真正領先驍龍845一代！華為麒麟980史上最強工藝解密

2018年，半導體工藝正式跨入7nm時代，台積電、格羅方德、三星等都宣稱要量產7nm工藝晶片。

其中，台積電可能最早完成這一創舉，據稱其已經獲得50多家客戶訂單，包括華為、NV、賽靈思、AMD等這些大客戶，晶片應用涵蓋智慧型手機、遊戲主機、處理器、AI應用、挖礦機等等。

據外媒報導，華為向南非媒體發布官方新聞稿表明，麒麟980處理器將在8月31日的IFA展會上發布，有望成為全球首款商用的7nm晶片。

相比10nm工藝，7nm有哪些提升，讓台積電才在2017年量產10nm之後就迫不及待的在2018年升級？首款採用7nm工藝的麒麟980晶片又將給我們帶來哪些驚喜？這裡結合一些公布的論文和技術參數管窺一下。

1、7nm是半導體工藝史上一個極其重要的工藝節點

在ISSCC 2017大會上，台積電的存儲器組詳細介紹了他們採用TSQ7nm HK-MG FinFET工藝製造的256 Mib SRAM晶片（如下圖所示），該晶片具有42.64mm²的晶片。

整個裸片大小是16nm工藝版/1/3左右（0.34X）， 與10nm工藝相比，台積電的7nm工藝密度提升為1.6倍。

台積電聲稱其7nm工藝將性能提高20％，功耗降低40％

據悉，台積電的7nm節點將有兩個版本，一種針對移動應用進行了優化，另一種針對高性能應用進行了優化。

台積電還計劃下半年引入第二個改進工藝，稱為7nm +，會採用EUVL技術處理一些層。

這會提高產量並縮短晶圓周期時間。

與第一代7nm工藝相比，7nm +工藝將功耗和面積優化的更好。

根據台積電（TSMC）CEO魏哲家的說法，到2018年底將有超過50個產品完成7nm設計定案（Tape out）。

其中，AI晶片、GPU和礦機晶片占了大部分的產能，其次是5G和應用處理器（AP）。

從圖上看出，跟10nm、16nm工藝相比，7nm工藝在功耗、性能和面積上有很大提升，與16nm相比提升非常顯著，超過其他幾個工藝節點的升級幅度！例如如果從16nm升級到7nm，晶片面積可以縮小到原來的1/3！而且從10nm升級到7nm功耗和面積也優化幅度很大，此外，7nm工藝將適用於各類處理器（10nm僅用於移動處理器），所以7nm工藝是一個半導體製造上的一個重要節點，圍繞這個節點，EDA公司和IP開發了大量產品，所以7nm工藝將和28nm工藝節點一樣，會維持較長的時間，會有很長的生命周期。

2、7nm工藝激發了封裝技術升級

我們都知道，XXnm其實指的是集成電路上形成的互補氧化物金屬半導體場效應電晶體柵極的寬度，也被稱為柵長。

隨著工藝技術升級，整個集成電路的面積縮小，集成電路的節距也隨之縮小、所以必須採用更先進的封裝技術。

據悉，台積電會採用CoWoS（基板上晶片上晶片）和集成扇出（InFO）晶圓級封裝等技術應用在7nm工藝晶片上。

此外，台積電開發了其系統級封裝技術，以進入先進的SiP（系統級封裝）領域。

SiP被認為是5G高速連接時代的重要封裝技術。

具有5G功能的智慧型手機會大量採用SiP封裝技術。

據此判斷，麒麟980應該也採用了更先進封裝技術，據傳封測公司還未麒麟晶片量身打造了專用的測試設備。

3、一級高速緩存性能大提升，處理器主頻大突破

我們都知道，緩存定義為CPU與內存之間的臨時數據交換器，它的出現是為了解決CPU運行處理速度與內存讀寫速度不匹配的矛盾——緩存的速度比內存的速度快多了。

目前一般高級CPU都採用了三級緩存形式（包括L1一級緩存、L2二級緩存、L3三級緩存）都是集成在CPU內的緩存，它們的作用都是作為CPU與主內存之間的高速數據緩衝區，L1最靠近CPU核心；L2其次；L3再次。

運行速度方面：L1最快、L2次快、L3最慢；容量大小方面：L1最小、L2較大、L3最大。

CPU會先在最快的L1中尋找需要的數據，找不到再去找次快的L2，還找不到再去找L3，L3都沒有那就只能去內存找了。

如下圖所示，其中一級高速緩存非常重要，它將與CPU 的主頻進行匹配，如果一級高速緩存能實現高速度則意味著可以進一步提升CPU主頻。

高速緩存也叫SRAM，一般採用6電晶體形式（6T）組成一個存儲bit 單元，在台積電公布的數據上，SRAM的bit存儲信息存儲在四個場效應管交叉耦合組成的反相器中（其原理這裡不贅述），如下圖所示：

在台積電公布的測試數據中，一級高速緩存有驚喜的表現！這是顯微鏡拍攝的採用7nm High-K Metal-Gate FinFET 工藝技術的SRAM

這是測試的速度！在1.12V左右速率竟然可以高達5.36GHz!太驚喜了！這意味著採用7nm工藝的CPU主頻有望實現更高突破！它帶來的性能提升是超乎想像的。

此外，CLK-to-WL、Double-WL 和 wl_clk RC延遲都大大減少了，這也可以進一步提升CPU性能。

以上只是管窺了7nm工藝帶來的幾個性能突破點，實際上，7nm工藝還有更多驚喜，不過，據報導，目前開發10nm晶片的成本超過1.7億美元，而7nm則達到了3億美元，5nm更是高達5億美元，3nm直接將超過15億美元。

隨著工藝成本日益提升，只有少數幾個IC巨頭如華為、NV、AMD等敢於投入跟進這場工藝豪賭。

而且，晶片戰略是需要長期投入的，手機廠家也不例外。

據悉華為海思2015年開始就投入7nm工藝的研究，當時就跟TSMC一起做標準庫的研究與開發，大概進行了幾十個月的研究期，包括晶片可靠性研究等。

為啥華為和TSMC會有如此緊密的合作，為啥華為在16nm,10nm,7nm一路領先？，下一篇，我就寫寫敢嘗工藝"頭啖湯"的公司如何獲益。