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25倍发展空间!真的假的?

 zhzpig 2021-09-12

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在看到芯片相关新闻时你可能会看到一个说法—“摩尔定律快要失效了”,摩尔定律是说:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。那么摩尔定律失效的意思是指芯片性能要到达天花板了吗?

要弄明白这个问题,首先要从晶体管开始研究,因为芯片的本质就是由一个个晶体管构成的。

晶体管结构可以用一个“地铁站模型”来表示,它由两个“地铁站”组成,之间有一条时有时无的通道,受一个开关的控制,开关打开的时候,通道出现连通两个车站,电子就可以流过去;断开的时候,通道消失,电子就过不去。

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这条通道当然非常重要,在晶体管里它叫“沟道”,晶体管的速度、功耗等重要的性能指标都跟沟道长度紧密相关。工艺越先进的芯片,晶体管的沟道就越短,电子通过沟道的时间也就越短,信息的传递自然也就越快,芯片的性能就越好。

沟道长度存在着一个理论极限,就是一个硅原子的直径0.2纳米。

为什么呢?设想一下,如果沟道不断缩小,直到比原子直径还短,那就意味着两个地铁站彻底连在一起了,就不再有通断之分了,晶体管没有开关功能自然就失效了。

现在量产的最先进工艺是5纳米,距离0.2纳米还有25倍,看着距离极限还挺远的,但实际并不是,实际制造过程还会受到热力学限制和量子力学限制(太过专业就不详细说明了)。研究表明,硅晶体管的极限尺寸在1纳米左右。

此外,每颗芯片都是由大量晶体管集成起来的,很多晶体管集成到一起的时候,就有更多问题需要考虑,比如集成密度、时钟频率、电源电压、布线层数等等。

综合以上这些,对于1纳米晶体管未来能不能量产这个问题并不能太乐观。

新的技术方向


  

但如果要继续提高芯片性能,有没有什么办法呢?在科学技术如光速般发展的21世纪,答案肯定是有的。由于芯片是由晶体管+集成电路两部分组成,就可以从这两个方向来思考。

SoC就是集成电路这个方向的创新成果。它的全称是System on Chip,即片上系统,也叫系统级芯片。“麻雀虽小,五脏俱全”,可以用这句话来形容SoC。

不同于只有单一功能的芯片,SoC整体实现CPU、DSP、数字电路、模拟电路、存储器及片上可编程逻辑等多种电路,一颗芯片上集成了多种功能。现在所有的智能手机、平板电脑里面最重要的一颗芯片就是SoC芯片,它上面集成了CPU、GPU、存储器、图形处理器、音频视频模块等多个功能模块,是整个设备运行的核心。

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SoC的设计需要做到性能、功耗、稳定性、工艺难度几方面的平衡。作为最先进的芯片之一,SoC的加工工艺就难在要把不同功能的模块集成到同一颗芯片上,同时得按照要求最高的那个模块来决定工艺节点。可以说,SoC是现在工艺最复杂、生产最高端芯片的技术方案。

国产SoC


  

提起国内的SoC,最先想到的是华为海思的麒麟系列。华为海思的麒麟990这款手机处理器芯片,它里面集成了8核CPU、16核GPU,还有3核NPU,也就是神经网络人工智能模块,还有高速闪存控制模块、图像处理模块、音频和视频处理模块等等,甚至它还把5G模块集成到了同一颗芯片上,功能非常强大。但在台积电不再为华为代工之后,这个国产最强SOC也走到了尽头。

紫光展锐作为国内第二大芯片设计厂商,在5G领域具有全面的产品与技术解决方案。目前展锐的UNISOC在移动终端、工业交通、电子电力等行业具有广泛的应用。紫光展锐也推出了新一代5G SoC--虎贲T7520,它最大的优势就是首发台积电最先进的6nm+EUV,成本、性能、功耗更加平衡,相比初代7nm晶体管密度提高18%,芯片功耗降低8%。

全志科技的SOC主要布局在物联网、智能家居等领域。作为智能家居的入口,京东的智能音箱就搭载的是全志的SOC芯片,除此之外还有小米的智能扫地机器人等智能硬件产品。

富瀚微成立于2004年,公司主要专注于视频监控芯片及解决方案,提供高性能视频编解码SoC和图像信号处理器芯片,以及基于这些芯片的视频监控产品方案。

……

除了上面提到的还有一些优秀的国产SoC厂商,具体就不赘述了。从国内SoC产业发展现状来看,产品覆盖还算广泛,但基础架构依然依赖于国外。从产品的性能来看,麒麟和国际主流移动处理器的差距最小,但是由于美国的制裁,目前已无法由台积电生产。

最后还是一句老生常谈的话:国内SoC芯片的发展之路,任重而道远!

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