傳三星5nm“翻車”？先進工藝恐欲速不達

（電子發(fā)燒友報道/文周凱揚）自蘋果的A14和M1、華為的麒麟9000芯片推出以來，臺積電成功在2020年率先成為5nm工藝量產出貨的代工廠。但同樣擁有頂尖工藝的三星也不甘落后，先后推出了Exynos 1080、驍龍888和Exynos 2100三款芯片。盡管力求后發(fā)制人，但三星的5nm之路依舊并非一帆風順。

EUV成為突破工藝桎梏的關鍵

從7nm開始，臺積電和三星都不約而同地全面投入EUV光刻機，這對兩大代工廠的產能提出了巨大的挑戰(zhàn)。兩者面臨的首要問題就是EUV光刻機的高成本、低生產效率和長交期。

NXE:3400C EUV光刻機 / ASML

一臺EUV光刻機的價格就高達1.2億歐元，因此光刻機的購置和晶圓廠的建造構成了資本支出中的重頭戲，三星早在2019年就宣布將在未來十年投入1160億美元，全面支持其代工業(yè)務。為了進一步擴大5nm芯片的產量，去年三星在韓國平澤市開始建造全新的晶圓廠，預計今年2021下半年可以開始5nm芯片量產，專用于5G、HPC和AI。

而臺積電在代工業(yè)務上的資本支出更是居高不下，去年上半年臺積電的EUV光刻機占全球總數的50%，EUV生產的晶圓總量更是占據全球出貨量的60%。從近日臺積電公布的預估數據來看，2021年資本支出從2020年的172.4億美元提升至250億美元以上，更不用說在美國計劃建造的新廠。

EUV光刻機的生產效率同樣是一大問題，EUV光刻機的吞吐量在120-175wph左右，與最新DUV光刻機275wph的吞吐量相比，仍有不少改進的空間。因此臺積電和三星都在和ASML緊密合作，以求提升現(xiàn)有EUV的生產效率。臺積電提到盡管供應商和他們一直在改進EUV工具，但目前仍未達到理想水準。三星副董事長更是在去年10月親自造訪ASML總部，討論如何將EUV光刻機成熟程度提高至DUV的水準，同步改善產率和可靠性。

既然EUV生產效率低，你可能會疑惑，為何不購置多臺EUV以數量補缺呢？這是因為EUV光刻機生產過于復雜，導致交期過長限制了代工廠的產能擴張計劃。ASML在2020年內的EUV光刻機交付計劃僅有35臺，而且現(xiàn)有的制造周期最高優(yōu)化至20周，即便在這樣的理想情況下，也只能做到2021年45到50臺的EUV交貨量。三星、臺積電和英特爾往往會預定訂單，不然有限的光刻機很可能會被競爭對手買走。

5nm工藝“翻車”？

自三星的5nm手機芯片面世以來，網絡上頻繁冒出“翻車”的言論，主要體現(xiàn)在功耗表現(xiàn)差上，那么這究竟是不是三星5nm工藝5LPE的問題呢？我們不妨先來比較一下這兩家的5nm工藝。

三星的5LPE工藝風險試產時間比臺積電的N5工藝要早上一截，但量產時間卻大概晚上了一個季度。從晶體管密度上來看，三星的5LPE工藝密度為127 MTr/mm2，而臺積電的N5工藝密度為173 MTr/mm2，后者明顯占優(yōu)，但這與臺積電的N7P工藝相比，還是有提升的。

在原始表現(xiàn)上，先進制程帶來的性能提升還是顯而易見的，在GeekBench 5的CPU測試中，驍龍888與865相比，單核性能提升26%，多核性能提升10%。外掛X55基帶也已成為過去式，驍龍888換成了內置X60基帶，騰出了更多的空間。然而同樣是1+3+4的核心架構，驍龍888的X1大核卻比865的A77大核滿載功耗多出了1W，多核功耗更是高達7.8W，比驍龍865多出了近2W，能耗比也有一定降低。

在測試了功耗和能耗比后，不少人都對驍龍888下了“翻車”的蓋棺定論，但究竟是三星的5nm工藝有所欠缺，還是ARM的Cortex-X1大核設計存在問題，仍有待確認。畢竟與上一代旗艦芯片相比，不管是X1大核、A78中核還是5nm工藝等，都是多出來的變量，還有不少人認為軟件調用接口測試功耗的方法與硬件功耗測試相比并不精確。

Exynos 2100與驍龍888對比

再者目前搭載驍龍888和Exynos 1080的機型屈指可數，未來還會陸續(xù)有驍龍888的機型面世，搭載Exynos 2100的三星S21系列仍在預售當中，具體的功耗數據仍無從得知。從CPU的架構上來看，同用三星自家5nm工藝的Exynos 2100與驍龍888并無區(qū)別，仍是1個Cortex-X1+3個Cortex-A78+4個Cortex-A55的三叢集設計設計，反而在幾個核心的頻率上比驍龍888更加激進。如果驍龍888在CPU上真是因為5nm工藝翻車，那么Exynos 2100想必也不會幸免，而三星提高頻率的舉動就未免有些奇怪了。

產能吃緊，或減少客戶芯片產量

去年臺積電的5nm訂單基本全部分配給了蘋果和華為，考慮到產能有限，如果爭搶剩下的5nm訂單不僅成本高昂，更是難以出貨。就拿聯(lián)發(fā)科為例，即將公布的天璣1200很有可能采用臺積電的6nm工藝，至于5nm的天璣2000，傳聞要在2022年第一季度才會正式發(fā)布。但深受其害的不僅是臺積電，三星同樣如此。據韓國媒體Business Korea報道，因為大量手機芯片訂單的涌入，三星的代工業(yè)務甚至無法滿足自己的Exynos 2100芯片需求。

三星對于Galaxy S21系列的銷量非?？春?，預估出貨量可以達到2800萬以上。而美國市場是三星的主要市場，在該市場賣出的Galaxy S21將全部搭載Exynos 2100芯片，其他地區(qū)仍將使用高通的驍龍888芯片。但三星認為美國市場的銷量可能會占據總銷量的60%，因此現(xiàn)有產能不得不偏向Exynos 2100，同時減少驍龍888的產能，一并受到影響的還有Galaxy A系列和Vivo X60 Pro使用的Exynos 1080芯片。

小結

從已面世的5nm芯片看來，手機處理器仍是先進制程的主要戰(zhàn)力，不管是顯示芯片還是汽車芯片都只能退而求次，去搶占成熟工藝的產能。但這也暴露了新制程在產能和良率上的劣勢，面臨日益激化的芯片性能競爭，不少廠商為了享受先進制程的性能紅利，占據一絲市場優(yōu)勢，不得不忽略這些因素，在芯片缺貨潮下也要推出自己的新產品。面臨這樣的挑戰(zhàn)，或許三星與臺積電的5nm工藝之爭真沒有趕上一個好的時間節(jié)點。