纳米工艺的芯片可以通过扩大体积来实现7纳米工艺的性能。在实践中已经有了应用这一概念的案例。云手机、超级计算机就是这个概念的典型代表。nm芯片一次成本比7nm高4倍以上,后续产品单位时间二次成本比其他高2倍以上。

中芯国际只论性能,把14纳米芯片做大,性能是否达到7纳米水平?

中芯国际只论性能,把14纳米芯片做大,性能是否达到7纳米水平

14nm制程的芯片,通过做大体积,可以实现7nm的工艺的性能。并且已经在实际中有案例应用这个理念云手机,超算都是,这个理念的典型代表。但是14nm芯片要花费的一次成本要比7nm的成本要高出4倍以上,后续产品使用中需要花费的二次费用单位时间要比别人高出2倍以上。后面说一次成本,二次成本的问题先来说说,通过做大体积为什么能够实现7nm的性能?超级计算机都知道吧,可以实现1秒1千万亿次的浮点计算现在已经更高了。

这种超级计算机还是使用的当下主流的14nm芯片的制程工艺,使用了数千,数万块的存储和芯片来构成。这就是一个典型的通过堆硬件,增大体积做到超高计算性能的案例。当然超算可不仅仅是硬件的堆积,还有还需要机房的整个软件架构的布局。超算中心机房前段时间华为发布了云手机,不知道有几个人关注过?华为云手机这个东西的核心原理就是手机本身的芯片可以降低性能,需要计算的各类数据,通过5G网络快速的传送到服务器上面,用大型服务器的计算能力,来帮忙计算,然后将计算结果传送到手机。

比较典型的例如渲染图片,视频,游戏等等。多个应用共同运行时,通过云端实现多线程运行。这种应用的核心其实是,将多个14nm制程芯片的性能一起堆叠起来构成一个机房,比拼一个7nm制程的芯片。原理上说,同14nm增大体积达到更高的7nm制程芯片,是一样的含义。这样就是一个终端低配,云端高配的云手机。

那么既然可以通过堆积硬件,解决性能问题,为什么我们还要追求7nm,5nm,甚至是1nm制程呢?这就要说到,芯片本身的情况了。所谓的14nm,7nm是指光刻机蚀刻机的光源波长。如果想要通俗的理解,那就是14nm的刻线光源波长要比7nm更长,刻线的宽度更宽。但是这里有一个需要注意,实际的蚀刻中蚀刻的线槽并不是2倍的宽度关系。

光源照射蚀刻液,蚀刻液腐蚀硅片。芯片放大的晶体管图一个芯片的光刻过程要经过30次左右的光刻过程。实际刻出来的线路槽事实上光刻是重复性的过程。光刻——金属沉积进入蚀刻后的槽中——化学清洗不需要的金属铜——再光刻——再沉积——再清洗。如此往复。最终形成的整个硅片上面的电路是一个立体化的,并不是一层,一般情况都在10层以上,数千万,甚至数亿的门电路。

光刻机的光刻过程那么这里可以回到问题单个芯片14nm和7nm工艺制程的差距如果要让14nm达到7nm工艺状态下,门电路的数量相同。暂且不考虑集成度,以及各类功率的问题,这个后面聊在硅片厚度一定的状态下,14nm制程芯片面积至少是7nm芯片的4-6倍。这个差距就很明显了。实际情况下,7nm芯片要达到14nm芯片的性能也不需要同14nm芯片有相同数量的门电路数量。

晶体管越小后,整个芯片集成度越高,同时能耗也可以做的更低。其实是后续的能耗问题,直接决定了,手机,电脑等设备电池的大小,以及终端设备的大小问题。这也就是说到,我们最开始关于一次成本,二次成本的问题。一次成本是芯片材料消耗的成本,14nm体积大消耗的材料更多,由于芯片良品率本身就不能达到100%的情况。

所以,次品也要计入初级成本。因此,14纳米芯片如果想要高性能,需要付出更多的成本。二次成本就是能耗,终端散热,有多少人愿意因为终端体积太大而为这个又大又笨拙的芯片买单的市场成本问题。显然,二次成本,伴随着更大的芯片使用量,需要14nm制程技术的两倍以上的成本才能实现7nm芯片。这也是为什么SMIC已经实现了14nm工艺,仍然要追求7nm的核心原因。


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