?3nm工藝意味著(zhù)什么？

聯(lián)發(fā)科已經(jīng)宣布推出首款 3nm 工藝芯片，這是一款未命名的旗艦產(chǎn)品天璣 SoC，預計將于 2024 年進(jìn)入量產(chǎn)，這個(gè)消息意義重大。讓我們先解釋一下 3nm 工藝芯片是什么，以及它對您的實(shí)際性能和電池壽命意味著(zhù)什么。

什么是 3nm 工藝芯片？

在半導體處理器的早期，只需測量晶體管柵極長(cháng)度，從最初幾十年的微米（百萬(wàn)分之一米或微米）開(kāi)始，逐漸發(fā)展到納米。隨著(zhù)技術(shù)的成熟，晶體管尺寸的減小，我們看到了性能的提高、功耗的降低以及發(fā)熱量的降低。當時(shí)，可以簡(jiǎn)單的說(shuō)，較小的晶體管比較大的晶體管更好，并且制造商之間的工藝節點(diǎn)代際改進(jìn)是相似的。

然而，在過(guò)去的幾十年里，隨著(zhù)集成電路設計（從平面晶體管到各種類(lèi)型的 3D 晶體管）和制造工藝的各種專(zhuān)有改進(jìn)，僅根據晶體管尺寸來(lái)衡量性能增益變得更加復雜。因此，3nm 工藝芯片本質(zhì)上是一個(gè)營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)，與晶體管的尺寸沒(méi)有直接關(guān)系。由同一制造商制造的兩代工藝節點(diǎn)（例如 5nm 和 3nm）的芯片在較小的工藝節點(diǎn)上應該具有較小的整體晶體管尺寸。但是，這些大小不一定對應于流程節點(diǎn)名稱(chēng)。

相反，微芯片制造商按照現已失效的國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖 (ITRS) 以及后來(lái)的國際設備和系統路線(xiàn)圖 (IRDS) 制定的處理器節點(diǎn)擴展計劃，通過(guò)工藝節點(diǎn)名稱(chēng)來(lái)營(yíng)銷(xiāo)其每一代處理器路線(xiàn)圖中，例如 5nm 工藝和 3nm 工藝節點(diǎn)。這些芯片預計將遵循 IRDS 對接觸柵極間距和金屬間距等尺寸的預測，但可能具有更小的尺寸。

來(lái)源：三星

因此，比較英特爾的 5 納米工藝芯片和 AMD 的 5 納米工藝芯片可能不像查看晶體管柵極長(cháng)度（或金屬間距等其他指標）那么簡(jiǎn)單。對于新工藝節點(diǎn)命名法有多種提案，例如 GMT（建立晶體管密度）和 LMC（包括存儲器和互連密度）提案。同時(shí)，最好比較競爭芯片的實(shí)際性能或比較同一制造商的不同代工藝節點(diǎn)之間的性能。

在這種情況下，也是工藝節點(diǎn)名稱(chēng)與制造商工藝差異的一個(gè)很好的例子，聯(lián)發(fā)科宣布它已經(jīng)使用臺積電的 3nm 工藝開(kāi)發(fā)了首款芯片。臺積電和聯(lián)發(fā)科都沒(méi)有更準確地說(shuō)明正在使用的是臺積電專(zhuān)有的 3nm 工藝節點(diǎn)，是 N3、N3E、N3S、N3P 還是 N3X。聯(lián)發(fā)科的新聞稿稱(chēng)：「聯(lián)發(fā)科首款采用臺積電 3nm 工藝的旗艦芯片組預計將于 2024 年下半年開(kāi)始賦能智能手機、平板電腦、智能汽車(chē)和各種其他設備?！箍紤]到該日期，它很可能是 N3S 或 N3P 流程。

相反，與臺積電的 N5 工藝（屬于 5 納米工藝節點(diǎn)的一部分）相比，這些公司詳細介紹了各代改進(jìn)。據稱(chēng)，臺積電的 3nm 工藝與 N5 工藝相比「目前在相同功率下速度提高了 18%，或者在相同速度下功率降低了 32%，邏輯密度增加了約 60%」。

有哪些公司在使用 3nm 工藝芯片？

到目前為止，除了聯(lián)發(fā)科之外，蘋(píng)果也已經(jīng)宣布了 3nm 芯片。需要注意的是，三星作為代工廠(chǎng)已經(jīng)在生產(chǎn) 3nm 工藝芯片，但還沒(méi)有移動(dòng)芯片——它們目前正被加密貨幣機器使用。

高通使用臺積電和三星作為其代工廠(chǎng)，目前尚不確定其尚未公布的 3nm 工藝移動(dòng)芯片將使用這兩家公司中的哪一家。

正如我們提到的，蘋(píng)果在 9 月 12 日的活動(dòng)中為 iPhone 15 Pro 和 iPhone 15 Ultra 機型推出基于 3nm 工藝的 Apple A17 SoC。該公司在 2023 年成為市場(chǎng)上第一家擁有 3nm 工藝芯片的智能手機/平板電腦制造商。多年來(lái)，蘋(píng)果已經(jīng)放棄了三星作為其 A 系列處理器的制造商，轉而選擇臺積電。

在 GeekBench 測試中, 蘋(píng)果 A17 Pro 多核跑分達到了 7199, 雖然比其 A16 的 6989 提升不大, 但依然遙遙領(lǐng)先于驍龍 8 Gen 2 領(lǐng)先版。在單核跑分方面, 蘋(píng)果 A17 Pro 3.77GHz 的主頻發(fā)威, 不僅相比 A16 有了明顯提升, 甚至超越了蘋(píng)果 M2 Ultra 芯片。即使面對 Intel 的酷睿 i9 14900KF 變態(tài)的 6GHz, 單核性能僅落后 12% 左右。

據報道，蘋(píng)果已預訂了臺積電 2023 年 90% 的 3nm 工藝產(chǎn)能，據說(shuō)這將擴展到預計為 Mac BookPro 和 iPad Pro 系列提供支持的 Apple M3 芯片。然而，最近的報道表明 MacBook Pro M3 和 iPad Pro M3 要到明年才會(huì )推出。

3nm 工藝芯片對您意味著(zhù)什么？

平均而言，較小的晶體管可提供改進(jìn)的性能、功耗和散熱。晶體管密度也隨著(zhù)晶體管的減小而增加。因此，由于晶體管內和晶體管之間的行進(jìn)距離更小，電子在電路內行進(jìn)的時(shí)間更少，從而提高了處理速度。它們還需要更少的能量來(lái)移動(dòng)這些較短的距離，從而減少所需的輸入功率，最后，由于移動(dòng)較少，導致以熱量形式損失的能量更少。

所有這些都意味著(zhù)更好的性能、電池壽命和周?chē)募訜?。這意味著(zhù)采用 3nm 芯片的設備將比采用同一芯片制造商的 5nm 或 4nm 工藝芯片的設備速度更快、使用壽命更長(cháng)。

當然，影響這些指標的因素不僅僅是所使用的處理器或 SoC。芯片設計或架構、與其配對的內存的速度以及包括軟件在內的其他因素決定了終端設備（無(wú)論是智能手機、平板電腦還是個(gè)人電腦）的性能。

電池壽命還受到設備上其他組件（例如顯示屏）的功耗以及硬件和軟件優(yōu)化的影響。最后，散熱在很大程度上取決于設備的設計以及與之相結合的冷卻量。

事實(shí)上，最新一代工藝節點(diǎn)芯片的生產(chǎn)成本將更高，并且在生產(chǎn)初期每片晶圓的產(chǎn)量比前幾代芯片更低，這也意味著(zhù)它們將僅限于生產(chǎn)的高端手機和平板電腦。因此，預計 3nm 工藝芯片智能手機和平板電腦將在至少一年內僅在各制造商的旗艦產(chǎn)品中提供。蘋(píng)果只會(huì )為 iPhone Pro 機型引入 3nm 工藝 A17 SoC 的傳言呼應了這樣的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)決定。

處理器擴展解釋

讓我們從基礎知識開(kāi)始：半導體是具有導體和絕緣體特性的非金屬材料。單晶硅是最常用的半導體材料，通過(guò)「摻雜」或添加其他元素的雜質(zhì)來(lái)提高其電荷攜帶特性，可以提高其導電性。生長(cháng)這種材料或基板的薄晶圓，并在其上通過(guò)各種物理和化學(xué)過(guò)程繪制或構建電路。

現代半導體處理器由數十億個(gè)晶體管構成，這些晶體管構成了集成電路的元件以及其他組件。這些晶體管放大或調節電路內的電信號流，重要的是還可以充當開(kāi)關(guān)，形成邏輯處理器和存儲器的基礎。在半導體處理器制造歷史的大部分時(shí)間里，用于制造芯片的工藝節點(diǎn)的名稱(chēng)是由晶體管柵極長(cháng)度的最小特征尺寸（以納米為單位）或最小線(xiàn)寬來(lái)指定的。350nm 工藝節點(diǎn)就是一個(gè)例子。

讓我們正確地看待這一點(diǎn)——納米是十億分之一米。隨著(zhù)集成電路設計和半導體制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，在晶圓上構建越來(lái)越多的晶體管成為可能，在幾十年內從數千到數百萬(wàn)，然后數十億。不過(guò)，工藝節點(diǎn)命名法并未遵循線(xiàn)性路徑，3D 晶體管的出現使問(wèn)題變得更加復雜。用于描述工藝節點(diǎn)的納米數不再必然與晶體管的任何物理尺寸相關(guān)，例如柵極長(cháng)度、金屬節距或柵極節距。

相反，制造商遵循既定的 IRDS 路線(xiàn)圖，在處理器擴展方面實(shí)現連續幾代的進(jìn)步，該路線(xiàn)圖本身基于晶體管密度每 18-24 個(gè)月翻一番的摩爾定律。

總而言之，「3nm 工藝芯片」中的「3nm 工藝」是指用于構建芯片的技術(shù)的世代。3nm 是芯片制造商使用的營(yíng)銷(xiāo)術(shù)語(yǔ)，而不是對芯片技術(shù)規格（如性能或尺寸）的描述。然而，與同一制造商的 5nm 工藝芯片相比，3nm 工藝芯片的晶體管更小。隨著(zhù)晶體管變得更小，我們可以預期性能和能效會(huì )提高。