從臺積電的7nm工藝資料中推測麒麟980將有哪些技術(shù)提升？

本月，全球第一款采用7nm工藝的手機處理器麒麟980將揭開面紗，這一次，和16nm麒麟960，10nm工藝麒麟970一樣，華為手機處理器再度在去全球領(lǐng)先。和麒麟970相比，麒麟980會有哪些提升？雖然華為沒有公布數(shù)據(jù)，但我們可以從目前臺積電公布的7nm工藝資料中做一些推測。

2018年，半導(dǎo)體工藝正式跨入7nm時代，臺積電、格羅方德、三星等都宣稱要量產(chǎn)7nm工藝芯片，不過臺積電可能最早量產(chǎn)7nm 工藝芯片，據(jù)稱其已經(jīng)獲得了50多家客戶訂單，包括華為海思、NV、賽靈思、AMD等這些大客戶，芯片應(yīng)用涵蓋智能手機、游戲主機、處理器、AI應(yīng)用、挖礦機等等。

相比10nm工藝，7nm有哪些提升，讓臺積電才在2017年量產(chǎn)10nm之后就迫不及待的在2018年升級？7nm帶給我們哪些驚喜？給我們帶來哪些驚喜？這里結(jié)合一些公布的論文和技術(shù)參數(shù)管窺一下。

1、7nm是半導(dǎo)體工藝史上一個極其重要的工藝節(jié)點

在ISSCC 2017大會上，臺積電的存儲器組詳細(xì)介紹了他們采用TSQ7nm HK-MG FinFET工藝制造的256 Mib SRAM芯片（如下圖所示），該芯片具有42.64mm2的芯片。 整個裸片大小是16nm工藝版/1/3左右（0.34X）， 與10nm工藝相比，臺積電的7nm工藝密度提升為1.6倍。臺積電聲稱其7nm工藝將性能提高20％，功耗降低40％

據(jù)悉，臺積電的7nm節(jié)點將有兩個版本，一種針對移動應(yīng)用進行了優(yōu)化，另一種針對高性能應(yīng)用進行了優(yōu)化。 臺積電還計劃下半年引入第二個改進工藝，稱為7nm +，會采用EUVL技術(shù)處理一些層。 這會提高產(chǎn)量并縮短晶圓周期時間。 與第一代7nm工藝相比，7nm +工藝將功耗和面積優(yōu)化的更好。

根據(jù)臺積電（TSMC）CEO魏哲家的說法，到2018年底將有超過50個產(chǎn)品完成7nm設(shè)計定案（Tape out）。其中，AI芯片、GPU和礦機芯片占了大部分的產(chǎn)能，其次是5G和應(yīng)用處理器（AP）。

這是7nm工藝和10nm、16nm工藝性能提升對比

從圖上看出，跟10nm、16nm工藝相比，7nm工藝在功耗、性能和面積上有很大提升，與16nm相比提升非常顯著，超過其他幾個工藝節(jié)點的升級幅度！例如如果從16nm升級到7nm，芯片面積可以縮小到原來的1/3！而且從10nm升級到7nm功耗和面積也優(yōu)化幅度很大，此外，7nm工藝將適用于各類處理器（10nm僅用于移動處理器），所以7nm工藝是一個半導(dǎo)體制造上的一個重要節(jié)點，圍繞這個節(jié)點，EDA公司和IP開發(fā)了大量產(chǎn)品，所以7nm工藝將和28nm工藝節(jié)點一樣，會維持較長的時間，會有很長的生命周期。

所以，據(jù)此我們可以推測麒麟980的晶體管數(shù)量會有很大提升，而且憑借華為海思的設(shè)計功力，其在功耗上會做很好的優(yōu)化。未來依托7nm工藝，麒麟可能會有中低端處理器系列比如7系列，或者6系列，形成高中低完全覆蓋的布局。

2、7nm工藝激發(fā)了封裝技術(shù)升級

我們都知道，XXnm其實指的是集成電路上形成的互補氧化物金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管柵極的寬度，也被稱為柵長。隨著工藝技術(shù)升級，整個集成電路的面積縮小，集成電路的節(jié)距也隨之縮小、所以必須采用更先進的封裝技術(shù)。

據(jù)悉，臺積電會采用CoWoS（基板上芯片上芯片）和集成扇出（InFO）晶圓級封裝等技術(shù)應(yīng)用在7nm工藝芯片上。此外，臺積電開發(fā)了其系統(tǒng)級封裝技術(shù)，以進入先進的SiP（系統(tǒng)級封裝）領(lǐng)域。SiP被認(rèn)為是5G高速連接時代的重要封裝技術(shù)。具有5G功能的智能手機會大量采用SiP封裝技術(shù)。

據(jù)此判斷，麒麟980應(yīng)該也采用了更先進封裝技術(shù)，據(jù)傳封測公司還未麒麟芯片量身打造了專用的測試設(shè)備。

3、一級高速緩存性能大提升，麒麟980主頻大突破？

我們都知道，緩存定義為CPU與內(nèi)存之間的臨時數(shù)據(jù)交換器，它的出現(xiàn)是為了解決CPU運行處理速度與內(nèi)存讀寫速度不匹配的矛盾——緩存的速度比內(nèi)存的速度快多了。

目前一般高級CPU都采用了三級緩存形式（包括L1一級緩存、L2二級緩存、L3三級緩存）都是集成在CPU內(nèi)的緩存，它們的作用都是作為CPU與主內(nèi)存之間的高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，L1最靠近CPU核心；L2其次；L3再次。運行速度方面：L1最快、L2次快、L3最慢；容量大小方面：L1最小、L2較大、L3最大。CPU會先在最快的L1中尋找需要的數(shù)據(jù)，找不到再去找次快的L2，還找不到再去找L3，L3都沒有那就只能去內(nèi)存找了。如下圖所示，其中一級高速緩存非常重要，它將與CPU 的主頻進行匹配，如果一級高速緩存能實現(xiàn)高速度則意味著可以進一步提升CPU主頻。

高速緩存也叫SRAM，一般采用6晶體管形式（6T）組成一個存儲bit 單元，在臺積電公布的數(shù)據(jù)上，SRAM的bit存儲信息存儲在四個場效應(yīng)管交叉耦合組成的反相器中（其原理這里不贅述），如下圖所示：

在臺積電公布的測試數(shù)據(jù)中，一級高速緩存有驚喜的表現(xiàn)！這是顯微鏡拍攝的采用7nm High-K Metal-Gate FinFET 工藝技術(shù)的SRAM

這是測試的速度！在1.12V左右速率竟然可以高達5.36GHz!太驚喜了！這意味著采用7nm工藝的CPU主頻有望實現(xiàn)更高突破！它帶來的性能提升是超乎想象的。此外，CLK-to-WL、Double-WL 和 wl_clk RC延遲都大大減少了，這也可以進一步提升CPU性能。

這個提升是最激動的人心的，這意味著麒麟980主頻可以有很大提升空間，如果能提升超過3GHz那將是劃時代的！值得期待！

以上只是管窺了7nm工藝帶來的幾個性能突破點，實際上，7nm工藝還有更多驚喜，不過，據(jù)報道，目前開發(fā)10nm芯片的成本超過1.7億美元，而7nm則達到了3億美元，5nm更是高達5億美元，3nm直接將超過15億美元。隨著工藝成本日益提升，只有少數(shù)幾個IC巨頭如華為、NV、AMD等敢于投入跟進這場工藝豪賭。

而且，芯片戰(zhàn)略是需要長期投入的，手機廠家也不例外。據(jù)悉華為海思2015年開始就投入7nm工藝的研究，當(dāng)時就跟TSMC一起做標(biāo)準(zhǔn)庫的研究與開發(fā)，大概進行了幾十個月的研究期，包括芯片可靠性研究等。為啥華為和TSMC會有如此緊密的合作，為啥華為在16nm,10nm,7nm一路領(lǐng)先？下一篇，我就寫寫華為和臺積電如何好基友，如何敢嘗工藝“頭啖湯”。