6纳米工艺上的“剧情杀”

shuszhao

5月19日，高通(Qualcomm)宣布推出全新6纳米工艺制程的高通骁龙778G 5G移动平台，加之此前联发科(MediaTek)陆续推出的天玑900、天玑1100和天玑1200，以及紫光展锐发布的采用台积电6nm工艺的唐古拉T770(原型号为虎贲T7520)，一场围绕6nm工艺争斗的“剧情杀”，翻开了剧本的第一页……


高手过招

“与高手过招，才能成为真正的高手”。
在武侠小说中，高手之间的武功对决，第一招往往是决定成败的关键。以强凌弱大多先发制人，以雷霆之势一举摧毁对手；以弱击强则多是后发制人，故露破绽诱敌强攻，伺机寻隙反击；但当两个同级别的高手相遇时，如何能从对方完美的防御中找出破绽才是第一个难题。

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那么，就让我们先以时间为轴，看看三大高手是如何出招的：

[li]紫光展锐唐古拉T770[/li]

4月20日，2021紫光展锐创见未来大会，展锐5G唐古拉系列品牌横空出世。根据规划，展锐唐古拉产品家族将分别拥有6、7、8、9系四个产品系列。其中，唐古拉6系定位于5G普惠型产品，唐古拉7系强调产品体验升级，唐古拉8系主打性能先锋，唐古拉9系则代表着前沿科技。

                               
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新品牌体系下，已规模量产的T7520型号更名为T770，这也是全球首款6nm 5G芯片，已在2021年年初成功回片，在不到150个小时内，通过关键测试。搭载T770的5G终端预计2021年7月份量产上市。
基于第二代马卡鲁5G技术平台，唐古拉T770和T760同时支持5G NR TDD+FDD载波聚合、上下行解耦、超级上行等技术，实现了Sub-6GHz 5G网络的全场景覆盖增强。与没有采用全场景覆盖增强技术的平台相比，唐古拉T770和T760可提升超过100%的覆盖范围，为小区近点提升60%上传速率。
T770中的Vivimagic 6.0影像引擎是展锐自主研发的第六代影像视觉系统，在亿级像素拍照性能、4K@60fps编解码能力、120Hz高帧率刷新、HDR+显示全新架构上都做了全面性能优化与提升，例如其四核ISP处理性能就可支持高达每秒16亿像素的超高分辨率拍摄。

[li]联发科天玑900[/li]

5月13日发布的联发科天玑900基于6nm先进工艺制造，采用八核CPU架构设计，包括2个主频2.4GHz的Arm Cortex-A78大核和6个主频2.0GHz的Arm Cortex-A55高能效核心，搭载Arm Mali-G68 MC4 GPU和高能效的AI处理器MediaTek第三代 APU，支持旗舰级LPDDR5内存和UFS 3.1存储，可适配120Hz屏幕刷新率。

                               
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连接方面，天玑900集成5G调制解调器和Wi-Fi 6。支持5G Sub-6GHz全频段和5G双载波聚合技术，可实现高达120MHz的频谱带宽，同时支持SA/NSA组网、5G双卡双待、双全网通和双卡VoNR服务，结合MediaTek 5G UltraSave省电技术，可进一步降低5G通信功耗，延长终端续航。
多媒体方面，天玑900支持MediaTek Imagiq 5.0图像处理技术，采用多核ISP，搭载独家硬件级4K HDR视频录制引擎，最高支持1.08亿像素四摄组合，具备INT8、INT16和FP16运算的浮点精度，支持AI白平衡、AI自动对焦等拍摄功能，MiraVision画质引擎支持HDR10+视频播放实时画质增强功能。

[li]高通骁龙778G[/li]

除了将许多最新的顶级技术和特性引入高端智能手机，让下一代移动体验能够惠及更多消费者外，即将发布的全新荣耀50系列也将搭载骁龙778G移动平台的消息，同样受到很多消费者的关注。

                               
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骁龙778G采用6纳米工艺制程，搭载的Kryo670 CPU整体性能提升高达40%，Adreno 642L GPU的图形渲染速度较前代平台提升高达40%，集成的骁龙X53 5G调制解调器及射频系统具备毫米波和Sub-6GHz频段5G连接能力。此外，通过高通FastConnect 6700移动连接系统，骁龙778G支持数千兆比特级的Wi-Fi 6速度(高达2.9Gbps)和4K QAM，并在5GHz和6GHz频段支持160MHz信道。
骁龙778G支持三ISP和单帧逐行HDR图像传感器，可实现4K HDR10+视频拍摄，捕捉超过10亿色。AI方面，骁龙778G搭载的第六代高通AI引擎包括高通Hexagon™ 770处理器，可带来高达12TOPS的算力，性能较前代平台实现翻番，且每瓦特性能得到提升。


竞逐6nm平台所为何来？

Counterpoint Research在其最新分析中预测，联发科和高通等手机芯片制造商将继续主导全球智能手机AP(应用处理器)/SoC(片上系统)芯片组市场。该公司预计，联发科将获得全球芯片市场37%的份额，但高通仍将在5G领域以30%的份额保持领先地位。
该机构分析认为，专用的5G芯片组正变得越来越普遍。一旦生产方面的瓶颈消除，高通公司将能在2021年下半年强劲反弹。然而，争夺头把交椅的战斗将变得比以往更加激烈，因为据预测，前三名玩家在市场份额方面相互之间的差异实际上已经很小。

                               
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全球5G智能手机AP/SoC市场份额(％)预测  (图自：Counterpoint)

Counterpoint的预测数据显示，到2021年，包括7nm、6nm和5nm在内的顶尖工艺制成将占智能手机出货量的近一半，主要用于5G智能手机型号。其中，高通将有望以30％的份额在2021年全球5G智能手机AP/SoC市场中排名第一；苹果以29%的市场份额紧随其后，联发科的市场份额为28%，排名第三；三星的市场份额为10%保持不变，排名第四；海思市场份额逐渐缩小，但还在前五；紫光展锐的市场份额逐渐增加，排名第六。
联发科CEO蔡力行早在2019年便“暗示”要在6nm工艺上加大投入，所以连续推出天玑900/1100/1200也并不奇怪。而根据此前业界的分析，高通推6nm平台的目的，一是为了阻击来自联发科咄咄逼人的进攻，二是此前采用的三星5nm工艺遭遇产能不足，其产量受到限制，所以迫切希望通过6nm芯片抢夺对手在中端市场的份额。但高通产品市场总监马晓民日前在接受媒体采访时则表示，选择6nm的目的是为了扩大整体产能，确保能够拿到最佳工艺制程，保证产能和供应，对于台积电和三星不会带任何倾向性。相关消息显示，骁龙778G将为荣耀、iQOO、Motorola、OPPO、realme和小米即将发布的高端智能手机提供支持。
展锐同样将宣传的重点，放在了唐古拉T770和T760采用的6nm EUV工艺上。
“为什么要强调EUV？因为，只有引入EUV技术的6nm才是真正的6nm，这项技术也将伴随未来可能的5nm、4nm、3nm、2nm、1nm一路前行。”
我们知道，在光刻技术中，提升分辨率的途径主要有三个：一是增加光学系统数值孔径；二是减小曝光光源波长；三是优化系统。EUV相较于DUV，是将193nm波长的短波紫外线替换成了13.5nm的“极紫外线”，能够减少工艺步骤，提升良率，使之在光刻精密图案方面更具优势。
据台积电官方数据，6nm EUV工艺相比7nm工艺晶体管密度提升了18%，这意味着其性能提升了约18%，或者在保持同样晶体管数量的情况下，核心的面积可以缩小18%，使得功耗和成本可以进一步降低。相同的性能条件下，6nm EUV工艺在功耗上可以比7nm降低约8%。

                               
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图片来源：台积电

除了抢夺市场份额外，5nm处理器功耗问题，可能是相关厂商发力6nm工艺的另一大原因。
5nm工艺在处理器单位面积内提供了更多的晶体管数量，按理说能够带来更高的性能与更低的功耗，但有可能因为5nm工艺技术还不够成熟、以及对最新的A78架构和X1大核没有“驯服”好等原因，使得苹果A14、华为麒麟9000、骁龙888都或多或少的遇到了“功耗门”问题。
本刊此前刊发的文章《5nm处理器功耗“翻车”，新荣耀首作V40选联发科还是高通？》对此进行了详细剖析。文章指出，从7nm跳到5nm这个过程中，所有的芯片厂商都是“摸着石头过河”。因此，当出现一些意料之外的情况时，业界普遍对新工艺的第一代产品产生了观望心态，转而关注较为成熟的6nm EUV工艺，希望能在产品稳定性和功耗控制上得到更好的表现。
不过，即便是解决了相关的技术困扰，从去年开始的芯片缺货问题又让业界开始揪心。台积电总裁魏哲家在3月31日2021年第一季度财报电话会议上表示，整体半导体需求依旧强劲，产能短缺将至2022年。其中，成熟制程因为新产能要到2023年才会开出，短缺期间更将持续到2023年。
由于产能跟不上短期内激增的需求，因此价格上涨。某些工艺的价格甚至上涨了30-40％，这还不算芯片设计厂商通常超过10%的额外成本。Counterpoint预测称，2021年价格还将上涨。为了确保2022年的产能，芯片设计厂商正在与代工厂谈判，价格可能还将上涨至少10-20％。

                               
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台积电的资本支出和资本密集度(图片来源：Counterpoint)

近期，台积电宣布将2021年的资本支出从1月份的250-280亿美元上调至300亿美元，其中80％用于3/5/7纳米等先进工艺，10％用于先进封装技术，10％用于特殊技术。同样在本次会议上，台积电重申，由于客户看好半导体行业发展并承诺采购，2021-2023年公司将斥资1000亿美元扩张产能。这意味着2020-2025年的美元收入复合年均增长率将达到10-15％。

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