之前我對首發(fā)高通888的小米11做了整套測試。包括各種日常和不同負載的場景，瞬時表現(xiàn)和長期表現(xiàn)等，邏輯相對完備。從定量來看，當時我們也說了數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定，可能不準。不過多樣本多方法佐證，定性沒有問題，確實是性能功耗比不理想。

那么到底是為什么呢？測試中我們發(fā)現(xiàn)調度容易過激，超大核耗電和GPU超頻導致了功耗上升。這些可能一定程度優(yōu)化。另外還有一個方向就是三星5nm芯片的制程工藝。5nm芯片多多少少都有些能效比不理想。本期我們聊聊芯片和芯片制程的一些知識。

臺積電三星intel等家都說幾納米，具體是什么意思？有什么副作用？芯片發(fā)展的未來是什么？這個文章讓你明白。聲明：本文圖片來自網(wǎng)絡，僅為科普分享，不商用且不主張版權，任何人可以借用或補充糾正。

網(wǎng)友觀點：工藝制程越小越好

科學觀點：不準確，且存在極限。
晶體管是芯片的組成單位，最常見的是CMOS管。我曾經(jīng)透露過高通888在早期射頻測試的時候就燒壞過CMOS管，所以對發(fā)熱功耗有一定擔憂。當然如果優(yōu)化得當就可以避免。只是性能和功能無法兼得就需要取舍。

一、5nm，7nm，10nm指的是什么？

CMOS管是實現(xiàn)二進制0或1的單位。有3個部分，源極，漏極，柵極。跟初中燈泡電路類似。電流從源極到漏極，柵極是開關，通過高低兩個電壓的信號來實現(xiàn)控制，亮滅分別是0和1。計算機所有的運算都是轉化成無數(shù)個0和1，進行運算和儲存。能輸入0和1，就可以進行邏輯運算了。
制成說的幾納米，本來是柵極的最小線寬，也就是閥門最小寬度。這個數(shù)字越小，電流通過的損耗就越小，功耗往往越小。所以工藝制程越小，晶體管越多，性能越高，單位功耗越低。
二、通過幾nm的工藝制程數(shù)字，可以得出強弱排名嗎？

在探索更強工藝的同時，其他因素也成為了變量。比如鰭片間距等參數(shù)。所以降低柵極寬度并不是工藝提升的唯一路線。只對比工藝制程的數(shù)字無法得出優(yōu)劣的唯一答案。
比如intel的10nm工藝，每平方毫米有1.008億個晶體管。而三星的10nm才5510萬個，7nm才1.0123億個。所以intel的10nm跟三星7nm單位性能表現(xiàn)是差不多的。類似的還有臺積電的7nm+，如果橫向對比，intel的10nm比臺積電的三星的10nm都好。除了柵極的最小線寬一樣，其他關鍵指標都是intel更好。最小柵極間距，最小金屬間距優(yōu)勢明顯。所以，只有其他參數(shù)差不多，對比工藝制程才能得出強弱排列。

若前提不存在，則結論不唯一。

另外現(xiàn)在說的5nm已經(jīng)不是柵極的最小線寬，由于finfet，GAA工藝的進步不止體現(xiàn)在線寬上，還有單位面積性能，發(fā)熱功耗，良率等等的差別。廠家只說柵極的最小線寬無法展示自己的強大。intel打磨14nm+++還被網(wǎng)友嘲笑。所以現(xiàn)在說的工藝制程，實際上是換算出來的。5nm的含義，其實是性能相當于5nmCMOS管的性能。但實際柵極的最小線寬要大于5nm。具體多少還不告訴你。廠家是玩數(shù)字游戲，方便營銷。

三、芯片制程的極限在哪里

柵極的最小線寬太小會發(fā)生量子隧穿。因為絕緣層太薄，電子會從絕緣層漏出，導致發(fā)熱，功耗上升等問題。所以能效比就會下降。這時候你可能會發(fā)現(xiàn)，高通888恰好是這樣。臺積電的5nm和三星5nm會有一定區(qū)別，但趨勢是一樣的。我之前對比了高通888和865，最近又對比了麒麟9000和990。

工藝原本的極限是20nm，finfet改用立體結構，讓柵極包裹導電溝槽，在寬度不變的前提下增加接觸面積，增加柵極作為開關的把控能力。這也歸功于華人胡正明教授的團隊。這時候極限到了5nm。也就是高通888，麒麟9000和蘋果a14的節(jié)點。再往下需要GAA環(huán)繞式柵極技術，比如臺積電和三星的3nm。所以5nm可能是FinFET的最后一代，到了極限已經(jīng)非常勉強。當然我們現(xiàn)在見到的5nm還不是真的5nm，可以認為是7nm改良。只是換算的5nm也已經(jīng)困難重重。
而最終的極限就是硅基芯片的極限。單晶硅的硅原子間距大概是三分之根號3，約0.6nm。12nm工藝大概能放20個硅原子。由于硅原子排列不可能絕對理想，可能會丟失原子，良率就會下降。以20個硅原子為例，丟一個降低5%的性能，多丟一個就是10%。當來到6nm，丟一個原子影響會更大。所以良率會越來越低，一定會迎來極限。目前晶體管的設計還在發(fā)展，還無法準確預測硅基芯片的準確極限。未來可能轉為碳基芯片，或者其他我們現(xiàn)在還不知道的模式。

總結：

工藝制程不是越小越好，有前提有極限。

只看工藝制程無法絕對決定好壞。不同品牌要看其他條件。

intel的14nm+++其實也能寫成13nm，12nm，11nm等。臺積電三星的7nm，5nm也能寫成7nm++。同樣數(shù)字代表的意義不一樣，不能直接橫向對比。

現(xiàn)在的5nm不是真的5nm，性能功耗和良率已經(jīng)面臨挑戰(zhàn)。這比優(yōu)化調度還要難。調教的方向在于找性能功耗的平衡點。

未來會進入GAA時代，甚至碳基芯片時代。