臺積電5nm與三星5nm的本質(zhì)差異 三星5LPE與臺積電N5詳解

“5nm翻車”也算是近期的一個熱門話題了，似乎去年下半年發(fā)布的，包括驍龍888、麒麟9000、蘋果A14等在內(nèi)的一眾應(yīng)用了5nm工藝的手機芯片，都在功耗和發(fā)熱表現(xiàn)上不夠理想。

驍龍888（小米11）跑個Geekbench 5，單CPU功耗就達到了7.8W，堪稱驍龍近代能耗比最差，Adreno GPU性能首次遜于隔壁Mali；而麒麟9000（華為Mate40 Pro）雖說GPU性能上去了，但在光明山脈測試中，跑出了11W的峰值功耗；這都是向著PC功耗看齊的節(jié)奏了。很多媒體也因此將5nm冠以“集體翻車”的名號。

高通驍龍888、三星Exynos 2100選擇三星5nm，而海思麒麟9000、蘋果A14選擇了臺積電5nm。事實上，即便都叫5nm，臺積電和三星的5nm工藝也差異甚遠——所以“集體翻車”這種說法首先就值得商榷。這兩者甚至不該直接比較。本文我們根據(jù)Wikichip、Semiwiki、Semiconductor Digest等機構(gòu)所做的研究，嘗試談?wù)剝杉?nm工藝的一些基本差異。

雖說從微觀層面，比如材料、晶體管性能等無法直接比較；而且臺積電甚至沒有公開5nm工藝晶體管的關(guān)鍵尺寸（暫時也沒有5nm工藝的相關(guān)“拆解”）。本文僅嘗試給出兩者大方向上的差異。

雖說主流芯片功耗爆表是否真的與臺積電、三星的5nm工藝有關(guān)，個人持保留意見。但通過這篇文章，我們也能更好地理解，如今的尖端工藝發(fā)展成了什么樣。

到底晶體管的哪個部分是5nm？

在探討兩種5nm工藝差異前，首先仍需明確一個概念。即現(xiàn)在的“幾nm”工藝這樣的稱謂，頂多就是個營銷概念。不管是7nm還是5nm，晶體管或者芯片微觀層面，都不存在哪個幾何參數(shù)是7nm或5nm。如此一來，5nm也就名副其實地成為了一個虛指，它僅能用于表達一個工藝節(jié)點，“5”不存在實際意義。

早在1997年以前，幾點幾微米或幾百納米工藝，的確是指晶體管上gate（柵或閘）的長度（Lg）。比如0.35μm，350nm，確實就是指gate長度為350nm。在350nm制造工藝以前的時代，工藝數(shù)字步進以0.7倍為節(jié)奏，比如350nm x0.7，下一代工藝就該是250nm了。

FinFET結(jié)構(gòu)晶體管

不過到了奔騰3時期的250nm工藝，實則已經(jīng)不再真正指代晶體管gate長度。250nm節(jié)點的gate長度已經(jīng)來到了190nm，但晶體管的其他部分卻無法以對等的比例來同步縮減。從這一時期開始，工藝節(jié)點的這一數(shù)字便不再具有太大的實際意義。2012年22nm節(jié)點問世時，隨之而來的FinFET晶體管結(jié)構(gòu)。這種3D結(jié)構(gòu)要用一個數(shù)字來衡量晶體管尺寸也更難了。

在20nm以后，越來越多的節(jié)點數(shù)字也拋棄了0.7倍步進的傳統(tǒng)。14nm、7nm、5nm雖然仍遵循0.7倍步進傳統(tǒng)，但12nm、8nm、6nm、4nm等則顯然更具營銷意味了。自不必說，這些數(shù)字本身，除了表達工藝迭代之外，便再無更多意義。

若一定要說在晶體管上，與如今這個節(jié)點數(shù)字還有所關(guān)聯(lián)的部分，那大概就是fin寬度了，上面這張圖是Intel的14nm與10nm兩代工藝，晶體管各關(guān)鍵參數(shù)的變化，其中fin寬度大致與節(jié)點數(shù)字是一個量級。

臺積電5nm與三星5nm的本質(zhì)差異

我在去年《同樣是臺積電7nm，蘋果和華為的7nm其實不一樣》一文中曾大致總結(jié)過，臺積電與三星7nm可認為是同代工藝，從Wikichip預(yù)估的數(shù)字來看，這兩者的晶體管密度（高密度庫）應(yīng)該也差不了多少。

但這兩家fab的工藝路線方向卻已經(jīng)發(fā)生了較大差異。在7nm時代，三星foundry以更激進的姿態(tài)，率先在多個疊層采用了EUV（極紫外）光刻。臺積電的7nm路線圖中，至少N7與N7P工藝仍然沒有采用EUV，直到N7+才用上了4層EUV光刻層。

臺積電N7+工藝的情況比較特別。市面上選擇了N7+的芯片似乎很少——知名的大概也就是Kirin 990 5G版了（Kirin 990 4G版用的是N7工藝）。而且N7+與N7/N7P并不兼容。

臺積電N7后續(xù)的完整迭代自然就是N5了——節(jié)點數(shù)字也符合0.7倍步進的節(jié)奏。所以對臺積電而言，5nm的確就是7nm的迭代工藝。

但三星這邊可不一樣。三星近些年的路線演進，開始走完整迭代時的大步子。比如在三星眼中，10nm到7nm屬于節(jié)點的完整迭代，所以7LPP就相對激進地用上了EUV。在7LPP往后，三星foundry路線圖的完整迭代，下一代工藝應(yīng)該是3nm（3GAA）。且7nm->3nm的工藝迭代，邁的大步在于晶體管結(jié)構(gòu)從FinFET，演進至GAAFET（Gate-All-Around FET）或/和MBCFET，也就是傳說中的納米線和納米片。

而5nm在三星眼中實則屬于1/4代工藝，或者說5LPE屬于7LPP工藝的同代加強，是向3nm工藝的過渡。三星的7nm與5nm的關(guān)系，更類似于其10nm與8nm的關(guān)系，如上圖所示。三星7LPP工藝同代加強，還包括了6nm、5nm、4nm。

如此一來，臺積電和三星（以及Intel）未來的工藝迭代可能要進一步發(fā)生分歧。比如臺積電預(yù)期中的3nm，至少前期并不打算采用GAA結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，3nm就屬于題外話了，而且雖然三星的3GAA工藝PDK前年就進入了Alpha階段，但其量產(chǎn)至少也要等到明年。

這種迭代節(jié)奏上的差異（以及雙方7nm的起點差不多），導(dǎo)致了臺積電在5nm節(jié)點上跨的步子，會明顯比三星更大，或者說更先進。至于后續(xù)3nm如何，尚不得而知。所以N5與5LPE理論上是兩家公司的兩個不同產(chǎn)品，而不應(yīng)將其理解為某個固定標準下，雙方各自交出的答卷。

兩種5nm工藝的晶體管密度

鑒于篇幅關(guān)系，本文就不再科普FinFET晶體管結(jié)構(gòu)，以及Fin Pitch、Gate Pitch、CPP、不同金屬層的基本概念了。對這些內(nèi)容感興趣的同學(xué)，可閱讀《為什么說Intel的10nm工藝比別家7nm更先進？（上）》，里面有比較詳細的科普。

下面這兩張圖表給出的數(shù)據(jù)分別來自Scotten Jones（IC Knowledge，via Semiwiki）和David Schor（WikiChip Fuse）。下圖綜合了三星、臺積電已公開的信息，以及針對現(xiàn)有公開信息的一些分析。

來源：Scotten Jones, IC Knowledge via SemiWiki[1]，發(fā)布于2019.5

來源：David Schor, WikiChip Fuse[2]，發(fā)布于2020.3

這其中值得一提的主要是晶體管密度（Transistor Density），此處IC Knowledge預(yù)計臺積電N5工藝的密度為173.1 MTr/mm2（百萬晶體管每平方毫米，特指邏輯電路HD高密度單元庫），WikiChip Fuse此前預(yù)估數(shù)字則為171.3 MTr/mm2[2]。

IC Knowledge預(yù)計三星5LPE工藝的晶體管密度（UHD超高密度單元）126.5 MTr/mm2，WikiChip則預(yù)估為126.89 MTr/mm2[3]。

臺積電N5邏輯電路1.84倍晶體管密度提升，與同功耗水平下15%速度提升

雖然有區(qū)別，但量級上差不多，臺積電N5還是比三星5LPE要高出不少的（Scotten Jones在2019年年末又更新過一次晶體管密度預(yù)估，似乎又大了不少[4]）。無論如何，這一點也能看出臺積電和三星的5nm雖然都叫5nm，但跨步幅度還是很不一樣。

另外在CPP（contacted poly pitch，柵間距）、M2P（Metal 2 Pitch，金屬間距）這樣的晶體管關(guān)鍵數(shù)值上，大神們預(yù)估的值也有一些差異，IC Knowledge標臺積電N5工藝的CPP是50nm，WikiChip則估算為48nm；而M2P，IC Knowledge后來又將其更新到了28nm。這兩張表格僅供參考——注意其發(fā)布時間也有差異。

事實上，三星5LPE與上一代7LPP相比，就單個晶體管的關(guān)鍵參數(shù)來看，各部分是幾乎沒有變化的，晶體管密度提升依靠的主要是單元庫變化，以及各種scaling booster方法（比如SDB）。

臺積電N5可不是這樣。此處未詳細列出N5相比N7的晶體管各部分關(guān)鍵參數(shù)變化。從WikiChip提供的數(shù)據(jù)來看，CPP間距N7為57nm，N5則為48nm；MMP則從40nm縮減到了30nm[5]。這也進一步佐證了三星5LPE屬于7LPP的同代加強或過渡，而臺積電N5是N7的完整迭代。

驍龍888“翻車”都是5nm的鍋嗎？

很多人說高通被三星坑了，這話大抵上是站不住腳的，或者其功耗表現(xiàn)不佳并不只是三星的鍋。芯片設(shè)計12-18個月周期，在前期定義配置時，選擇的制造工藝就已經(jīng)定下來了，如今設(shè)計與制造的緊密程度是相當(dāng)之甚的——且當(dāng)代工藝差異，也不大可能在芯片設(shè)計階段中途突然就轉(zhuǎn)到另一種工藝上。

高通驍龍888選擇三星5LPE工藝，必然是有自己的考量的。高通也絕對不可能不知道，前文提到5LPE與N5工藝這些最基本的差異。至于高通的考量究竟是制造成本本身，還是設(shè)計IP的遷移便利性，就不得而知了?；蛟S將來TechInsights的深度拆解能探索一二。

此前的文章里提到過，這些晶體管密度數(shù)字只具有參考價值。一方面在于不同時代計算晶體管密度的方法是有差別的，這在《為什么說Intel的10nm工藝比別家7nm更先進？（上）》一文中就已經(jīng)詳細提過了。而且一顆芯片上，晶體管并不是只有邏輯電路，更非僅采用HD高密度單元，晶體管也不是均勻分布。具體的仍要看芯片本身的設(shè)計。

在IEDM上，臺積電提到對于包含60%邏輯單元、30% SRAM，以及10%模擬I/O的移動SoC而言，其5nm工藝能夠縮減芯片35%-40%的尺寸——這樣的值是更具參考價值的。

至于工藝迭代或增強，對性能、功耗產(chǎn)生的具體影響，廠商公布的數(shù)字恐怕是很難驗證的。后文會提到三星5LPE通過引入6T UHD單元、減fin以減少單元高度的方式來實現(xiàn)晶體管密度33%的增加。它對性能帶來的影響也很難考證，或者我們這些業(yè)外人士也無法搞清楚，這種方案究竟是好還是不好。

去年在上海舉辦的Exynos芯片發(fā)布會上，三星有提到5LPE令芯片面積降低35%，功耗效率提升20%，性能表現(xiàn)提升10%。臺積電則針對N5的功耗和性能數(shù)字提過，同功耗下速度提升15%，同性能下功耗降低30%。這些數(shù)字的意義可能都并不大，尤其在面對各種不同的IC設(shè)計時。

舉個例子，驍龍888的CPU部分，大核心Cortex-X1。Cortex-X1是Arm的Greek家族CPU架構(gòu)，它與當(dāng)時一同公布的Cortex-A78在設(shè)計理念上就有較大差異。通常移動CPU更看重低功耗，并且要在功耗、性能與面積（PPA）之間達成平衡，功耗與能耗比更是每年Arm升級IP的重點。

但Cortex-X1是打破了這種傳統(tǒng)的。其設(shè)計指針更偏向性能，且在功耗、面積方面有一定妥協(xié)。X1架構(gòu)有了明顯拓寬，在A78設(shè)計基礎(chǔ)上，再加包括前端5-wide解碼寬度，renaming帶寬最高每周期8 Mop，NEON加倍，L2、L3 cache加倍等。Mop cache條目加倍，甚至比Intel Sunny Cove（十代酷睿）還要大。

比較具有代表性的是Re-order Buffer（ROB）增加到224條目，此前是160，以提升指令亂序與并行度。以前Arm在這方面是一直偏保守的。Arm以前曾提過，ROB拓寬帶來的性能提升，與芯片面積增加，兩者關(guān)系不呈線性，而且還需要以功耗為代價。Cortex-X1顯然已經(jīng)看破這些了。更多有關(guān)Cortex-X1的架構(gòu)拓寬，不是本文要探討的重點。

雖然論架構(gòu)寬度，Cortex-X1的基礎(chǔ)設(shè)計還是沒法和蘋果Firestorm（M1與A14）比，但Cortex-X1面向芯片制造商開始采用一種”Cortex-X Custom Program”授權(quán)計劃。這種授權(quán)方式下，客戶可以對微架構(gòu)做進一步定制，比如說要求更大的ROB、改進的prefetcher等。我們不知驍龍888針對Cortex-X1的具體實施，不過它以性能為更高優(yōu)先級的設(shè)計，致驍龍888產(chǎn)生不對等的功耗，設(shè)計與IP也是重要因素。

Arm在此前發(fā)布Cortex-X1時大力宣傳了其IPC及性能提升，但對功耗和面積效益語焉不詳。AnandTech猜測，X1面積和功耗都可能是A78的1.5倍；在預(yù)設(shè)功耗（power）下，X1核心的能效（energy efficiency，每焦耳的性能）會比A78糟糕23%[6]。

當(dāng)然我們不能就此認定，驍龍888峰值性能下的功耗與能效比都是Cortex-X1的問題，而且Cortex-X1設(shè)計原則本身就是如此。驍龍888涉及到的問題可能覆蓋了Arm、高通、EDA工具廠商，以及三星foundry。何況驍龍888 GPU部分的Adreno 660針對上代改進（提頻）也比較倉促。單純說驍龍888的功耗問題需要三星5LPE工藝背鍋，顯然是不靠譜的。

至于很多人說5nm“集體翻車”，前文談到了臺積電N5工藝與三星5LPE差異較大，演進方向也不同。而將5nm一概而論，以驍龍888和麒麟9000為例來說“這一代工藝都不行”更是無稽之談。在麒麟9000的GPU IP上，Arm為Mali G78設(shè)計，堆至多24個核心原本就相當(dāng)令人困惑。

即便要說臺積電N5工藝“翻車”，或者三星5LPE“翻車”，這兩輛車“翻”的姿勢和方向應(yīng)該也有很大差異。

再提一提后續(xù)改進版工藝，三星方面自然就是4LPE了，而臺積電則為N5P。4LPE的晶體管和大部分基本思路都與5LPE一致，不過金屬互聯(lián)間距有進一步的縮減；而臺積電的N5P與N5有著相同的設(shè)計規(guī)則，完全的IP兼容性，同功耗下7%性能提升，同性能夠下15%功耗降低。

三星5LPE與臺積電N5詳解（選讀）

以下部分作為本文選讀內(nèi)容，僅針對感興趣的讀者。這部分內(nèi)容只反映了臺積電和三星公開的有關(guān)N5和5LPE的事實，無法作為直接比較的依據(jù)（因為三星和臺積電公開的信息內(nèi)容其實并不對稱）；另外也包含來自WikiChip Fuse、Semiconductor Digest的點評和設(shè)想；另外個人進行了少量信息補充，貽笑大方之處歡迎指正。其中的大部分內(nèi)容是早就公開的信息。

（1）三星5LPE

有關(guān)三星5LPE工藝，Exynos 1080剖析文章中已經(jīng)有比較詳細的介紹，這里做一些簡單概括。

如前文所述，在晶體管尺寸方面，5LPE相比7LPP幾乎沒有變化，包括fin pitch、gate pitch、各層金屬間距等。對于芯片設(shè)計方而言，7LPP到5LPE的設(shè)計IP可極大程度復(fù)用[8]。5LPE的幾個改進重點包括：

引入一種新型的6T UHD（超高密度）單元庫。6T UHD單元相比三星7nm HD單元縮減了一個fin。如此一來，整個單元高度就變小了，可實現(xiàn)面積縮減、密度提升。當(dāng)然，為了防止性能下降，需要考慮做材料或結(jié)構(gòu)加強，包括low-k spacer、DC等方面。具體細節(jié)不了解。

來源：Arm TechCon 2019[7]

6T UHD單元包括采用SDB（single diffusion break）、36nm的M2金屬間距，CB on RX edge（RX是指單元的活躍區(qū)域，CB屬于額外的本地互聯(lián)層，在單元內(nèi)橫向布局，將接觸層的觸點連接到多晶硅本地互聯(lián)——位于第一層金屬層之下，也就是MOL互聯(lián)；所以CB on RX edge也就是CB互聯(lián)層用到單元活躍區(qū)域邊緣）。

UHD單元可實現(xiàn)33%的密度提升，不過這種單元庫并不會應(yīng)用于高性能需求的關(guān)鍵路徑部分，畢竟高性能總是以犧牲密度為代價的。更稀疏的7.5T HD單元仍然是必要選擇（似乎比7nm HD單元還要高），三星的數(shù)字是其性能提升11%。7.5T UHD單元之間并未采用SDB，而是MDB（pMOS為SDB，nMOS為DDB）。

另外5LPE工藝還引入一種低漏電的1-fin device（1個p fin，1個n fin），可提供至多20%的功耗節(jié)約。實際上，從這些改進也不難發(fā)現(xiàn)，5LPE的確主要是基于7LPP工藝的加強——雖然有關(guān)6T UHD單元的晶體管加強細節(jié)信息并不多。

（2）臺積電N5

最后主要來說說臺積電N5工藝。事實上，臺積電公開N5工藝的細節(jié)也不多，前文提到有關(guān)N5晶體管的數(shù)字，都是大佬們自己依據(jù)經(jīng)驗給出的。臺積電在IEDM2019放出了比較多有關(guān)N5工藝的消息。

首先是EUV光刻技術(shù)的采用，前文的表格中也提到了N5有14層EUV光刻層——這比N7+就多了不少（先前的數(shù)據(jù)是N7+的EUV光刻層為4層，N6可能是5層）。此前7nm介紹文章中提到過，像偏底部、間距比較小的金屬層，在常規(guī)DUV下就需要依靠SAQP或者LE3外加多個刻版掩模才能搞定。應(yīng)用EUV之后，所需掩模層就少了很多。臺積電在paper中提到N5的EUV層，替換了此前至少4倍的浸入層（immersion layer）——對比的可能是N7+。

可以從上圖看到，EUV掩模圖案也更清晰，或者說有更高的保真度；減少掩模數(shù)量、提升保真度，本身也對生產(chǎn)時間成本、良率有幫助。當(dāng)然三星5LPE所用的EUV層從前文的圖表看來，也并不少。

臺積電N5相比N7，總體上就減少了掩?！宜坪跏枪に嚨鷼v史上，首次減少了掩模數(shù)量（WikiChip給出的數(shù)據(jù)是，14/16nm大約60層掩模，10nm則為78層，7nm為87層，5nm回到了81層；如果沒有應(yīng)用EUV的話，WikiChip預(yù)計N5需要115片掩模[2]）。

N5迭代的第二個重點是晶體管的HMC（High Mobility Channel，高遷移溝道）。這項改進主要是為了提升驅(qū)動電流。上圖有展示HMC與硅，兩種溝道材料方案的驅(qū)動電流與漏電流關(guān)系比較，HMC有18%的性能優(yōu)勢。

其中右圖展示的是，從fin頂端到底部，隨溝道深度變化而產(chǎn)生的溝道應(yīng)力變化。臺積電沒有給出HMC的更多信息。WikiChip認為，HMC的本質(zhì)是針對pMOS采用SiGe（鍺化硅）[2]，Semiconductor Digest也在分析文章中做了類似的猜測[9]。

Intel 10nm工藝介紹中的SDB，單元之間共享一個dummy gate，以節(jié)約空間

Intel 10nm工藝介紹中的COAG，MOL與gate的接觸點位置發(fā)生變化，以節(jié)約空間

在工藝迭代中，有一個詞叫scaling booster。這個詞描述的是在常規(guī)晶體管尺寸縮減技術(shù)之外的加強方案。比如說SDB、COAG——這些在Intel 10nm介紹文章的上篇中都有談到過，Intel在宣傳中稱其為hyperscaling。前文三星5LPE的某些尺寸縮減方案也能見到scaling booster，比如SDB。

臺積電N5工藝的scaling booster方案主要包括了“unique diffusion termination”，國外這些分析機構(gòu)普遍認為，這項技術(shù)的本質(zhì)應(yīng)該就是SDB[2][9]，即單元之間共享一個dummy gate（如上圖）；另外，N5也采用了COAG方案，即將gate contact直接放在晶體管active區(qū)域上方（如上圖）——Intel 10nm工藝也采用了這項技術(shù)。這兩種技術(shù)更多的介紹，都可參見Intel 10nm技術(shù)文章。

此外，N5的每個晶體管類型都有至多7種Vt（閾值電壓）選擇，以此來滿足不同的能效需求。其中有個新的eLVT（extreme LVT，LVT是指Low Voltage Threshold）晶體管，相比7nm能夠?qū)崿F(xiàn)15-25%的速度提升。

臺積電還談到一種3 fin的單元——面向HPC應(yīng)用（此前規(guī)劃中N5就有面向移動客戶和HPC客戶兩種），有額外10%的性能優(yōu)勢，密度也會相對低一些。

BEOL金屬互層的改進在于，間距最小的RC（接觸電阻）與via電阻（通路電阻）相比N7工藝的增加并不大。臺積電實現(xiàn)這一點靠的是EUV，以及“innovative scaled barrier/liner, ESL/ELK dielectrics, and Cu reflow”。

Barrier和liner（阻隔層與襯墊）以及電介質(zhì)（etch-stop layer, extreme low-k）在此前的文章里已經(jīng)有過介紹，不過此處在表達上比較模糊，這里的銅reflow不清楚具體是什么工藝。不過電阻的控制，在互聯(lián)延遲方面是有很大價值的。

SRAM部分，在N5工藝下，HC（高性能）單元面積0.025 μm2，HD（高密度）單元面積0.021 μm2。WikiChip提到即便是其中的“高性能”單元，其密度也高于市面上已知的SRAM單元[2]。另外還有ULHD（超低漏電）單元有更高的能效，HSHD高速單元則在面積方面有優(yōu)勢，可替代HC單元[10]。

下面這張圖是ULHD、HD、HSHD單元的電流與漏電流關(guān)系；以及HD SRAM的Vin與Vout對應(yīng)曲線。

上面這張圖則展示了N5工藝下的HD單元陣列作為L1 cache時（基于135Mb測試芯片），0.85V能夠達到4.1GHz的頻率。

N5的其他改進還包括了面向高速IO，PAM-4 SerDes在112Gb/s速率下功耗0.78pJ/bit，130Gb/S功耗0.96pJ/bit。金屬互聯(lián)上層MiM（Metal-insulator-Metal）相比一般HD-MiM高出4倍的電容密度，提升4.2% Fmax等。[11]

更多有關(guān)臺積電N5與三星5LPE工藝的內(nèi)容，可參見參考來源中給出的這些鏈接以及IEDM的paper，以上只簡略地談到了其中一部分。從這些資料也能大致上看出，如果將5nm作為一個統(tǒng)一的節(jié)點，則臺積電N5顯然有著更積極的部署，而三星5LPE則是個過渡工藝；后續(xù)4LPE與N5P的競爭也不會改變這一局面。但3nm的競爭可能又會大不一樣了。

編輯：hfy