和三星 Exynos 处理器，在一些比较中还包含了一些高通骁龙处理器。

制造工艺

文中进行比较的处理器均来自三星和台积电制造，其制造工艺从 14/16 纳米开始，一直下探到 7 纳米的 EUV 版本。

比较内容

对不同公司处理器的裸片宽度和裸片高度进行比较。在工艺比较中将用到晶体管密度（仅某些处理器有可用数据）数据。

智能手机处理器芯片尺寸

图 1 分别绘制了三星、华为和苹果的智能手机处理器的芯片尺寸变化趋势及其所使用的不同工艺。

图 1. 三星（左）、华为（中）和苹果（右）的芯片尺寸变化趋势和工艺

对于三星而言，7LPP 工艺的的推出使其处理器的裸片高度得以降低。但是，出乎意料的是，在这里所有处理器中，其裸片面积 91.83 平方毫米并不是最小的。在 7 纳米处理器中，处理器面积最小的是采用台积电第一代 7 纳米工艺制造的骁龙 855（73.3 平方毫米）。当然，骁龙 835 的尺寸更小，仅为 72.3 平方毫米，但它采用的是三星 10 纳米（LPE）制造工艺，晶体管密度更低。另一个 7 纳米 EUV 处理器 - 台积电生产的华为麒麟 990 5G，它的裸片尺寸也有所提升（113.3 平方毫米），但这可以归因于处理器设计了一些新功能。

裸片宽度不会随着先进工艺而下降。如稍后将详细讨论的那样，这将是使用 EUV 工艺带来的一个问题。随着单元轨道高度的降低，光照旋转的影响将变得更加明显。

晶体管密度

图 2 绘制了华为和苹果处理器的晶体管密度及其工艺。

图 2. 华为（左）和苹果（右）的晶体管密度与工艺。

这里最大的意外是，台积电的 7 纳米 EUV 工艺的的晶体管密度并非最高。在所示的麒麟处理器中，麒麟 980 的密度最高（93.1 MTr / mm2），高于麒麟 990 5G 的 90.9 MTr / mm2。另一个超过该值的处理器是骁龙 855，其密度为 91.4 MTr / mm2。

台积电的第一代 7 纳米工艺实现了迄今为止 7 纳米尺度上最高的密度和最小的芯片尺寸。实际上，台积电 7 纳米工艺的高密度轨道高度（240 纳米）比三星的 7 纳米 EUV 工艺（243 纳米）要短。 Exynos 990 实际上使用了 270 纳米的高性能轨道高度。这些实际上抵消了较小金属间距的潜在好处。

随着向 5 纳米的迈进，尤其是随着 6 轨道单元的问世，轨道高度有望进一步降低。

轨道高度降低对 EUV 的影响

三星的 7 纳米 EUV 工艺可提供 270 纳米（7.5 轨道）和 243 纳米（6.75 轨道）的 cell 高度。延续的 5 纳米工艺提供了 216 纳米（6 轨道）单元高度。之所以认为三星 5 纳米是其 7 纳米工艺的延续，是因为最小金属间距没变，继续保持在 36 纳米。最小金属间距对 EUV 工艺有很大的影响，因为它设置了首选的光照角度（精确地为正弦值=0.1875 对应的角度）。但是，该角度会在整个裸片上旋转，距中心 13 毫米处时最大旋转角度达到 18.2 度。由于图 1 中所示的三星 Exynos 处理器的芯片宽度一直在 10.7 毫米左右，因此，在芯片边缘处的最大旋转角度应该是 7.5 度（= 18.2 度 x 5.35 毫米 / 13 毫米）。对于 36 纳米的间距而言，其影响并不是那么深远，而对于真正的间距 - 轨道高度 - 而言，这个影响就不可小觑了。随着作为间距的轨道高度的变大，会产生更复杂的衍射级谱。通常，第 0 阶和第 1 阶之间的相位差不会受到 x 方向入射角“阴影”的明显影响，但是光照旋转会对此产生影响（图 3）。

图 3. 7.5 度光照旋转角对 243 纳米轨道高度（顶部）和 216 纳米轨道高度（底部）的影响。旋转时，散焦会在整个光瞳上产生较大范围的相位误差（x 方向上的不同角度平铺）。因此，芯片边缘的图案更容易失焦。

6 轨道或 6.75 轨道单元中的线在芯片边缘更容易失焦。这种影响不仅随着最小金属间距的减小更为严重，而且会随着轨道高度的减小变得更为严重，这是由于较小间距的连续阶之间的路径差异较大。

将来会发生什么

现在，台积电已经中断了对华为的供应，所以华为有可能不得不借助中国大陆本土的晶圆代工厂，比如中芯国际。由于中国大陆的制造工艺还没有达到“ 7nm”阶段，所以它可能会首先尝试在中国复制麒麟 980。同时，苹果和高通将继续在台积电的 7 纳米“ P”工艺上取得成功。三星方面，随着 Exynos 处理器系列普及程度的下降，三星处理器可能会切换成非定制的 ARM 内核设计，这种切换能否使三星自家的处理器设计恢复活力还有待观察。如果不能，三星的手机仍然可以使用高通的骁龙处理器。
责任编辑:pJ