传三星5nm“翻车”？先进工艺恐欲速不达

（电子发烧友报道/文周凯扬）自苹果的A14和M1、华为的麒麟9000芯片推出以来，台积电成功在2020年率先成为5nm工艺量产出货的代工厂。但同样拥有顶尖工艺的三星也不甘落后，先后推出了Exynos 1080、骁龙888和Exynos 2100三款芯片。尽管力求后发制人，但三星的5nm之路依旧并非一帆风顺。
 
EUV成为突破工艺桎梏的关键
 
从7nm开始，台积电和三星都不约而同地全面投入EUV光刻机，这对两大代工厂的产能提出了巨大的挑战。两者面临的首要问题就是EUV光刻机的高成本、低生产效率和长交期。

NXE:3400C EUV光刻机 / ASML

一台EUV光刻机的价格就高达1.2亿欧元，因此光刻机的购置和晶圆厂的建造构成了资本支出中的重头戏，三星早在2019年就宣布将在未来十年投入1160亿美元，全面支持其代工业务。为了进一步扩大5nm芯片的产量，去年三星在韩国平泽市开始建造全新的晶圆厂，预计今年2021下半年可以开始5nm芯片量产，专用于5G、HPC和AI。
 
而台积电在代工业务上的资本支出更是居高不下，去年上半年台积电的EUV光刻机占全球总数的50%，EUV生产的晶圆总量更是占据全球出货量的60%。从近日台积电公布的预估数据来看，2021年资本支出从2020年的172.4亿美元提升至250亿美元以上，更不用说在美国计划建造的新厂。
 
EUV光刻机的生产效率同样是一大问题，EUV光刻机的吞吐量在120-175wph左右，与最新DUV光刻机275wph的吞吐量相比，仍有不少改进的空间。因此台积电和三星都在和ASML紧密合作，以求提升现有EUV的生产效率。台积电提到尽管供应商和他们一直在改进EUV工具，但目前仍未达到理想水准。三星副董事长更是在去年10月亲自造访ASML总部，讨论如何将EUV光刻机成熟程度提高至DUV的水准，同步改善产率和可靠性。
 
既然EUV生产效率低，你可能会疑惑，为何不购置多台EUV以数量补缺呢？这是因为EUV光刻机生产过于复杂，导致交期过长限制了代工厂的产能扩张计划。ASML在2020年内的EUV光刻机交付计划仅有35台，而且现有的制造周期最高优化至20周，即便在这样的理想情况下，也只能做到2021年45到50台的EUV交货量。三星、台积电和英特尔往往会预定订单，不然有限的光刻机很可能会被竞争对手买走。
 
5nm工艺“翻车”？
 
自三星的5nm手机芯片面世以来，网络上频繁冒出“翻车”的言论，主要体现在功耗表现差上，那么这究竟是不是三星5nm工艺5LPE的问题呢？我们不妨先来比较一下这两家的5nm工艺。
 
三星的5LPE工艺风险试产时间比台积电的N5工艺要早上一截，但量产时间却大概晚上了一个季度。从晶体管密度上来看，三星的5LPE工艺密度为127 MTr/mm2，而台积电的N5工艺密度为173 MTr/mm2，后者明显占优，但这与台积电的N7P工艺相比，还是有提升的。
 
在原始表现上，先进制程带来的性能提升还是显而易见的，在GeekBench 5的CPU测试中，骁龙888与865相比，单核性能提升26%，多核性能提升10%。外挂X55基带也已成为过去式，骁龙888换成了内置X60基带，腾出了更多的空间。然而同样是1+3+4的核心架构，骁龙888的X1大核却比865的A77大核满载功耗多出了1W，多核功耗更是高达7.8W，比骁龙865多出了近2W，能耗比也有一定降低。
 
在测试了功耗和能耗比后，不少人都对骁龙888下了“翻车”的盖棺定论，但究竟是三星的5nm工艺有所欠缺，还是ARM的Cortex-X1大核设计存在问题，仍有待确认。毕竟与上一代旗舰芯片相比，不管是X1大核、A78中核还是5nm工艺等，都是多出来的变量，还有不少人认为软件调用接口测试功耗的方法与硬件功耗测试相比并不精确。

 

Exynos 2100与骁龙888对比

 
再者目前搭载骁龙888和Exynos 1080的机型屈指可数，未来还会陆续有骁龙888的机型面世，搭载Exynos 2100的三星S21系列仍在预售当中，具体的功耗数据仍无从得知。从CPU的架构上来看，同用三星自家5nm工艺的Exynos 2100与骁龙888并无区别，仍是1个Cortex-X1+3个Cortex-A78+4个Cortex-A55的三丛集设计设计，反而在几个核心的频率上比骁龙888更加激进。如果骁龙888在CPU上真是因为5nm工艺翻车，那么Exynos 2100想必也不会幸免，而三星提高频率的举动就未免有些奇怪了。
 
产能吃紧，或减少客户芯片产量
 
去年台积电的5nm订单基本全部分配给了苹果和华为，考虑到产能有限，如果争抢剩下的5nm订单不仅成本高昂，更是难以出货。就拿联发科为例，即将公布的天玑1200很有可能采用台积电的6nm工艺，至于5nm的天玑2000，传闻要在2022年第一季度才会正式发布。但深受其害的不仅是台积电，三星同样如此。据韩国媒体Business Korea报道，因为大量手机芯片订单的涌入，三星的代工业务甚至无法满足自己的Exynos 2100芯片需求。
 
三星对于Galaxy S21系列的销量非常看好，预估出货量可以达到2800万以上。而美国市场是三星的主要市场，在该市场卖出的Galaxy S21将全部搭载Exynos 2100芯片，其他地区仍将使用高通的骁龙888芯片。但三星认为美国市场的销量可能会占据总销量的60%，因此现有产能不得不偏向Exynos 2100，同时减少骁龙888的产能，一并受到影响的还有Galaxy A系列和Vivo X60 Pro使用的Exynos 1080芯片。
 
小结
 
从已面世的5nm芯片看来，手机处理器仍是先进制程的主要战力，不管是显示芯片还是汽车芯片都只能退而求次，去抢占成熟工艺的产能。但这也暴露了新制程在产能和良率上的劣势，面临日益激化的芯片性能竞争，不少厂商为了享受先进制程的性能红利，占据一丝市场优势，不得不忽略这些因素，在芯片缺货潮下也要推出自己的新产品。面临这样的挑战，或许三星与台积电的5nm工艺之争真没有赶上一个好的时间节点。

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