5nm芯片集体翻车，出现了哪些问题？

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5nm是EUV（极紫外线）光刻机能实现的目前最先进芯片制程工艺，也是智能手机厂商争抢的宣传卖点，进入2020年下半年后，苹果A14、麒麟9000、骁龙888等5nm工艺芯片相继粉墨登场。

然而，公开的信息显示，无论A14、麒麟9000，还是骁龙888，均被曝出芯片的实际功耗发热与厂商宣传的美好相差甚远，一时间，“5nm芯片集体翻车”的话题成为网络热点。

一、骁龙888功耗等于低压酷睿？

根据AI财经社的报道，5nm芯片最让人诟病的，是性能虽然有所提升，但功耗却比7nm的明显增加，这其中表现最差的就是骁龙888，被调侃为“火龙888”。

数码评测媒体极客湾对骁龙888、骁龙865、骁龙855测试的功耗数据表明，单核功耗上，骁龙865最低，为2.3瓦，其次是骁龙855的2.4瓦，骁龙888最高，达3.3瓦，相比骁龙865高了1瓦，高出幅度达43.5%。多核功耗方面，最低的依然是骁龙865，为5.9瓦，其次是骁龙855的6.1瓦，骁龙888依然落在最后，功耗高达7.8瓦，是骁龙865的1.32倍。具体见下图。

骁龙888多核功耗高达7.8瓦是个什么概念？英特尔第11代低压酷睿i7处理器的功耗在7——15瓦，可用于超轻轻薄笔记本电脑（在无风扇散热时，功耗锁定为7瓦）。也就是说，骁龙888的多核功耗已经相当于一颗第11代低压酷睿i7处理器，但需要明确的是，低压酷睿i7处理器采用的是10nm工艺制程，落后台积电、三星的5nm不少。

英特尔处理器采用复杂指令集，理论上相比采用精简指令集的骁龙888更为耗电，但骁龙888在占据工艺先进至少一代的优势下，功耗竟然相当于英特尔低压酷睿。不知道英特尔看到这里会是什么心情。

骁龙888功耗猛增，最直观的体验就是，手机如果运行较大型的游戏，发热就比较明显。极客湾的数据表明，在某款游戏的测试中，玩了20分钟后，小米11背面温度达到了48℃，而搭载骁龙865的小米10在相同的测试环境下，温控表现更好只有41℃。

爱范儿对搭载A14芯片的iPhone12运行《原神》游戏测试表明，20分钟后，手机背面最高温度达到47℃，接近小米11。

5nm的芯片在制程工艺上更先进，为何功耗表现却落后于7nm的芯片？答案是和芯片内部的晶体管漏电有直接关系。

二、为何晶体管漏电是元凶？

A14、骁龙和麒麟等手机SoC芯片属于数字集成电路，而随着制造工艺的不断进步，集成电路的功耗越来越复杂，但总体可分为电路逻辑状态转换产生的动态功耗，以及CMOS晶体管各种泄露电流产生的静态功耗（又称漏电流功耗）。

在芯片进入深亚微米工艺时代之前，动态功耗一直是芯片设计关注的焦点，但在进入深亚微米工艺时代之后，动态功耗在总功耗中的比例越来越小，静态功耗的比例则越来越大。

当芯片制造工艺进入纳米时代后，漏电流功耗对整个功耗的影响已经变得非常显著。有研究表明，在90nm工艺的电路中，静态功耗可以占到总功耗的40%以上。

究其原因，是因为集成电路每一代制造工艺的进步，都是以缩短CMOS晶体管的沟道长度为目标，7nm工艺指的就是指沟道长度。沟道长度不断缩短，使得电源电压、阈值电压、栅极氧化层厚度等工艺参数也在不断地按比例缩小，直接导致短沟道效应（SCE）、栅极隧穿电流、结反偏隧穿电流等漏电流机制越来越显著，表现为芯片漏电流功耗不断上升。

有研究表明，当晶体管的沟道长度从130nm缩短到90nm时，即缩小30.77%，漏电流功耗上升大约39.25%，但缩短到45nm，即缩小65.4%时，漏电流功耗上升大约273.28%（具体见下图）。

也就是说，漏电流功耗和缩小的沟道长度之间不是简单的比例关系，即使沟道长度缩短一点，漏电流功耗也会有一个数量级的增长，而且随着沟道长度越来越短，漏电流功耗增长越来越快。

如果复盘芯片制造历史，会发现漏电流功耗曾长期困扰英特尔、三星和台积电等制造大厂。

三、台积电为何被称台漏电？

长期以来，芯片制造大厂一直在和漏电流功耗作斗争，每有进展，都是值得大书特书的新闻，比如英特尔。

相反，台积电2010年刚推出28nm工艺制程时，由于技术不成熟，漏电流功耗高，导致芯片的功耗大到难以接受，被市场调侃为“台漏电。”有长达6年时间，都摘不掉这顶帽子。

在当时，如何压制漏电流功耗几乎可以决定芯片工艺制程赛道上选手的身位。彼时，英特尔还是制造技术大拿，率先通过Gate-last技术压制了漏电流功耗，台积电则走了一些弯路，沿用IBM的Gate-first 技术，但效果不佳，在28nm上栽了跟斗，后在蒋尚义的主导下，改走英特尔Gate-last技术路线，才算解决漏电流功耗过高难题。

2011年第4季度，历经波折后，台积电终于量产成熟可靠的28nm制程。三星本来在32纳米制程也采用Gate-first 技术，但后来在28 纳米制程时，快速切换到Gate-Last 路线，之后的14纳米也基于Gate-Last。

梁孟松

据说，三星是通过台积电“叛将”梁孟松解决漏电流功耗问题，成功缩短与台积电的工艺差距。结果引发台积电起诉梁孟松，迫使后者离开三星半导体，辗转到中芯国际。

由此可见，压制晶体管漏电流功耗有多重要。

四、为何老迈的技术不退休？

台积电、三星和英特尔之所以能压制漏电流功耗问题，主要原因是采用了创新的鳍式场效应晶体管（简称FinFET，见附图），以替代传统的平面式晶体管。但由加州大学伯克利分校胡正明教授发明的鳍式场效应晶体管（FinFET），通过局部技术改良，从28nm工艺制程一直沿用至今，可谓发挥到了极限。随着制程工艺进入EUV时代，漏电流功耗重新成为挑战。

在7nm时，老迈的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术就应该谢幕了，由环绕栅极晶体管（GAAFET）接替。但由于技术风险和成本压力，大厂们在5nm时代仍不得不使用老迈的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术，结果就是如前文所述，5nm的芯片漏电流功耗飙涨，在功耗上集体翻车，几乎消耗掉制程工艺进步的红利。也可以看出，芯片制造技术每往前跨一步，其实都极为不易。

芯片一直是我们热议和关心的话题，5nm芯片是目前推出来最高端的芯片，因为3nm芯片技术不成熟，要应用路还很长。5nm芯片集体翻车，这是一场始料未及的事情，反应出了芯片设计和芯片生产的过度需要磨合。

5nm芯片本身从实验的数据来看是没有问题的，不然各大知名公司也不会急于推出5nm芯片处理器，不会自己打自己脸的。如果不成熟那么完全可以继续炒作，不会应用在最新款的产品上面了，不仅会让顾客失望，让自己的信用也全无。所以5nm芯片集体翻车，我认为问题出现在制造端，即芯片的生产工艺。

芯片的生产是极其的复杂，涉及到很多精密设备，光学设备，软件设备等等。就算可以设计出最好的芯片，那么未必可以生产得出来。我国的芯片生产更有很长一段路要走，只有加大研发和人才的培养，才有可能实现弯道超车。

苹果，华为，高通和三星等公司都推出了自己的5nm芯片，并称性能比7nm大大地提高了很多，包括CPU，GPU和图画性能。但是从最新苹果12搭载的A14，和华为最牛芯片麒麟9000，以及骁龙888的效果来看，用户的体验可以用翻车来形容。

比如苹果手机的问题表现在电池能耗方面，有用户反映一个晚上待机的状态能耗就下降了20%到40%，这肯定是失望的。

5nm芯片的问题是可以理解为生产工艺的不稳定，或者说生产设计不够精准，在大批量生产的时候就暴露出来了。之前宣称可以提升的效果现在并不是很满意，这是导致翻车的原因，期望越大就越会失望，所以说你还会一如既往的追随苹果手机吗？

随着已发布的四款5nm芯片的集体“翻车”，台积电和三星这两家代工厂也引起了一定的争议，因为目前只有它们能量产出5nm芯片。其中苹果的A14和华为的麒麟9000出自于台积电，而三星自家的Exynos1080和高通的骁龙888都是由三星代工的。 

虽然上述这四款芯片或多或少都存在功耗异常的问题，但是相比之下，台积电的5nm工艺要比三星的5nm更先进。因为A14和麒麟9000的综合表现要优于Exynos1080和骁龙888，这是技术层面的差距，不是短时间内就能弥补的。 

为什么A14翻车了呢？原因就出在了GPU上面，官方PPT中号称GPU提升30%的效果，但根据网上某博主亲测数据爆料，A14的能效对比A13是在开倒车，6项测试当中，有两项小幅度提升，其余四项都是A14不如A13。

原本台积电公布的数据是1.713亿晶体管/平方毫米，而A14的实际晶体管密度只能达到1.34亿根，所以实际数据和理论数据还是拉开了一些差距。此外，苹果A系列处理器向来都有发热降频的现象，加上苹果手机的散热能力又差，所以在高负荷运作下，A14的性能缩水会更大。正是因为如此，A14的综合表现才不尽人意，功耗提升，能效降低，所以才感受不到它和A13之间有什么性能差距，故而被人调侃成翻车，这也怨不得谁。其次是华为的Kirin9000，其翻车点和苹果A14的如出一辙，都出现在GPU方面。

 2021年台积电就能生产3nm芯片了，谁知道2024年台积电的工艺又会到达什么层次呢？而那时5nm早已变成了落后的制程，就算台积电美国工厂真的投入使用，也无法改变美国芯片制造业没落的结局。 

5nm芯片集体翻车，问题主要出现在能耗和升温两个方面。现在市面上的5nm芯片，普通都出现能耗上升和温度升高两大问题，和厂商最初公布的相关参数相差甚远。简单来讲就是，当初说得有多美好，现在就有多尴尬。

不过类似的事情，也不是第一次出现。历史上，随着芯片制程的演进，出现过多次芯片能耗和温度异常的问题。譬如24nm向20nm、14nm向7nm迭代的时候，都出现过能耗异常和温度上升的问题。不过，这些问题，最终都被解决了。故大家不必过于担心。

1.0   市场上有哪些5nm芯片玩家？

 5nm芯片作为当今世界上，技术难度最高的芯片制程，市场上的玩家真的不多。因为一般的玩家根本就玩不起，只有少数的巨头才玩得起。从制造端来看，目前仅有台积电和三星两家，从设计端来看，目前只有华为、苹果、高通、三星四家。

以上几大巨头分为两大阵营：一个是采用台积电代工的华为和苹果，另外一个是采用三星代工的高通以及三星自己。相对而言，台积电的制造工艺更为先进，三星要输上一筹。实际上三星所谓的5nm，大概只相当于台积电的6nm水平。

也许会有小伙伴有疑问，两者同为5nm制程，为什么三星的会落后给台积电。想弄明白这一点，必须使用另外一个参数——单位平方毫米的晶体管密度。这才是体现制程工艺先进的核心指标。多少nm，更多是名义上的。

三星5nm芯片的密度参数是1.267亿每平方毫米，台积电的是1.713亿每平方毫米。这样一对比，我们会发现，台积电要比三星先进不少。台积电6nm的密度是1.139亿每平方毫米，这就是上面说三星5nm大概相当于台积电6nm的原因。

2.0   市场上5nm芯片，哪家翻车最严重？

从上面的分析，我们基本上可以知道台积电代工的芯片，在能耗和温控上的表现，要优于三星代工的。事实上，按照相关测评的数据以及用户的反馈，确实是台积电的代工的芯片稍胜一筹（也许还有设计的原因）。网上有测评文章给出了综合测试的排名：

苹果A14＞华为麒麟9000＞高通骁龙888＞三星Exynos1080。

不过，尽管三星的Exynos1080排名最后，但网上讨论最多却是高通骁龙888。之所以这样，估计是因为三星的Exynos1080，在国内基本上没有市场，而高通骁龙888在国内有巨大的市场。故大家把眼光都放在了骁龙888上面。

骁龙888号称“安卓最强芯片”，在跑分方面的表现确实不差，但它的能耗和升温，却让人诟病不已。相关测评文章的数据显示，骁龙888的能耗甚至比不上上一代7nm制程的865。骁龙888单核能耗竟然比865的增加了1W，多核则增加了1.9W。这就尴尬了，不期望有多大的进步，竟然还落后了。

至于升温，也是个大问题。有用户甚至吐槽采用骁龙888的小米11可以做暖手宝。当然，这个问题不仅仅存在于小米。采用A14的苹果12，一样存在升温快，升温高的问题。连最好的苹果的都出现类似的问题，这意味着能耗大升温快，是5nm芯片共通的问题。

3.0   5nm明明是更加先进的制程，为啥能耗更大升温更快？

在芯片行业，有这么一个理论：制程的进步，必然伴随着性能的提升和能耗的下降。不过，理论归理论，现实是现实。现实中，芯片制造一直都有一个拦路虎——晶体管漏电。这个拦路虎，在历史上多次导致芯片在能耗方面翻车。

所谓制程，指的是晶体管与晶体管之间的间距，这个间距在芯片行业有个专业名称——沟道长度。芯片制程的进步，其实就是缩短沟道长度。7nm、5nm、3nm等参数，指的就是沟道长度。

基本上，沟道长度越短，晶体管漏电就越严重。有研究表明，晶体管沟道长度从130nm缩短到45nm时，漏电的产生的能耗会提升273.28%左右。这意味着，制程的提升，必然伴随着漏电能耗的提升。制程越小，漏电能耗就越大。

想解决这个问题，就必须有更加先进的技术方案。最先拿出先进技术的是英特尔，他们采用Gate-last技术，一定程度上解决了漏电能耗这个问题。再后来，鳍式场效应晶体管（简称FinFET）的发明，又进一步解决了漏电能耗的问题。

不过，随着制程进入EUV时代，以上的技术已经无法有效的解决漏电能耗的问题了。这个时候，想解决晶体管漏电这个问题，必须要有更加先进的技术。问题是，新的技术到目前为止还没有完全成熟，厂商基于成本以及风险的考量，只好继续使用之前的技术。

这意味着，在新技术没有真正大面积投入使用之前，能耗过高、升温过快将一直是芯片的痛点。大家要有这个心理准备。所谓的新技术，指的是环绕栅极晶体管（GAAFET）技术。三星计划在3nm制程时使用，台积电计划在3nm制程之后再使用，至于具体时间，目前不得而知。

近几年，半导体技术的创新和产品更新迭代越来越快，尤其以新款智能手机的升级换代最具代表性。各大手机就纷纷陆续推出了搭载新一代处理器的高端旗舰机型，除了5G、高刷屏、大电池以及高功率快充，新一代的5nm制程工艺芯片，也成为今年各大厂商新款手机必不可少的标配。理论上，芯片的工艺制程越低，功耗越低、能效比也就越高，不过目前看来，现阶段的几款5nm芯片却集体翻车了，功耗和发热普遍偏高，综合表现并不理想。

市面上的5nm芯片表现都低于预期，翻车最严重、表现最差的高通骁龙888，已经被不少数码大V以及相关评测机构证实，性能提升幅度有限、功耗相对偏高。更糟糕的是，除了刚刚发布的三星猎户座2100由于时间关系还没有具体的评测数据，但考虑到是采用了和高通骁龙888相同的工艺、相同的架构，估计实际表现也不会有什么惊喜。

5nm芯片集体翻车，对手机厂商造成的影响是最直接的，毕竟新技术和新一代高端芯片是各大手机厂商研发新款机型的关键，也是提升产品竞争力的主要卖点。不过，现在看来，今年的5nm芯片似乎并不靠谱。

不可否认，目前5nm芯片翻车的现象已经是不争的事实，作为安卓阵营各大手机厂商最依赖的主要芯片供应商，高通今年推出的骁龙888综合表现低于预期，性能提升不明显，但功耗却明显偏高，如果手机厂商盲目跟风大批采用骁龙888芯片，消费者是否会愿意买单存在太多不确定性。

最令人感到意外的是，在5nm芯片集体翻车的大环境下，一直不占优势被高通压一头的联发科却成了唯一的大赢家。至于为什么联发科能够幸免于难，成败的关键在于联发科芯片研发的方案和决策不像其他厂商那么激进，没有第一时间跟进5nm制程工艺，而是选择了相对稳定的6nm工艺。

联发科发布了自家的新款旗舰级处理器天玑1200。发布会过后，有媒体针对5nm芯片性能和功耗测试不理想，询问联发科高管，不过联发科高管的回答却是信心十足，直接回应称天玑1200在功耗方面绝对会令大家满意，不仅只是性能方面的提升，相比其他5nm芯片的能效也同样有出色的表现，在今年的主流高端芯片中处于第一梯队。由此可见，联发科对于天玑1200很有信心，即使对标其他工艺制程更先进的5nm芯片也完全不虚。

长期被高通压制的联发科，今年凭什么这么有底气呢？主要优势还是在于产品和技术。众所周知，高通骁龙888、三星猎户座2100虽然都采用了理论功耗较低的5nm制程工艺，但却采用了性能超强的x1超大核，这种全新的CPU构架虽然能够带来性能的大幅提升，但也难免会造成功耗偏高，这也是导致5nm芯片集体翻车的主要原因。有舍有得，追求极致的性能就很难降低功耗，这种浅显易懂的道理各大厂商都十分清楚，只不过相较之下，追求性能的高通选择了更为激进的超大核方案，而联发科，则相对保守，选择了另一种性能和功耗相对均衡的理念。

不可否认，相比高通骁龙888、三星猎户座2100以及麒麟9000等5nm处理器，联发科6nm的天玑1200芯片，在性能和跑分方面会落后一截，相对弱势一些。不过，相比其他集体翻车的5nm芯片，联发科天玑1200在功耗续航以及综合表现方面却更出色，至少能够最大程度避免翻车。

总而言之，5nm芯片集体翻车，看来主要是由于芯片供应商太过盲目追求性能的提升，而疏忽了功耗和能效的优化，以至于性能虽然增强了，但续航、功耗和发热等方面却拖了后腿。

目前看来，5nm芯片集体翻车，联发科却成了唯一的赢家，并且联发科还有大把时间进行优化和打磨，完全能够有机会进一步的提升。至于发哥最终能有怎样的表现，不妨让我们拭目以待吧！

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