?3nm工藝意味著什么？

聯發科已經宣布推出首款 3nm 工藝芯片，這是一款未命名的旗艦產品天璣 SoC，預計將于 2024 年進入量產，這個消息意義重大。讓我們先解釋一下 3nm 工藝芯片是什么，以及它對您的實際性能和電池壽命意味著什么。

什么是 3nm 工藝芯片？

在半導體處理器的早期，只需測量晶體管柵極長度，從最初幾十年的微米（百萬分之一米或微米）開始，逐漸發展到納米。隨著技術的成熟，晶體管尺寸的減小，我們看到了性能的提高、功耗的降低以及發熱量的降低。當時，可以簡單的說，較小的晶體管比較大的晶體管更好，并且制造商之間的工藝節點代際改進是相似的。

然而，在過去的幾十年里，隨著集成電路設計（從平面晶體管到各種類型的 3D 晶體管）和制造工藝的各種專有改進，僅根據晶體管尺寸來衡量性能增益變得更加復雜。因此，3nm 工藝芯片本質上是一個營銷術語，與晶體管的尺寸沒有直接關系。由同一制造商制造的兩代工藝節點（例如 5nm 和 3nm）的芯片在較小的工藝節點上應該具有較小的整體晶體管尺寸。但是，這些大小不一定對應于流程節點名稱。

相反，微芯片制造商按照現已失效的國際半導體技術路線圖 (ITRS) 以及后來的國際設備和系統路線圖 (IRDS) 制定的處理器節點擴展計劃，通過工藝節點名稱來營銷其每一代處理器路線圖中，例如 5nm 工藝和 3nm 工藝節點。這些芯片預計將遵循 IRDS 對接觸柵極間距和金屬間距等尺寸的預測，但可能具有更小的尺寸。

來源：三星

因此，比較英特爾的 5 納米工藝芯片和 AMD 的 5 納米工藝芯片可能不像查看晶體管柵極長度（或金屬間距等其他指標）那么簡單。對于新工藝節點命名法有多種提案，例如 GMT（建立晶體管密度）和 LMC（包括存儲器和互連密度）提案。同時，最好比較競爭芯片的實際性能或比較同一制造商的不同代工藝節點之間的性能。

在這種情況下，也是工藝節點名稱與制造商工藝差異的一個很好的例子，聯發科宣布它已經使用臺積電的 3nm 工藝開發了首款芯片。臺積電和聯發科都沒有更準確地說明正在使用的是臺積電專有的 3nm 工藝節點，是 N3、N3E、N3S、N3P 還是 N3X。聯發科的新聞稿稱：「聯發科首款采用臺積電 3nm 工藝的旗艦芯片組預計將于 2024 年下半年開始賦能智能手機、平板電腦、智能汽車和各種其他設備?！箍紤]到該日期，它很可能是 N3S 或 N3P 流程。

相反，與臺積電的 N5 工藝（屬于 5 納米工藝節點的一部分）相比，這些公司詳細介紹了各代改進。據稱，臺積電的 3nm 工藝與 N5 工藝相比「目前在相同功率下速度提高了 18%，或者在相同速度下功率降低了 32%，邏輯密度增加了約 60%」。

有哪些公司在使用 3nm 工藝芯片？

到目前為止，除了聯發科之外，蘋果也已經宣布了 3nm 芯片。需要注意的是，三星作為代工廠已經在生產 3nm 工藝芯片，但還沒有移動芯片——它們目前正被加密貨幣機器使用。

高通使用臺積電和三星作為其代工廠，目前尚不確定其尚未公布的 3nm 工藝移動芯片將使用這兩家公司中的哪一家。

正如我們提到的，蘋果在 9 月 12 日的活動中為 iPhone 15 Pro 和 iPhone 15 Ultra 機型推出基于 3nm 工藝的 Apple A17 SoC。該公司在 2023 年成為市場上第一家擁有 3nm 工藝芯片的智能手機/平板電腦制造商。多年來，蘋果已經放棄了三星作為其 A 系列處理器的制造商，轉而選擇臺積電。

在 GeekBench 測試中, 蘋果 A17 Pro 多核跑分達到了 7199, 雖然比其 A16 的 6989 提升不大, 但依然遙遙領先于驍龍 8 Gen 2 領先版。在單核跑分方面, 蘋果 A17 Pro 3.77GHz 的主頻發威, 不僅相比 A16 有了明顯提升, 甚至超越了蘋果 M2 Ultra 芯片。即使面對 Intel 的酷睿 i9 14900KF 變態的 6GHz, 單核性能僅落后 12% 左右。

據報道，蘋果已預訂了臺積電 2023 年 90% 的 3nm 工藝產能，據說這將擴展到預計為 Mac BookPro 和 iPad Pro 系列提供支持的 Apple M3 芯片。然而，最近的報道表明 MacBook Pro M3 和 iPad Pro M3 要到明年才會推出。

3nm 工藝芯片對您意味著什么？

平均而言，較小的晶體管可提供改進的性能、功耗和散熱。晶體管密度也隨著晶體管的減小而增加。因此，由于晶體管內和晶體管之間的行進距離更小，電子在電路內行進的時間更少，從而提高了處理速度。它們還需要更少的能量來移動這些較短的距離，從而減少所需的輸入功率，最后，由于移動較少，導致以熱量形式損失的能量更少。

所有這些都意味著更好的性能、電池壽命和周圍的加熱。這意味著采用 3nm 芯片的設備將比采用同一芯片制造商的 5nm 或 4nm 工藝芯片的設備速度更快、使用壽命更長。

當然，影響這些指標的因素不僅僅是所使用的處理器或 SoC。芯片設計或架構、與其配對的內存的速度以及包括軟件在內的其他因素決定了終端設備（無論是智能手機、平板電腦還是個人電腦）的性能。

電池壽命還受到設備上其他組件（例如顯示屏）的功耗以及硬件和軟件優化的影響。最后，散熱在很大程度上取決于設備的設計以及與之相結合的冷卻量。

事實上，最新一代工藝節點芯片的生產成本將更高，并且在生產初期每片晶圓的產量比前幾代芯片更低，這也意味著它們將僅限于生產的高端手機和平板電腦。因此，預計 3nm 工藝芯片智能手機和平板電腦將在至少一年內僅在各制造商的旗艦產品中提供。蘋果只會為 iPhone Pro 機型引入 3nm 工藝 A17 SoC 的傳言呼應了這樣的產品開發決定。

處理器擴展解釋

讓我們從基礎知識開始：半導體是具有導體和絕緣體特性的非金屬材料。單晶硅是最常用的半導體材料，通過「摻雜」或添加其他元素的雜質來提高其電荷攜帶特性，可以提高其導電性。生長這種材料或基板的薄晶圓，并在其上通過各種物理和化學過程繪制或構建電路。

現代半導體處理器由數十億個晶體管構成，這些晶體管構成了集成電路的元件以及其他組件。這些晶體管放大或調節電路內的電信號流，重要的是還可以充當開關，形成邏輯處理器和存儲器的基礎。在半導體處理器制造歷史的大部分時間里，用于制造芯片的工藝節點的名稱是由晶體管柵極長度的最小特征尺寸（以納米為單位）或最小線寬來指定的。350nm 工藝節點就是一個例子。

讓我們正確地看待這一點——納米是十億分之一米。隨著集成電路設計和半導體制造技術的不斷進步，在晶圓上構建越來越多的晶體管成為可能，在幾十年內從數千到數百萬，然后數十億。不過，工藝節點命名法并未遵循線性路徑，3D 晶體管的出現使問題變得更加復雜。用于描述工藝節點的納米數不再必然與晶體管的任何物理尺寸相關，例如柵極長度、金屬節距或柵極節距。

相反，制造商遵循既定的 IRDS 路線圖，在處理器擴展方面實現連續幾代的進步，該路線圖本身基于晶體管密度每 18-24 個月翻一番的摩爾定律。

總而言之，「3nm 工藝芯片」中的「3nm 工藝」是指用于構建芯片的技術的世代。3nm 是芯片制造商使用的營銷術語，而不是對芯片技術規格（如性能或尺寸）的描述。然而，與同一制造商的 5nm 工藝芯片相比，3nm 工藝芯片的晶體管更小。隨著晶體管變得更小，我們可以預期性能和能效會提高。