芯片进入更小制程发热是个大问题

文章时间：2023-10-31 15:32:00

“近日，首次采用台积电3nm制程的苹果iPhone15 Pro新机陷入A17芯片过热争议。在此前，有消息称，台积电3nm良率仅为55%，因此，台积电将不会按照标准晶圆价格向苹果收费，苹果仅向台积电支付可用芯片的费用。此外，有消息称，受到3nm良率的影响，高通即将发布的骁龙8 Gen 3芯片，将不会全部使用3nm制程，部分产品依旧采用4nm制程。

第一个吃螃蟹的人，一定会有风险。随着芯片制程不断缩小，芯片良率低以及发热的问题越加凸显，使得原本需求火热的先进制程芯片，却因为发热问题成为“烫手山芋”。先进制程是否将不再成为手机厂商的竞争焦点？

先进制程芯片频频出现发热问题

在此之前，先进制程芯片也频频出现发热问题。

大致从5nm工艺开始，手机芯片开始“发热”。彼时，三星猎户座1080、华为麒麟9000、骁龙888和苹果的A14芯片都采取了5nm制程，但却不约而同地出现了发热的现象。在此后的4nm工艺中，高通骁龙8Gen1、三星Exynos 2200、联发科天玑9000等采用4nm工艺的手机，也再度因为发热引发争议。

依照摩尔定律规则，芯片制程缩小，晶体管密度增加，功耗也会随之减少。然而，随着芯片制程越发接近物理极限，芯片的功耗为何却出现不降反增的趋势？

北京超弦存储器研究院执行副院长、北京航空航天大学兼职博导赵超告诉《中国电子报》记者，先进制程出现的发热现象，是短沟道效益所引起的。“在半导体制造过程中，集成电路的尺寸随着摩尔定律的发展而持续缩小，沟道长度也相应缩短，这就导致了沟道管中的S和D（源和漏）的距离越来越短。因此栅极对沟道的控制能力变差，这就意味着栅极电压夹断沟道的难度变大，即产生短沟道效应，从而出现严重的电流泄漏（漏电）现象，最终让芯片的发热和耗电失控。”赵超说道。

新结构带来新问题

赵超表示，5nm、4nm芯片所采用的都是FinFET（鳍式场效应晶体管）结构。FinFET所采用的是三面栅的结构，并非像GAA一样的四面环绕式结构，其中一个方向没有栅极的包裹。随着芯片制程尺寸的不断减小，FinFET三面栅的结构对于漏电的控制能力也在逐渐减弱，造成芯片出现功耗问题。

然而，采用了四面环绕式GAA架构的三星，虽然在一定程度上缓解了短沟道效应，但是却并没有如愿大幅度提升芯片的良率。据了解，采用GAA架构的三星3nm芯片，首批芯片的良率只有10%～20%，而如今的良率也仅仅只有50%～60%。业内人士透露，三星若想获得高通等大客户的3nm订单，良率至少要达到70%以上。

可以推算，未来芯片进入到2nm及更小制程后，芯片的发热以及功耗问题也将难以避免。

软件成手机厂商发力重点

由于先进制程频频出现问题，使得很多手机厂商开始另辟蹊径，试图通过其他方式来提升芯片的性能，在这之中，软件成为诸多手机厂商的关注焦点。

对于手机而言，如果把芯片比作一粒种子，那么软件就是土壤，如果软件能够针对芯片硬件的特性进行优化，就像土壤为种子提供最适宜的生长环境，那么芯片便能发挥出更大的功效。因此，许多手机厂商也开始尝试通过优化自家的软件系统，更好地发挥自研芯片的性能，提供更加流畅、高效的用户体验。

例如，苹果即将发布iOS 17.0.3版本，便是想通过软件的升级，优化设备的温度表现，进而改善手机的发热问题；华为的鸿蒙系统与麒麟芯片的深度结合，也是促使Mate 60 Pro的性能超越传统预期的主要方式之一。

先进制程依旧是竞争焦点

然而，业内专家莫大康向记者表示，软件生态对于手机而言固然重要，但是并不能完全替代通过芯片制程缩小带来的性能提升。此外，尽管芯片制程的不断缩小，给芯片良率带来了很多困难，但是先进制程的市场热度仍旧只增不减。台积电3nm工艺制造的12英寸晶圆的报价高达3万美元，是7nm工艺的3倍之多。预计到2025年，3nm制程市场的产值将高达255亿美元。

“采用新产品、新技术，是帮助企业在市场竞争中立足的关键因素之一，但这同样也需要企业承担相应的风险。市场竞争本身就是赌，谁也无法预测是否能赌成功。但是苹果等资本力量雄厚的企业，也有赌的资本，所以他们并不怕试错。此外，新技术同样也需要时间去试错和迭代。虽然，目前3nm先进制程的良率不高，但并不意味着未来的良率不会提升。随着技术不断成熟，先进制程芯片的现有问题也会被一一解决，只是由于制程不断缩小，技术难度越来越大，技术的磨合期也会相应变长。”莫大康说道。

有消息称，在台积电成功试产2nm的几乎同一时间，苹果便成为了首个客户。与此同时，高通也在考虑在未来使用台积电的2nm工艺生产其芯片。先进制程依旧是手机厂商眼中的“香饽饽”。

芯片制程的延伸和软件系统的升级，也将成为未来手机技术发展的“两条腿”，二者缺一不可。

(来源：中国电子报)
编辑:三人水

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