芯片7nm指的是什么 7nm工艺是什么意思( 二 )


如果你对这些值都没有概念,那么将其反映到更具体的IP或产品大致可了解其价值 。高通在2019 VLSI Symposium超大规模集成电路会议上表示,N7工艺让高通的骁龙855获得了30-35%的芯片面积红利(上代骁龙845实际上采用的是三星的10nm工艺),包括逻辑电路、SRAM区域与综合的芯片面积 。高通对比骁龙855的典型速度路径下,台积电7nm与三星10nm工艺的速度与功耗曲线 。相同功耗下,速度提升10%;相同速度下功耗降低35% 。
骁龙855总共是67亿晶体管;其CPU部分分成三组,一个A76大核心(Kryo 485 Gold)主频2.84GHz,三个主频2.42GHz的A76核心为一组,四个主频1.80GHz的A55核心(Kryo 485 Silver) 。高通表示2.42GHz的这组核心,在相同功耗下,性能相比骁龙845提升了20%;小核心则提升了超过30%——当然这也并非全部工艺带来的红利,设计IP架构变化也相关 。两者分别的贡献在高通看来是一半一半的 。
比较有趣的是,骁龙855在CPU制造方案上用到了台积电的上述两种N7方案:其中的一个高主频的大核心(prime core)采用的是HP高性能cell方案,而其他两组核心用的是HD低功耗cell方案 。看起来是种相对奢侈的组合方法,在一颗SoC上应用了一种制程的两种方案 。所以即便是同一种N7工艺,同代都仍有差别 。
改良与进化:N7P与N7+
N7可以认为是台积电7nm的初代方案 。去年台积电推出N7P(N7 Performance-enhanced version),或者叫第二代7nm 。这是N7初代方案的改良版,仍然采用DUV,相同的设计准则,而且和N7是完全IP兼容的 。
N7P做了FEOL(前段工序)、MOL(中段工序)优化,在相同功耗条件下提升7%性能;相同速度下降低10%功耗[3] 。iPhone 11系列的苹果A13 SoC即采用N7P方案,今年即将量产的骁龙865也用此工艺——似乎有许多人对于骁龙865未采用EUV表示不解 。
而N7+与N7P又是不同的,它在某些关键层真正开始采用EUV极紫外光刻,其大规模量产是从2019年第二季度开始的 。N7+按照台积电所说有着1.2倍的密度提升(这里的密度应该就是指晶体管密度),相同功耗下提升10%性能,相同性能下降低15%功耗——所以在整体表现上会优于N7P 。台积电当时就宣布N7+工艺制造良率和N7基本差不多 。
图片来源:华为
海思Kirin 990 5G版也因此不仅是改换了modem模块,而且在工艺及某些物理层上也是一次翻新 。华为在发布Kirin 990系列时就宣称Kirin 990 5G是业内“首个使用EUV工艺打造的芯片” 。所以Kirin 990 5G也的确一定程度推高了CPU和GPU的频率,NPU的“大核心”还多加了一个 。无奈并没有分析机构给出Kirin 990 4G版本的die shot和芯片面积数据,所以也无法对比N7+在面积效率方面相比N7做出的提升 。
值得一提的是,N7+的EUV光刻层是4层:就去年年中的消息来看,台积电还有更进一步的N6工艺节点,会采用更多的EUV层(似为5层),虽然N6也并不是一个长期节点 。而且N6在设计准则和IP方面,与N7兼容 。也就是说芯片设计可以复用N7相同的设计生态,比如相同的工具,以直接降低开发成本 。N7的设计可以在N6节点上再次流片,在EUV掩膜、保真度提升方面也有提升;PODE(poly over diffusion edge)与CNOD(continuous diffusion)standard cell能够达成18%的密度提升 。
N6和N7+似乎是两条不同的路径,因为N7+并不能达成N6这样的兼容性,且N7+实际有着密度方面略为领先的优势 。这可能也是今年骁龙865并未选择N7+的原因,N7P与未来的架构设计过渡可能将更加平缓 。去年5月的财报电话会议上,台积电表示大部分N7客户(而不是N7+客户)最终都将转往N6(6nm)工艺[4] 。台积电预计是今年较早时间完成N6的风险生产,到今年年末以前达成良率和产量的提升——这个节点会与N5同期进行 。

推荐阅读