散熱性能其實一碼事:小晶片里有大門道

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2017-07-04 05:41:00 作者:李澤卿

今年6月份,晶圓代工龍頭企業TSMC(台積電)召開了股東常會,揭露了先進位程技術的最新進展。其中,7nm已經在今年四月開始試產,預期良品率改善將相當迅速。5nm工藝則預計於2019年上半年試產,如今也已擇地準備建廠了。

半導體行業離我們似乎很遙遠,FinFET是什麼東西,EUV又是什麼新技術,每次看到這種相關的新聞都讓我們如同雲裡霧裡,不知所謂。其實它離我們很近,無論是FinFET還是EUV都是為了完善製程工藝所做的努力。而一款處理器的性能表現、散熱效率、功耗等等都和製程息息相關。

今天,筆者就從製程談起,聊聊手機處理器的這些事。

16nm、10nm,這些數字到底是啥?

說起這個話題,我們要先搞清楚什麼是製程。那些20nm、16nm什麼的到底代表了什麼。其實這些數值所代表的都是一個東西,那就是處理器的蝕刻尺寸,簡單的講,就是我們能夠把一個單位的電晶體刻在多大尺寸的一塊晶片上。

手機處理器不同於一般的電腦處理器,一部手機中能夠給它留下的尺寸是相當有限的。蝕刻尺寸越小,相同大小的處理器中擁有的計算單元也就越多,性能也就越強。這也是為何廠商會頻繁強調處理器製程的原因。

同時,因為隨著頻率的提升,處理器所產生的熱量也隨之提高,而更先進的蝕刻技術另一個重要優點就是可以減小電晶體間電阻,讓CPU所需的電壓降低,從而使驅動它們所需要的功率也大幅度減小。所以每一代的新產品不僅是性能大幅度提高,同時還有功耗和發熱量的降低。

綜合以上,可以發現處理器的製程對於手機十分重要,更高的性能帶來更流暢的遊戲體驗,而一個保持正常溫度的機身更是能保證大家擁有一個良好的使用體驗。一次製程的升級,帶來了散熱效果與計算性能的雙重提升。

無論什麼電子產品,CPU都稱得上是核心部件

手機製程的發展和性能永遠在一起

所以手機性能不斷提升的今天,半導體行業功不可沒。從32nm的Exynos 4412到如今10nm的Exynos 8895才過去了不到5年,可是手機的性能提升卻是數以倍計的。螢幕解析度的提升,鏡頭像素的提升,這些其實都與手機性能息息相關。只有更高的運算速度支持,我們才能支持更大解析度的圖像輸出,更強的相機算法。

目前的手機處理器大部分交由兩家廠商代工。除了上文中提到的台積電之外,還有就是三星。它們兩者也一直在你追我趕,毫不放鬆。三星剛推出32nm工藝,台積電就緊追不捨放出28nm新製程。這邊剛拿出16nm方案,那邊就宣布14nm即將投入商用。

沒有競爭就沒有發展,正是因為兩家之間互有勝負的不斷角逐,才能讓手機行業不至於類似電腦處理器那般陷入「擠牙膏」一般的提升節奏。這不,我們的10nm晶片還沒用上多久,三星的8nm,台積電的7nm已經爭著發布了。

採用了最新10nm技術的驍龍835

在製程之下,其實還有更多的博弈

說了這麼多,處理器的製程真的這麼重要嗎?以蘋果為例,當初一直選擇三星作為自家處理器代工廠的蘋果為何在iPhone 7/Plus選擇了台積電的16nm工藝而放棄了三星的14nm技術,自然是因為在16/14nm這一製程上台積電的工藝更加成熟完善。當初兩個版本的A9處理器,蘋果分別選擇了三星和台積電各自代工生產了一版,而台積電略強於三星的表現,想來也是蘋果在iPhone 7上徹底倒戈台積電的原因之一吧。

不過除了製程之外,其實廠商需要考慮的還有更多。Helio X30是聯發科在年初的MWC上發布的新一代旗艦級處理器,而且搶在了三星高通之前率先使用了10nm工藝。可惜,前期新的生產工藝下良品率並不理想,而如今台積電又要為了完成蘋果的A11訂單火力全開。同樣由它代工的X30就難免產能不足,這個被聯發科寄予厚望的晶片我們至今仍未得一見。

傳聞華為的麒麟系列處理器也即將發布新品

5nm,3nm,或者乾脆量子計算?

其實半導體蝕刻尺寸發展到現在已經很吃力,每個原子的大小約為0.1nm,在10nm的情況下,一條線只有不到100顆原子,在製作上相當困難,而且只要有一個原子的缺陷,像是在製作過程中有原子掉出或是有雜質,就會因為量子效應產生不知名的現象,影響產品的良率。

FinFET技術概念圖

其實製程的瓶頸我們早已遇到,當初憑藉將電晶體的平面結構轉化為立體結構,也就是FinFET(鰭式場效電晶體)的使用,我們突破桎梏,迎來了10nm製程的時代。而從10nm往後,處理器的發展就寄託於新的蝕刻工藝—極紫外光刻(EUV),用更小更鋒利的「手術刀」來切割出更小的電晶體結構。

目前看來,蘋果的下一代產品A11使用的將依然是10nm的工藝,那麼究竟誰會搶先帶來更新更好的製程工藝,是台積電的7nm還是三星的8nm,首發處理器又將花落誰家?我們拭目以待。


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