5nm芯片战争即将打响

来源：半导体行业观察

进入2020年第三季度，台积电5nm芯片开始大规模量产，该产能也成为了众IC设计大厂争夺的目标。据悉，高通、AMD、联发科、NXP等客户纷纷加速转向5nm制程工艺，而且，后续5nm订单还在不断涌入台积电，因此，该公司还在不断扩充5nm产能，目前的产能是6万片晶圆/月，南科工业园的Fab 18工厂P3工程将于今年第四季度量产，明年第二季度P4工程还会进一步增加约1.7万片晶圆/月。据悉，随着这些工厂的扩产，台积电的5nm产能将从目前的6万片晶圆/月，提升到接近11万片/月。

而作为台积电唯一的对手，三星的5nm量产步伐有些滞后。为了加快追赶的脚步，三星今年在5nm产能建设方面又有新动作。今年2月，三星宣布华城厂的7nm产线开始量产，且同样在该厂的5nm产线预计今年下半年投产。

就在台积电宣布投资120亿美元赴美设厂后不久，5月21日，三星宣布位于首尔近郊京畿道平泽市的全新12吋晶圆厂已经动工，预计2021下半年投产，将是运用EUV设备的5nm制程产线。

本周，韩国媒体ZDNetKorea报道称，三星电子今年底将开始量产采用5nm制程的新一代手机应用处理器（AP）产品，除了用5nm制程制造应用处理器外，三星电子也将采用5nm制程量产手机调制解调器（基带）芯片。

报道指出，三星电子将用5nm制程量产高通的骁龙875，以及5G基带芯片骁龙X60，另外，还有三星自家的处理器Exynos 1000等产品。如果三星电子能按计划从今年下半年开始大规模生产5nm制程芯片，将可以进一步缩小与台积电的技术差距。

你争我夺

实际上，高通的先进制程芯片一直在台积电和三星这两家产线之间择优选用，以骁龙875和骁龙X60为例，今年早些时候有消息显示，高通的5G芯片订单，特别是基带芯片X60，除了由台积电代工之外，还有一部分交由三星生产。

按照惯例，高通将会在今年12月发布旗下最新的旗舰手机处理器骁龙875。作为高通主要面向明年安卓旗舰机型推出的处理器产品，骁龙875将会基于5nm制程工艺。今年早些时候，91Mobiles率先曝光了这款处理器的详细信息。骁龙875将会和骁龙X60 5G基带芯片，以及新的射频系统搭配，骁龙875处理器在高通内部的开发代号为SM8350。

爆料指出，骁龙875处理器将会拥有基于ARM v8 Cortex架构的Kryo 685 CPU，但目前还不能确定骁龙875采用公版架构还是会进行修改；支持毫米波以及sub-6GHz 5G网络；拥有Adreno 660 GPU、Adreno 665 VPU（视频处理单元）、Adreno 1095 DPU（分散处理单元）、高通安全处理单元（SPU250）、Spectra 580图像处理引擎、骁龙传感器核心技术、升级的Hexagon DSP、四通道LPDDR5、WCD9380和WCD9385音频编解码器。

除了高通订单之外，三星自家的Exynos 1000也会采用5nm制程，据悉，该手机处理器采用了RDNA GPU技术，RDNA GPU技术是去年6月AMD授权给三星的，用以取代现有的Maili GPU。

再有，今年4月，谷歌宣布与三星合作打造自研芯片，据外媒报道，谷歌自研的SoC已经流片，将有望在Pixel系列手机上使用。这颗芯片代号叫“Whitechapel”，搭载的是8核CPU，采用三星5nm制程工艺。

与三星的5nm订单相比，台积电丰富得多，目前，除了华为海思之外，约有7个客户在排队等候台积电的5nm产能，包括苹果、高通、AMD、英伟达、联发科、英特尔、比特大陆。下面来看一下这些即将出炉的5nm芯片情况。

首先，海思的麒麟9000是台积电为华为赶制的5nm芯片，将用于下个月发布的Mate40手机。考虑到7nm FinFET Plus EUV 麒麟990 5G集成了高达103亿个晶体管，麒麟9000使用5nm工艺，其每平方毫米可能有多达1.713亿个晶体管。该芯片可能会采用Cortex A77架构，性能表现上将比麒麟990系列至少快30%，同时也更加省电。

苹果是台积电最大客户，据悉，该公司基于5nm的A14处理器，除了拥有更多的晶体管和更高的峰值时钟速率外，苹果还在架构上进行了改进，预计其单核性能会提升不少。

相较于单核性能，A14的多核性能存在更多变数。首先是因为制程工艺的升级，晶体管密度能够大幅提升，苹果或许会增加第三个大核，或者大幅改进小核心的性能，来提升多线程性能。

图形性能上，A13处理器相较于A12有跳跃式提升，在3DMark Sling Shot Extreme Unlimited测试中，从A12的4000分左右直接跳到了6500分左右。而对于A14处理器的图形性能，根据趋势曲线估计会在7000分左右。但是，MacWorld表示除非出现了新的性能瓶颈，否则A14图形性能将可能超过9500分。

MacWorld认为，得益于升级的5nm制程工艺，苹果将会增加Neural Engine内核，并且可能进行架构升级，以带来更好的神经引擎性能升级。

台积电的另一大客户是AMD，该公司的订单量增速迅猛。据悉，AMD的Zen 4架构CPU有望在2021年推出，将采用台积电的5nm工艺制造。这将是业界首个5nm制程的x86处理器。而Zen 4架构的EPYC霄龙处理器的发布时间将会在2021年或者2022年初。Zen 4对AMD来说至关重要，因为代号为“热那亚”的数据中心处理器将会采用全新的SP5接口，新的接口将显著改变处理器的I/O，并支持新的DDR5内存标准和PCIe 5.0标准。

今年3月，AMD公布了GPU发展路线图，不仅包含了去年夏天发布的Radeon RX 5700 XT RDNA，还阐述了RDNA 2和RDNA 3。其中，RDNA 3在功能方面能够得到的消息还比较少，但从整体目标来看，AMD仍然希望能够持续提高每瓦功率性能，功耗仍然是GPU总体性能的瓶颈，而更先进的制程工艺有助于提升功率效率。鉴于即将发布的RDNA 2可能不再局限于台积电的EUV 7nm+工艺，那么RDNA 3可能会采用台积电6nm或者5nm工艺。

另外，有消息称，英伟达下一代Hopper GPU已经预订了台积电的5nm制程。AMD积极采用7nm制程的做法使英伟达感受到了压力，作为应对方案，他们已经为Hopper GPU预订了台积电2021年的5nm产能。

此外，联发科的D2000也将在第四季度开始在台积电5nm产线投片，而英特尔自研的Xe架构GPU也很有可能于明年通过台积电的6nm或5nm制程生产。

3D封装跟进

5nm不仅对晶圆加工设备提出了很高要求，相应芯片生产出来以后，后续的封装水平也必须能够满足越来越高的要求。因此，无论是三星，还是台积电，都陆续推出了3D封装工艺，以应对5nm，以及之后的4nm、3nm客户要求。

近期，三星公布了自家的3D封装技术，名为X-Cube，可用于7nm及5 nm制程。据悉，“X-Cube”取自英文eXtended-Cube 的缩写。

X-Cube利用TSV 硅穿孔封装，可让多个芯片进行堆叠，制造出单一的逻辑芯片。三星在7nm制程的测试过程中，成功利用TSV 技术将SRAM 堆叠在逻辑芯片顶部，这也使得在电路板的配置上，可在更小的面积上装载更多的存储单元。该3D封装技术的优点还包含芯片间的信号传递距离更短，以及将数据传送、能量效率提升到更高水平。

三星称，X-Cube可让芯片工程师在进行客制化解决方案的过程中，能享有更多弹性，也更贴近他们的特殊需求。

三星表示，X-Cube已经在其自家的7nm和5nm制程上通过验证，计划和IC设计客户继续合作，推进3D封装工艺在下一代高性能应用中的部署。

台积电方面，几年前就推出了2.5D封装技术CoWoS，之后也陆续发布了3D封装技术。本周，该公司推出了一种晶圆级系统集成平台技术。

该技术平台包含了CoWoS和InFo这两种封装技术。据悉，该技术已经被广泛应用到智能手机、数据中心、人工智能训练等上百种产品上。在这个平台上，还有一个比较新，更具弹性的SoIC 3D堆叠技术，如F2F、F2B，CoW、WoW、LoL，以及LOM等。在芯片制造的前道工序实现。通过这项技术，能够实现芯片之间更紧密的连接。

与此同时，台积电发布了全新的3D Fabric，它将SoIC、InFO、CoWoS等3D IC平台整合在了一起，这是代表台积电最先进的系统级晶圆集成平台。这一新的命名能简单表达制程整合的次序。例如前道整合，分别展现了芯片堆叠在晶圆、或者晶圆堆叠在晶圆上面。

结语

5nm制程工艺量产已经铺开，随着推进脚步的加快，无论是甲方，还是乙方，在接下来的一年时间内，预估对相应产能的争夺将趋于白热化。