一颗5nm芯片总成本超2900元,不是谁都能玩得起的

2020-09-28来源: 雷锋网关键字:5nm  台积电

台积电2nm制程研发进度超前,业界看好其2023年下半年风险试产良率就可以高达90%。这对于业界而言既是好消息,也是坏消息。好的是,当下AI和手机等芯片可以凭借先进制程获得更好的能效比,进行更多创新。坏的是,先进制程芯片的成本给无晶圆芯片设计公司带来了巨大的压力。

 

See the source image


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。

 

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。

 

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?

 

关键字:5nm  台积电 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/qrs/ic511804.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:低级芯片是高级芯片淘汰下来的吗
下一篇:填补国内高端汽车核心芯片空白,芯驰科技完成A轮5亿融资

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

5nm工艺的麒麟9000性能到底怎样
9000,到底达到了怎样的水准呢? 5nm制程的5G旗舰级芯片 制程代表的是该芯片的制作水平,工艺水平越高,制作就越精细。从之前的28nm,到后来的16nm,再到现在普遍使用的7nm制程工艺,都表明了这这个行业的发展速度是如此之快速。 而华为麒麟9000则是使用的5nm制程工艺,这是当前最为先进的芯片制造技术,也就是说麒麟9000并非是一般的芯片制造商能制造出来的产品。 目前使用5nm芯片工艺制程的还有苹果12的A14处理器,未发布的骁龙875处理器,这两款处理器也是行业内的顶尖产品。通过这几年的发展,麒麟芯片虽然有了巨大的提升,但在性能上与这些大厂的顶尖产品确实还有着一定的差距。 
发表于 2020-10-26
<font color='red'>5nm</font>工艺的麒麟9000性能到底怎样
七大科技巨头让第四季度需求井喷
 综合中国台湾媒体报道,尽管华为海思 5nm 芯片代工在前三季度完成集中交货,第四季度在七大巨头的接力下,台积电 5nm 第四季度需求井喷。 这七大巨头除了大客户苹果直接包圆了华为空缺的产能,占比超过 50%,还有赛灵思、超微(AMD)、联发科、博通、比特大陆、英特尔。  据悉,5nm 制程在第三季度已经占到台积电营收的 8%,增长迅速。台积电预计随着四季度需求爆发,5nm 在全年营收比重也将达到 8%。预计到 2021 年,占营收比重高达 20%。 据悉,台积电更先进的 4nm 和 3nm,也将在 2022 年开始量产。
发表于 2020-10-19
七大科技巨头让第四季度需求井喷
5nm产能让台积电预计四季度营收再破纪录
据国外媒体报道,芯片代工商台积电发布了三季度的财报,营收121.4亿美元,创下新高,净利润同比大增35.9%。  虽然台积电的营收在三季度超过120亿美元、创下了新高,但他们预计四季度会更高。 台积电目前已对财报进行了更新,加入了对下一季度的业绩预期。 在更新后的财报中,台积电预计四季度的营收在124亿美元到127亿美元之间,毛利润率预计在51.5%到53.5%之间。 如果台积电的营收达到他们预计的水平,也就意味着他们四季度的营收将超过三季度,再次创下新高。 在四季度,台积电采用5nm工艺为苹果代工的A14处理器将大规模出货,随着产能的提升,5nm工艺的营收会更高,而他
发表于 2020-10-16
<font color='red'>5nm</font>产能让台积电预计四季度营收再破纪录
三星自产5nm旗舰芯片Exynos 1080即将问市,挑战骁龙875
根据此前官方透露的消息,高通将于12月1日举行2020高通骁龙技术峰会,届时明年主流旗舰首选的全新5nm骁龙875旗舰平台将正式亮相。不过它并不会是唯一的王者,不出意外的话,三星也将于同期推出自家的全新5nm旗舰芯片——Exynos 1080。现在有最新消息,近日三星Exynos官微已开始正式为其进行预热。  根据三星Exynos官方微博最新发布了主题为“激发创新进取 剑指2030”的视频,此次座谈会由三星电子系统LSI事业部携旗下移动芯片品牌三星Exynos发起。视频中三星半导体中国研究所所长潘学宝宣布,三星下半年将会发布拥有旗舰级性能的Exynos 1080芯片。毋庸置疑,该芯片自然就由明年初的全新三星
发表于 2020-10-14
三星自产<font color='red'>5nm</font>旗舰芯片Exynos 1080即将问市,挑战骁龙875
安卓阵营最强处理器面世:首款5nm Cortex-A78处理器
进的,在 CPU、GPU 架构方面,分别采用了 Cortex-A78 和 Mali-G78,均是最先进的架构,有着诸多的领先和突破。  这款 SoC 基于 5nm 工艺制程打造,采用了四颗 Cortex-A78 大核搭配四颗 Cortex-A55 小核,GPU 为 Mali-G78,这是全球首款 5nm A78 旗舰芯片。 跑分方面,目前安兔兔统计到的成绩为 693600,其中 CPU 成绩为 181099、GPU 成绩为 297676、MEM 成绩为 115169、UX 成绩则是 99656。这一总分已经超过了目前最强的骁龙 865 Plus,成为安卓阵营最强悍的 5G
发表于 2020-10-13
安卓阵营最强处理器面世:首款<font color='red'>5nm</font> Cortex-A78处理器
中兴通讯:5G基站等主控芯片已实现7nm商用,5nm尚在实验中
10月11日,在第三届数字中国峰会上,中兴通讯副总裁、MKT及方案政企部总经理李晖表示,在5G无线基站、交换机等设备的主控芯片上,中兴自研的7纳米芯片已实现市场商用,5纳米还在实验阶段。李晖表示,很多人之前并不了解中兴在芯片、操作系统的自主创新发展,以前我们都是自用。实际上我们投入了大量的人员在搞研发,比如成都有近4000人在研发自主操作系统。据悉,中兴通讯的7纳米和5纳米芯片均为5G基站用的芯片。中兴也是中国当前量产7纳米导入5纳米的企业。早在今年7月,中兴通讯回应过有关7nm、5nm半导体芯片的传闻,其表示,在芯片设计领域,中兴通讯专注于通信芯片的设计,并不具备芯片生产制造能力。在专用通信芯片的设计上,公司有20多年的经验积累
发表于 2020-10-12
小广播
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2020 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved