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芯片14纳米与7纳米相比,是不是芯片大一点,性能差不太多呢?

2020-07-20 01:54阅读(548)

芯片14纳米与7纳米相比,是不是芯片大一点,性能差不太多呢?:14纳米芯片已经够用,为什么要研发7纳米?原因已正式确认!目前半导体行业,并不是所有的芯片类型

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14纳米芯片已经够用,为什么要研发7纳米?原因已正式确认!

目前半导体行业,并不是所有的芯片类型都对7纳米有强烈的需求。14纳米芯片已经够用,为什么要研发7纳米?除了普通的吃瓜者,业内一些人也提出了这个问题。许多人认为,对于许多产品来说,14纳米甚至28纳米就足够了。毕竟,7纳米不是大多数市场的要求。

那么,为什么芯片公司要花费更多的成本和精力,开发7纳米甚至5纳米的工艺技术呢?7纳米被认为是半导体技术的里程碑,7纳米技术具有许多优点,如可以将产品面积减少近一半,芯片性能提高10%,能耗降低40%。

展望未来,随着5G和人工智能技术的发展,5G智能终端、虚拟现实、可穿戴设备、区块链、人工智能等产品的成熟应用,将对芯片性能、能耗和计算能力提出更高的要求。为了抓住市场机遇,芯片制造商迫不及待地推出了自己的7纳米芯片或处理器。

另一方面,芯片制程的发展也给传统市场带来了革命性的颠覆,例如,苹果公司因为AirPods迎来第二次黄金时代。去年10月,苹果发布了新的具有降噪功能的无线耳机——AirPods Pro,在中国售价高达1999元,虽然价格非常昂贵,但是AirPods Pro在全球市场上经常卖缺货。

目前,苹果TWS耳机已经占据了50%以上的市场,无线耳机已经成为苹果增长最快的产品线。一些内部人士预测,苹果未来无线耳机的销量可能会达到苹果手机的水平,每年约有2亿部。只靠一种产品——AirPods,预计明年将为苹果公司带来200亿美元的收入。根据20倍硬件公司的市盈率,如果苹果将AirPods项目分开上市,它的收入和利润就能支撑万亿的市值。

苹果无线耳机能够“逆风翻转”,是由于AirPods搭载了一款名为H1的芯片,这也是苹果为耳机产品开发的第一款芯片组,采用了先进制程工艺。当前,其他制造商使用的大多数蓝牙芯片工艺都集中在28纳米到12纳米之间。随着市场需求驱动的蓝牙芯片制造工艺的发展,未来,为了在更小的芯片中集成更多的功能和应用,各厂商将逐步推动蓝牙芯片向7纳米甚至5纳米的制造工艺发展。

中芯国际也很清楚这一趋势,所以也向先进制程工艺靠拢,并在2018年订购了EUV光刻机,为更低的制程工艺做准备。据说这个制程工艺就是7纳米。

7纳米制程不仅隐藏了巨大的商机,也给制造商带来了新的挑战,因为7纳米工艺将采用新的EUV技术,传统的光刻机将无法正常运行。美国竭力全力,阻止光刻机出口到中国,目的就是阻止以中芯国际为代表的晶圆厂进入14纳米以下的先进制造工艺。

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可以这样理解,14nm工艺面积大,但也可以实现7nm一样的性能,在功耗上要大很多,而且不适合小型化内嵌。

可以举个例子,在军事实力上前苏联和美国差不多,美国的武器控制集成度高,体积小,苏联的武器都很笨重,但都可以实现一样的远程攻击和爆炸效果。

也可以这样说,假如中国因为实体清单不能生产7nm以上先进的芯片工艺,那么可以牺牲体积换性能,以后大家抱个体积稍大的手机依然可以达到现在的性能。

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越来越低nm工艺制程成为了芯片设计上的追求,也是各芯片制造商不得不紧跟设计者的需要。

为何现在芯片设计厂商要追求越来越低的工艺制程,其主要目的是为了在同一大小块芯片上容纳更多的晶体管,增强芯片的性能。同时晶体管之间的间距减少,电容降低,开关频率提升,速度更快更加省电。理论上把14nm芯片做到7nm芯片的性能是有可能的,但是要容纳与7nm相同或者更多数量的晶体管,14nm芯片面积将会变得更大,而且能耗将会很高,在产品上将变得不实用。

比如手机芯片,在巴掌大的手机上如果芯片就占了半巴掌大,显然是不实用的。所以各大芯片设计厂商拼命设计更多晶体管的芯片,制造厂商也拼了命的提升自己的工艺制程满足芯片设计者需求。所以像台积电、三星等,都在竞争生产及解决7nm、5nm,甚至3nm制程工艺,以求在未来占据主动。

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芯片制程根本没办法用肉眼来观察,就像是在硅原子上画画一样,只能用纳米来衡量电子元器件之间的距离。纳米(nm),是nanometre的译名,即为毫微米,是长度的度量单位,国际单位制符号为nm。一根头发丝直径约为0.1毫米,10纳米相当于头发丝的万分之一。在当前高端芯片制造中,各大企业都在围绕缩小工艺制程“绞尽脑汁”。

在生产CPU过程中,要进行加工各种电路和电子元件,制造导线连接各个元器件的生产精度,精度越高,生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件,连接线也越细,提高CPU的集成度,CPU的功耗也越小。

7纳米芯片和14纳米芯片的手机用户体验有啥不同?

如果以芯片制造工艺来看这个问题,或许感知并不是很强,但直接转换到具体的芯片和对应的手机上,那就非常明显了。

首先是7nm制造工艺的芯片,比如目前的苹果A13芯片、骁龙865芯片、麒麟990芯片。

其次是14nm制造工艺的芯片,苹果在A9芯片使用过三星的14nm制程,而在A10回到台积电16nm制程,A11直接跃到10nm制程。麒麟960使用16nm制程,麒麟970使用10nm制程。比如iPhone11和iPhone8(10nm)对比,已经是隔代产品,虽然iPhone8虽然日常使用依然流畅,但是两款机型还是有明显感知。

而骁龙和麒麟芯片差距就大了。搭载麒麟990的华为Mate30和搭载麒麟960的Mate9已经完全是两种产品了。

虽然芯片制造工艺并不是决定性能的唯一因素,但是可以说占了大部分的因素,在使用14nm芯片的手机时或许会认为体验是非常好的,然而如果使用了现在的新手机再回去体验旧手机,差距是非常大的。

缺芯之痛”,不但是中国半导体行业之痛,也是民族产业之痛。

数据统计,中国集成电路产品连续多年每年进口额超过2000亿美元,一旦缺“芯”,可以想象会面临什么困难。

无论是设计还是加工工艺上,7nm芯片都代表着先进的技术,能让终端能耗更低、速度更快。我们虽然能设计、研发7nm芯片,但是我们的企业无法自己量产,还得由台积电代工生产。因为光刻机精度仍是芯片制造行业的卡脖子环节。光刻机是制约集成电路技术发展的重中之重,核心技术中的核心,被冠以“工业皇冠上的明珠”的称号。

目前,世界上80%的光刻机市场被荷兰公司占据,高端光刻机也被其垄断。中国在努力追赶,但仍与国外存在技术代差。我们要正视与苹果、高通等行业巨头的差距,并且要用自身的科技创新,通过踏踏实实的努力,一步步来实现我们在芯片制造领域的突围。

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芯片由四个环节构成,分别是芯片设计、晶圆生产、芯片封装和芯片测试,不过封装与测试一般在一个环节,所以通常我们说的芯片,就是通过设计、生产和封测三个环节,设计主要是利用架构进行自主设计,然后交由日圆生产企业来做。



晶圆企业需要建立生产线,投入很大,少数数十亿,多则数百亿,而且需要在工艺上进行研发,才能按照设计代工出芯片产品来,也就是说,如果设计出了7NM的芯片,但是代工的达不到,就产不了,所以我们看到华为有自己的7NM芯片,但中芯国际还代工不了,就只能交给台积电来代工。

中芯国际去年已经成功量产14NM芯片,7NM的也在加速研发,但问题是7NM以上的工艺用DUV光刻机就可以生产,而7NM以下的工艺需要用引入极紫外光(EUV)光刻技术,而目前全球只有荷兰的ASML公司能生产EUV光刻机,中芯国际在2018年就从ASML订购了一台EUV,由于美国从中作耿,因种种原因,直到现在都还没有交货。


很多人会想,那么既然14NM的芯片已经够用了,为什么非要开发7NM,甚至5NM和更小的芯片呢?两者有什么差别?

对于14NM和7NM,是从芯片的制造工艺方面来定义的,对于两者来讲,肯定是7NM技术制造出来的芯片性能更优越,在相同的面积中所集成的晶体管越多,芯片的整体性能就会越高。比如以电脑处于器为例,用7NM技术制造的CPU肯定比14NM技术的CPU在晶体管数量方面、处理速度方面,以及最重要的功耗方面和温升方面会高出一个数量级。


因此,用7NM制程制造的芯片在各个方面会全面超过14NM制造的芯片,使得各种性能得到提升,从而让使用芯片的设备性能得到整体提升。

当然,如果仅从实用角度来说,可能两者的差别并不大,但在科技领域,本身就需要不断研发,不断创新,突破过去的极限,才能实现技术的进步。也许现在我们从经济角度的价值看,没有必要去研发和使用7NM的技术,但如果过了几十年几百年之后,有可能到时7NM的芯片如同我们现在看几百年前的工业机器一样。

如果不能进行技术突破,一直停留在14NM,那么用不了多久,技术水平就会被其他国家甩在后面,所以我们需要不断研发,尽快突破EUV的限制,在芯片产业实现国产自主化,才能在未来的科技进步中占据主动。

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这不是绝对的,性能主要是取决于你的设计和架构,工艺只能保证同等条件下,发热和性能。当你的架构不好的同时,14nm一样可以吊打7nm,就好比你用x86的i3,随便吊打一切移动版arm处理器。所以,性能跟工艺没有必然联系,工艺好可以一定程度上提高性能,但主要影响性能的还是架构。

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一、所谓的芯片14nm或7nm是什么意思?

关于芯片,大家都喜欢谈工艺,比如14nm、7nm、5nm等等,因为数字越小,表示越先进,那么这些数字究竟是什么意思?

首先要理解的是,芯片是由晶体管构成的,而晶体管的大小是不变的,至于14nm、7nm的工艺,是指晶体管门电路的宽度,而不是晶体管的大小,或者你就换一种说法,就是晶体管与晶体管之间的距离好了,这样更容易理解。

当工艺越先进,那么这个距离就越小,那么同样面积下,晶体管就会越多,做到越密集,工艺主要就体现在这里了。

二、14nm和7nm的芯片对比

14nm的芯片和7nm的芯片一对比,那么同样面积下,14nm的芯片明显晶体管就会少很多,这样性能就会差一些,而7nm的芯片晶体管就会多,性能自然就会好一些。

如果保证晶体管数量一致,那么14nm的芯片就会更大,7nm的芯片就会更小一些。

此外,还要考虑的是,因为制造工艺的提升,芯片的频率就可以提高,功耗可以变得更低一点,所以就算14nm和7nm的晶体,做成晶体管一样的,性能也不会是差不太多的,而是有区别的,7nm的芯片会好一些。

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一般来讲,芯片的制程越小,晶体管就越小、所能容纳的晶体管的数量就越多,所以芯片的性能就越好。同时芯片的制程越小,电阻越小、耗能越低,所以芯片工作时产生的热量越小,手机就越省电。

所以芯片制程的升级,无论是对于芯片的性能来说,还是功耗来说,都起到了非常重要的作用。

14nm芯片与7nm芯片有多么的大差距?

14nm芯片与7nm芯片之间有着1-2代的差距,所以它们之间的差距还是非常大的。

如果在芯片面积相同的情况下,7nm芯片所能集成晶体管的数量要比14nm芯片多很多。这样来说,芯片的性能就越好。

如果在晶体管数量相同的情况下,7nm芯片的面积要比14nm芯片的面积小很多。

不可否认的是芯片的制程工艺越先进,性能以及功耗就越好。但是对于大多数的芯片来说,14nm工艺已经够用了。目前除了手机处理器,大多数芯片还都在12—14nm工艺。从目前芯片代工厂来看,就可以看出这一点。目前除了台积电与三星,其余大多数的芯片代工厂还都停留在14nm工艺水平。

但是对于手机来说,芯片制程工艺是非常重要的。因为手机对于芯片以及体积的要求比较高,总不能芯片的体积像砖头一样大吧。尤其是对于5G手机来说,芯片制程就更为重要。5G手机发热要比4G手机更加严重,如果使用比较落后的制程工艺,那么手机发热更加严重。毫不夸张的说,14nm工艺很难做出一款5G处理器。

我国大陆中最好芯片代工厂是中芯国际,目前中芯国际最好的技术就是14nm工艺,在今年4月份就已经实现了大规模量产,荣耀发布的荣耀Play 4T使用的麒麟710A处理器就是采用的中芯国际14nm工艺。受台积电方面的影响,不仅仅是手机处理器,华为其他芯片也由台积电转移到了中芯国际。中芯国际的N+1工艺也有望今年年底实现规模量产,对于N+1工艺大家可能比较陌生,中芯国际的N+1工艺与平常我们所说的7nm工艺是差不多的。

台积电目前最先进的生产工艺是5nm,即将发布的麒麟1020处理器与苹果A14处理器都是采用5nm工艺制成。中芯国际与台积电之间的差距,主要原因在光刻机上。

芯片是由光刻机制造的,而全球高端光刻机基本被荷兰ASML公司垄断了,只有这家公司可以做出顶级的光刻机。但是由于《瓦森纳协定》,西方国家比较精密的仪器是禁止向我们出口的。所以中芯国际买不到最好的光刻机,只能买到比较落后的光刻机。

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7nm制程的芯片,性能可比14nm制程强的不是一星半点。

在计算机行业有一个著名的定律——摩尔定律:计算机硬件的性能每18个月翻一番。这个定律放在手机行业上也基本适用,而手机CPU的更新速度实际上还要更快一点,基本上每年都会出新品。


7nm的芯片究竟比14nm强在哪些方面?

首先纠正一个误区,很多人都以为14nm,7nm说的是芯片的大小。实际上,这些制程指的是蚀刻工艺的电路间距。制程越小,电路间距的距离就越窄,能够容纳的晶体管就越多。而晶体管越多,意味着芯片的算力就越强大,性能就越好。另外,有些人认为晶体管越多,芯片的功耗就会越大。这个说法是不对的,恰恰相反,采用7nm制程的手机芯片的耗电量可能更小一些,二者间并没有绝对的线性关系。


如果从7nm退回14nm,会有哪些影响

尽管现在4G仍是主流,但5G已经是必然,其影响也会体现在芯片行业上。以华为做例子,大家都知道华为在5G市场上做的很好,但是,如果从7nm退回至14nm,对终端的影响将会非常大,具体体现在性能的下降,耗电的增加,华为本身现在海外市场就收到打压,造成的影响可以说是毁灭性的。



简而言之,芯片设计回退到14nm,配置该芯片的性能下降是全面的,包括GPU、CPU和通信性能都会下降。俗话说由奢入俭难。不过,如果真的逼到退无可退,14nm制程的芯片还是能够满足我们的基本需求。

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很简答的理解,CPU的大小是固定的,就是那么大的面积。你的工艺越先进,就能生产出更小的核心,核心越小,同样的面积能容纳的核心数量就更多。县城数量也要更多。

举个例子:

AMD的7纳米工艺可以生产出16核心32线程的CPU,这样的CPU无论在性能上和多任务处理上,都要领先inter一大截。

所以按照道理,AMD要强于INTER


但是问题也来了:

很多人并不能使用那么多的核心和线程,但是个别的核心的性能发挥很重要。比如打游戏。

虽然核心多,但是很多核心都在休息的状态,个别核心又要累死,这样其实核心多,反而限制了CPU的发挥。

更严重的就是发热和功耗的问题,随着核心和线程数量的增加,电力功耗增加,发热也增加,所以对散热要求就更好。如果没有好的散热CPU就会被迫降频,那就是得不偿失。

所以各有所长,和各有有缺。不能一概而论孰好孰坏。