巨头芯片制程之争:摩尔定律快碰天花板,5nm之后去往何方?

继苹果、华为的5nm芯片揭幕后，另外两家芯片巨头三星、高通的5nm芯片业的发布日期将分别在11、12月到来。

作为人类迄今能达到的集成度最高的芯片制造工艺，5nm制程最多可实现每平方毫米集成1.713亿个晶体管；同样基于移动处理器架构Cortex-A77，5nm芯片性能或能比7nm产品提升50%！

对于以降低功耗、提升性能为目标的智能手机处理器产业来说，5nm芯片制程成为其必须抢占的“高地”。在这一产业窗口期，芯片设计、制造工艺成为5nm芯片商用落地的关键。

目前，全球手机SoC芯片市场排名前五的高通、联发科、三星、苹果、华为海思均已针对5nm进行布局。随着三星、高通旗舰芯片发布时间临近，在5nm这条赛道上，全球手机SoC芯片设计界的“五大巨头”已然集齐其四。

把目光投向产业链上游，为4款5nm芯片代工的“山头”上，则主要是台积电和三星各自圈地。

7nm、5nm、3nm……芯片制程越先进，单位面积晶体管数目越多，就越逼近物理体系的极限。随着各家产品正式亮相，5nm芯片已然从一个摩尔定律的“传说”，进入市场即将刺刀见红的新局面。不消说，随着搭载4款芯片的手机进入消费市场，5nm芯片的战况，将愈加激烈。

然而，在5nm芯片商用赛道的起跑线上，蠢蠢欲动者远不止苹果、华为、三星、高通四家；而在5nm芯片代工赛道上，台积电、三星同样打得难舍难分。

在四款5nm芯片闪亮登场的背景板中，美国一纸禁令缚住华为手脚、摩尔定律触顶之下制程发展遇阻……还有种种因素正导致这场关于手机SoC的恒久战役往不确定的方向滑去……

今天，芯东西与你一起拨开迷雾，走进这场手机芯片之战的风暴眼——5nm芯片商用赛道的真实情况。

一、手机SoC设计之争：四巨头抢跑，谁还在排队？

作为目前可量产的最先进制程，5nm芯片已成为大部分芯片设计玩家追逐的目标。而其中最为人瞩目的部分莫过于手机芯片设计玩家的比拼。一方面，各家5nm芯片的性能，直接关系到手机性能，因此成为消费者最关注的话题之一；另一方面，作为现有可量产的最先进制程，5nm产能必将被手机厂商追逐和瓜分。

高通曾预计，2021年全球5G手机出货量将达到4.5亿部，数量相比2020年直接翻倍。面对骤增的市场需求，苹果/华为/三星/高通四家抢跑，剩余的联发科、紫光展锐等玩家也已做好热身。

1、苹果A14&华为麒麟9000：10月份尘埃落定

苹果、华为自研的5nm芯片先后在10月份发布，并分别落地于苹果iPhone 12系列手机、华为Mate 40系列手机。

集成度方面，麒麟9000晶体管数目比A14芯片多出30%。苹果A14集成118亿晶体管，华为麒麟9000集成153亿晶体管。

架构方面，苹果A14芯片采用6核心CPU、4核GPU；华为采用8核CPU、24核GPU。

要指出的是，由于美国对华为获取芯片技术的限制，华为麒麟9000是基于Arm上一代旗舰架构Cortex-A77进行设计的，而苹果、三星、高通均可以获得Arm最新IP授权。从网传三星猎户座1080、高通骁龙875的架构情况来看，这两款芯片均基于Arm最新的Cortex-A78进行设计。

另外，麒麟9000内置了华为自研基带芯片巴龙5000。相比之下，A14芯片是外挂高通的X55基带芯片。

据中国台湾《联合新闻网》发布的iPhone 12拆解文章，A14芯片确认外挂高通X55基带芯片，但暂无法得知苹果是直接采用高通完整设计，还是采用客制版产品。

两款芯片的综合性能对比可参考跑分平台GeekBench透露的数据：搭载麒麟9000的华为Mate 40系列某机型跑分为单核1016，多核3688；搭载A14的iPhone 12跑分为单核1593，多核3893。

2、三星猎户座1080&高通骁龙875：抓住2020的尾巴

紧跟着苹果、华为步伐，三星、高通计划乘上2020的“末班车”，分别计划于11月、12月推出5nm芯片。

其中，三星11月2日通过微博官宣，将于10天后（11月12日）在中国上海为猎户座1080芯片举办发布会。这也是三星首次专门为一款处理器举办发布会，三星对猎户座1080的重视由此可见一斑。

根据外媒信息，猎户座1080 CPU部分将采用4颗Arm最新Cortex-A78核心和4颗Cortex-A55核心。相比之下，三星上一代旗舰芯片7nm猎户座9825 CPU采用2颗定制M4核心、2颗Cortex-A75核心、4颗Cortex-A55核心。

据跑分平台GeekBench，7nm制程的猎户座1080跑分为单核1040，多核3017。

各大手机厂商中，华为、三星、苹果对旗舰手机SoC各有自己的匠心设计，剩余的小米、OPPO、vivo等一众玩家，则瞄准了高通的5nm芯片。早在今年10月份，高通就曾官宣将在12月1～2日发布5nm旗舰芯片骁龙875。

根据泄露的信息，高通骁龙875采用8核CPU、搭载自研的Adreno 660 GPU，并将集成骁龙X60 5G基带。

GeekBench平台数据显示，一款据猜测为搭载骁龙875的小米新机，跑分数据为单核1105，多核为3512。

为保证客观，芯东西还搜集跑分平台安兔兔透露的苹果、华为、三星、高通5nm芯片跑分情况，并与四家公司7nm芯片跑分对比，制图表如下：

3、联发科、紫光展锐正在“热身”

四家设计巨头各自在旗舰机SoC市场划分地盘，相比之下，联发科、紫光展锐等玩家则瞄准了中低端机市场，亦在5nm芯片商用的赛道起点开始热身。

作为全球排名第二的手机芯片设计玩家，联发科主要面向中低端手机市场。今年以来，联发科的5nm研发计划同样引起市场关注。

先是有消息称，联发科专门为华为打造了基于5nm工艺的5G高端平台。但随着美国对华为禁令的影响逐渐扩大，九月初又传出联发科将“取消基于5nm工艺的5G高端平台研发计划”。

对此传言，联发科官方下场辟谣，称5nm芯片正按计划推进，不会因为单一客户而更改产品计划。

10月31日，数码博主@数码闲聊站爆料，联发科正开发两款芯片mtk6893、mtk6891，将采用全新5nm/6nm工艺，进度快于去年。考虑到这位博主曾多次押准手机产业链消息，有关联发科5nm芯片的消息也较为可信。

紫光展锐方面，今年二月份推出了基于6nm EUV工艺的虎贲T7520芯片，并将于今年年底实现虎贲T7520量产。按照这一计划，推出5nm芯片应当也在紫光展锐计划之中。

二、工艺比拼：都是5nm，台积电集成度更高

这边厢，5nm手机芯片设计玩家龙争虎斗，不论四家巨头排位如何，都不会影响产业链上游的5nm芯片制造商吃进订单。而那边厢，尽管5nm芯片制造商仅有台积电和三星寥寥两家，但同样打得难舍难分。

有趣的是，目前率先商用的5nm芯片的四家中，苹果A14和华为麒麟9000均是由台积电代工，将在接下来推出的三星猎户座1080、高通骁龙875则是基于三星5nm工艺。

早在2019年，三星宣布完成5nm芯片研发，计划在2020年第二季度实现5nm芯片的量产。现在2020年已经进入第四季度，由台积电代工的两款5nm旗舰芯已经落地，而三星代工的5nm芯片却“赶了晚集”。

具体到产品性能，尽管三星5nm制程芯片还未正式发售，但业界有消息称，台积电的5nm芯片产品集成度更高。

中国台湾《经济日报》曾援引台积电内部消息称，台积电5nm制程试产结果显示，其晶体管是7nm制程的1.8倍。相比之下，三星5nm制程相比7nm制程，晶体管数仅增加二成，且台积电产品在功耗等方面均更有优势。

两家公司对更先进制程的规划方面，今年7月份，三星宣布将跳过4nm工艺，直接从5nm工艺切进3nm工艺。

今年8月26日召开的“2020世界半导体大会暨南京国际半导体博览会”上，台积电（南京）有限公司总经理罗镇球透露，台积电预计在明年批量生产4nm芯片，在2022年批量生产3nm芯片。

两家公司的计划将会怎样推进？推进结果如何，这些问题只能留待时间回答。

三、先进制程之争：摩尔定律快碰天花板？5nm之后去往何方

AI、5G、海量数据……种种因素推动之下，对计算的需求日益增长，呼唤着芯片制程往更高集成度的方向发展而去。这一背景下，一方面，5nm芯片纷纷落地；而另一方面，关于摩尔定律逼近极限的隐忧仍在盘旋。

就在5nm芯片商用战火燃起，台积电、三星正在5nm赛道上短兵相接的关键时刻，昔日能与它们争辉的另一大芯片代工玩家英特尔已经黯然离场。

今年7月24日，英特尔在2020年第二季度财报中宣布，将其7nm CPU的发布推迟6个月，也就是说，7nm CPU要到2022年下半年或2023年初才会首次在市场上亮相。英特尔CEO Bob Swan称，其7nm CPU延迟是因为一种“缺陷模式”。

作为芯片代工领域的先行者和曾经的领先者，英特尔作出推迟7nm芯片的决定，几乎印证了人们对更先进制程难以实现的担忧。

目前来看，台积电、三星均利用FinFET（鳍式场效晶体管）工艺生产5nm芯片，即垂直利用空间、将场效应管立体化。

但是，随着制程推进到5nm节点，FinFET工艺对先进制程的支持面临瓶颈。

对此，学术界提出了一种全新的芯片生产工艺GAA MCFET（多桥通道 FET），即将芯片晶体管内部的硅通道全都用栅极材料包围，以增加晶体管的密度、降低功耗、进一步增加沟道的缩放潜力，进而提高芯片性能。

GAA也被视为是实现3nm芯片制程的关键工艺，目前台积电、三星均已开始相关研究。

从7nm到5nm，一年时间过去，先进制程追赶之路上已然发生微妙的变化。未来先进制程竞争之路上，谁将成为领先者？达到更先进的制程要求另辟蹊径，或许也为昔日的落后者带来弯道超车的机会。

结语：谁能笑到最后？

对摩尔定律将死的“预言”已经流传多年，芯片制程仍向更高集成度步步逼近。2020年在不知不觉中步入尾声，苹果、华为、三星、高通四大手机SoC设计玩家的5nm产品均将在第四季度揭幕。

目前，苹果、华为的5nm芯片产品已经分别在自家的旗舰手机中商用。相比两位领先者，三星、高通将打出怎样的王牌？在接下来的11月12日、12月1日，答案将浮出水面。
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