最近中国的芯片领域好消息不断,先是华为在4月、5月先后公布了“芯片堆叠”专利、涉及芯片封装、结构、方法及设备等等。或实现1+1>2的效果。

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紧接着,9月14日,上海信息化主任透露:“在集成电路领域,上海企业已经实现14nm先进工艺规模量产,90纳米光刻机、5纳米刻蚀机、12英寸大硅片、国产CPU、5G芯片等实现突破。”

据悉,实现14nm工艺的芯片制造企业就是中芯国际,再加上华为的“芯片堆叠”技术,是不是意味着华为的5G麒麟芯片就可以重出江湖了理论上可以,但实际操作中仍需注意两点。

14nm堆叠芯片性能如何?

华为芯片堆叠技术效果惊人

由于先进的制造工艺被少数公司(台积电、三星)控制,因此华为的麒麟芯片只能采用堆叠技术,绕开限制。

芯片堆叠技术,可让14nm的芯片达到7nm芯片的性能,虽然很难用在高端领域,但可以在中端领域争霸。

在芯片堆叠技术上,华为与苹果英雄所见略同,早在今年6月,华为就曝光了“双芯堆叠”专利,“双芯堆叠”技术能够大大提升14nm芯片的性能,达到或接近7nm芯片的性能。

苹果也借助了芯片堆叠技术将两块M1 Max芯片合二为一,成为M1 Ultra。据悉,M1 Ultra晶体管数量达到1140亿颗为M1 Max的2倍。(M1 Max为570亿颗)。

同时苹果的M1 Ultra拥有20个核心,即:16个高性能内核和4个高效率内核(M1 Max为10核),实现了双倍性能。

华为的“堆叠技术”,实际上是芯片封装技术的重大升级,它不是简单地把两块芯片焊接在一起,而是将内存、运存、芯片等臃肿的结构重新规划。

规划后的芯片结构大幅简化,功耗降低、性能大幅提升,然后进行封装,业内称“3D封装工艺”。

这种“3D封装工艺”并不是万能的,它的芯片提升水平在1倍左右。

普通工艺的麒麟710A不敌骁龙655

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3个月前,华为发布了一款手机畅享50,就搭载了一款入门级“麒麟710A”,它的性能究竟如何呢?

麒麟710A是基于710变化而来,原本的710是由台积电代工,采用了12nm工艺,大核是2.2GHz的A73。

麒麟710A是由中芯国际代工的,采用14nm工艺,架构方面依然是4大核+4小核,大核最高频率2GHz,小核频率最高1.7GHz。

CPU单核得分303,多核得分1380。内存采用了单通道的UFS 2.1闪存,读取速度为528.7 MB/s。

GPU采用Mali-G51,可以很好的减少漏电率,并且控制功耗。运行《王者荣耀》,高帧率+超高分辨率下,华为畅享50依然可以保证稳定60帧运行。

安兔兔综合测试,综合得分240671分。

整体来看,麒麟710A就是缩水版的710,性能勉强只能算是入门机的水平。这样的水平略低于骁龙665,但是在日常使用中是看不出来任何差别的。

当然,这种级别的芯片搭载在P 60上肯定是行不通的,因此华为研发了双芯叠加的方案。

14nm堆叠技术芯片相当于麒麟990

根据多方面信息推算,14nm叠加芯片性能相当于麒麟990。那么麒麟990能够满足日常所需吗?

麒麟990是2019年9月发布的,是首款基于7nm和EUV工艺的5G SoC,集成5G基带芯片巴龙5000,无需外挂5G芯片就能实现5G网络,同时支持SA/NSA两种5G组网模式。

麒麟990采用了台积电7nm工艺,集成了103亿个晶体管,

在CPU方面,采用了4个A76大核+4个A55小核的设计方案,大核心频率为2.86GHz,小核心为2.36GHz。

GPU方面,采用Mali-G76架构,核心数增加到了16个,工作频率有所降低,再加上效率损耗,最终总体性能水平比上一代提高了35%。

NPU采用了华为自主研发的达芬奇架构,创新设计NPU双大核+NPU微核计算架构,配合高性能ISP,可以通过人脸识别心率。

基带方面:集成了5G巴龙基带,支持全网通2G、3G、4G、5G。

跑分方面也不错:

在Geekbench数据库中,满血的麒麟990单核跑分3842,多核跑分11644,单核方面超越了骁龙855 Plus,多核超越了苹果A12,进步非常巨大。

麒麟990在鲁大师上跑分为424261分,流畅度得分为183.97分,成绩可观,整体介于骁龙855与骁龙855+之间。

而目前最先进的骁龙8 Gen 1跑分已经达到了103万,是麒麟990的两倍!如此看来14nm叠加麒麟芯片只能算中端,大概率会应用在华为P 60上。

尽管华为重新拥有了麒麟5G芯片,但是也将P 系列与Mate 系列的差距拉大,P系列直接降为中档手机。

想要重回旗舰,就需要鸿蒙系统做针对麒麟芯片的优化,当然这种优化不是一朝一夕就能够完成的,需要几年的迭代。

Mate系列作为华为的高端商务期间,大概率还会搭载高通骁龙芯片。

5G零部件的国产进度

我们经常说华为在5G领域如何强大,专利如何多,但事实上华为手机只能使用4G通信,很多网友感到很奇怪。

其实要实现5G通信,需要软件系统、通信协议、硬件系统的配合才能实现。而华为不涉及硬件(芯片)制造,这一短板被卡住,华为自然就实现不了5G功能了。

我国在5G基站、用户方面世界领先,截止2022年7月底,全国5G基站数量达到了196.8万个,5G套餐客户达到9.3亿户,位居世界第一。

在5G关键零部件上还有待提高。例如:射频芯片、基带芯

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射频芯片是指能将射频信号和数字信号进行转化的芯片,它负责射频收发、频率合成、功率放大,决定了手机支持的通信模式、信号强度、信号稳定性、发射功率等。

射频器件中最重要的组件是滤波器,而滤波器又分为传统SAW滤波器和BAW滤波器,其中传统SAW滤波器几乎被日本厂商垄断,Murata、TDK、太阳诱电等几家公司占据全球市场份额80%以上,BAW滤波器市场则被博通和Qorvo垄断。

基带芯片负责信号处理和协议处理。具体地说,就是发射时,把语音或其他数据信号编码成用来发射的基带码;接收时,把收到的基带码解码为语音或其他数据信号,它主要完成通信终端的信息处理功能。

华为在基带设计方面很强大,但苦于没有代工企业,也只能把技术放在设计室了。

在5G材料上,光固化涂料、高纯四氯化硅、PTFE、LCP/mPI、胶粘剂等高端化工材料中,国产占比仅为10%左右,还是在不断突破之后。

好消息是,这些关键零部件已经完成突破,典型代表:武汉凡谷、韦尔股份、卓胜微、中芯国际等等。

最大的突破当属中芯国际的14nm工艺,已经仅次于台积电、三星、英特尔这些巨头了。但是,这里面仍然有两点不能放松。

第一、中芯国际14nm FinFET工艺自主程度

FinFET(鳍式场效应晶体管),是一种新的互补式金氧半导体晶体管。它的命名是因为晶体管的形状与鱼鳍相似。

FinFET是由微电子学家胡正明发明的,胡正明是外籍华人,2001年至2004年台积电任技术执行长。

1998年,胡正明带领加州大学团队展开研究如何攻克25nm工艺,提出了自对准的双栅 MOSFET 结构,因为该晶体管的形状类似鱼鳍,所以称为 FinFET 晶体管 。

之后,胡正明教授及其团队成员成功制造出第一个 n 型 FinFET,它的栅长度只有 17nm,沟道宽度 20nm,鳍(Fin)的高度 50nm。相当于20nm芯片。

1999年,团队研发出第一个 p 型 FinFET ,它的栅长度只有 18nm,沟道宽度 15nm,鳍的高度 50nm。相当于15nm工艺芯片。

2000 年,胡正明教授及其团队发表了 FinFET 和 UTB-SOI 的技术文章,同年,胡正明教授凭借 FinFET 获得美国国防部高级研究项目局最杰出技术成就奖。

之后,FinFET成为了14nm、7nm、5nm芯片工艺的标准,台积电、三星电子、英特尔、中芯国际在相关制程上均采用该技术。

据了解,中芯国际第一代FinFET 14nm工艺在2019年第四季度就完成了量产,公司研发的FinFET技术将主要应用于5G、人工智能、物联网、消费电子及汽车电子等新兴领域,仍在进一步扩大公司产品和服务的应用范围。

升级版FinFET N+1工艺此前计划在2021年规模量产,但从未明确具体数字节点,只是说相比于14nm性能提升20%、功耗降低57%、逻辑面积缩小63%、SoC面积缩小55%。

最终还有N+2工艺,性能和成本都更高一些,个人认为N+2工艺更适合华为的麒麟芯片

这里有一个问题,那就是中芯国际的FinFET技术,自主成分有多高呢?有多少是直接采用了“第三方”的技术,会不会有限制?

这仍是一个疑问,由于涉及公司核心技术,这里无法做出进一步解释。

中芯国际的DUV光刻机受限程度

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早在2021年3月,中芯国际就公布了高达12亿美元的采购大单,用于购买ASML的DUV光刻机。

DUV光刻机与EUV光刻机最大的区别就是工艺制程,DUV光刻机主要用于14nm以上工艺的芯片制造,而7nm以下需要EUV光刻机才能做到。

这也是中芯国际止步14nm的最大原因,据CEO梁孟松介绍,目前公司已经攻克了7nm技术,5nm、3nm也在稳步的推进,只待EUV光刻机。

实际上,ASML不但垄断了EUV光刻机,甚至绝大部分DUV光刻机也都来自ASML,包括中芯国际目前使用的DUV光刻机。

最尴尬的是,ASML表面上看是荷兰的公司,实际上根本做不做了主,要听命于“漂亮国”。

荷兰ASML公司的CFO罗杰·达森曾公开表示,ASML公司目前对于出口中国深紫外DUV光刻机已经不再受到制约,也无需经过他国批准。

这一点可以从中芯国际的12亿美元订单看出,DUV光刻机能够购买的原因无外乎两点:

第一、DUV光刻机已经落伍,它的极限就是14nm芯片,14nm芯片其实有点鸡肋,用在手机、电脑上明显落后,用在军工等领域,它又显得不成熟,没有28nm靠谱。

第二、中国的光刻机研发一直在进步,上海微电子研发的28nm光刻机即将突破,对DUV光刻机需求开始降低。

购买没有限制了,那么使用会有限制吗?

如果华为的芯片堆叠技术成熟,再加上鸿蒙操作系统的优化,一旦手机性能接近iPhone,第三方会不会出什么幺蛾子?这仍需要引起密切关注。

总之,华为的5G麒麟芯片重出江湖依然有不确定性。

写到最后

中芯国际14nm工艺+华为叠加芯片技术≈5G麒麟芯片。

加一个≈字,是因为很多关键技术、关键设备并不是100%的自主,仍存在变数。

毫不客气的说,华为5G麒麟芯片的“万里长征”刚刚开始!华为需要更多、更强大的支持。

如果明年华为发布5G麒麟手机,我会毫不犹豫的支持,您呢?

我是科技铭程,欢迎共同讨论!