“传说”中的5nm芯片有多强

2020-05-12来源: 半导体行业观察关键字:5nm芯片  TSMC
台积电5nm即将量产,今年这部分订单已经被苹果和华为海思预定了。包括高通、联发科、博通、AMD、英伟达、赛灵思等大客户,均已展开5nm芯片设计,预计明、后两年开始陆续进入量产阶段。


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不久前,台积电总裁魏哲家在法说会中指出,采用台积电5nm完成的芯片设计定案(tape-out)数量将比7nm量产初期的同时期还要高,5nm将成为台积电继7nm之后、另一个重大且具有长生命周期的制程节点。预估5nm今年营收占比将达到10%。

两大客户分食2020年5nm产能


今年下半年,台积电5nm逐步进入规模量产阶段,主要是为苹果代工A14应用处理器,以及为华为海思代工麒麟1000系列5G手机处理器。

A14应用处理器

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。根据A11、A12、A13整理的函数方程,A14的多核性能GB5的跑分为4500左右。但是MacWorld表示结合时钟速率以及架构变化,实际多核性能有望达到5000分。

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。

A14X处理器

今年3月,数码爆料人Jon Prosser在推特发文表示,5G版iPad Pro有望年底发布,将搭载A14X处理器。

据悉,A14X处理器将基于台积电5nm打造,晶体管规模可能高达150亿个。

麒麟1000

据悉,今年华为Mate 40将搭载麒麟1000芯片,该芯片基于台积电5nm制程,考虑到7nm FinFET Plus EUV 麒麟990 5G集成了高达103亿个晶体管,如果麒麟1000使用5nm工艺,那么其每平方毫米可能有多达1.713亿个晶体管。

麒麟1000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。

还有一种说法是:华为海思今年会推出基于5nm制程工艺的麒麟1020,预计第三季度上市。麒麟1020将采用ARM Cortex-A78架构,麒麟1020每平方毫米也可容纳1.713亿个晶体管,其性能较麒麟990提升50%。麒麟1020处理器将由华为Mate 40/Pro系列手机首发。

网络处理器

由于中国大陆正在大规模进行5G基础设施建设,这给华为带来了巨大商机,海思自研的基站芯片有了更大的发挥空间。据悉,海思最新的网络处理器芯片也将采用台积电的5nm制程,并于今年下半年量产出货。

传说中的5nm芯片


今年只有苹果和华为两大客户,但2021和2022年,随着台积电5nm工艺的成熟,产能的增加,后面排队的另外几个大客户也将进场。例如,高通新款5G手机芯片骁龙875及X60基带芯片,英伟达新一代Hopper架构GPU芯片,AMD的Zen 4架构CPU,以及RDNA 3架构的GPU等,也将采用台积电5nm生产。此外,业界盛传英特尔也会成为台积电5nm客户。

骁龙875和X60芯片

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将会基于台积电5nm制程工艺。不久前,91Mobiles已经率先曝光了这款处理器的详细信息。

曝光的信息显示,骁龙875将会和骁龙X60 5G基带芯片,以及新的射频系统搭配,关于X60,有消息称将会由台积电和三星5nm工艺打造。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。

爆料人称,骁龙875将是该公司首款采用X60 5G基带的芯片组,但目前尚不清楚它是集成还是外挂式的。

Zen 4架构CPU

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。

AMD的Zen 3处理器将于2020年底或2021年初发布,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。

RDNA 3架构GPU

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可能会更激进的考虑采用台积电6nm或者5nm。

网络处理器

今年3月,博通宣布与台积电在CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)方面深入合作,用于制造其最先进的网络处理器。

据悉,台积电和博通将支援业界首创且最大的两倍光罩尺寸(2X reticle size)之中介层,面积约 1,700 平方毫米。该CoWoS 中介层由两张全幅光罩拼接构成,能够大幅提升运算能力,借由更多的系统单芯片来支援先进的高效能运算系统,以发挥台积电5nm制程工艺的优势。

Hopper架构GPU

有消息称,英伟达下一代Hopper GPU已经预订了台积电的5nm制程。目前,AMD正积极地采用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。

其它

另外,2021年苹果的A15应用处理器,华为海思将于明年推出的麒麟1100,及其最新的服务器AI和Arm芯片,也会采用台积电的5nm制程工艺。当然,2021年用的是升级版本的5nm制程,且产能也会大增。

再有,2021年,联发科很可能会推出天玑2000系列5G芯片,将采用台积电的5nm制程。而英特尔近些年一直与台积电有合作,一些非核心CPU芯片,如AI处理器等,则交由台积电代工生产,明年,随着台积电5nm产能上量,到时英特尔自研的Xe架构GPU也有望落地,这部分芯片交由台积电代工的概率也很大。

三星阵营


除了台积电,三星是另一家有能力量产5nm的厂商。最近,该公司宣布其5nm开始量产,并抢下了高通和英伟达的订单。不过,业界普遍认为,三星晶圆代工的5nm产能及良率在下半年仍然难以追上台积电,台积电有信心成为今年唯一能提供5nm量产的晶圆代工厂。

Exynos 1000

近期,三星新款处理器Exynos 1000曝光了。与三星其他处理器不同,这款产品采用了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。

据悉,Exynos 1000将会在今年底或明年初发布,采用5nm制程工艺。

Whitechapel

今年4月,谷歌正式宣布和三星打造自研芯片,据外媒Axios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。

另外,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,还有一部分交由了三星生产。

结语


今年是5nm制程量产元年,明年将会实现更大规模的量产。到了2022年,除了以上提到的,还将会有更多的先进芯片涌现,由于产能相对稀缺,到时候,台积电和三星的争夺战肯定更加有看头。


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