5纳米芯片与7纳米芯片哪个好?
毋庸置疑,同样电路设计条件下5nm的芯片肯定比7nm芯片的芯片性能要好。nm(纳米)是一个长度单位,数字越***明芯片的加工工艺越先进。芯片的加工工艺有个专业名词,叫制程。
为什么同样的电路设计:5nm制程的芯片就是比7nm制程的芯片好呢,其中的原因还是让我为您娓娓道来。
什么是芯片的制程
芯片是手机、电脑等很多电子产品的核心器件,因为封装在电子产品内部,很少人能够看到其庐山真面目。事实上,芯片是由大量的晶体管按照特定设计图纸的要求连接起来,从而实现数据运算与处理的大规模集成电路。因此可以看出,晶体管是组成芯片的基本单位。
晶体管的结构如下图所示:
晶体管由源极(Source)、漏极(Drain)和栅极(Gate)三部分组成。电流从源极流向漏极,栅极可以控制源极和漏极间电流的通断;栅极的宽度决定了电流通过时的损耗。
制程就是指晶体管中栅极的最小宽度,以7nm芯片为例,7nm芯片就是指该芯片中晶体管的栅极最小宽度为7nm。
制程对芯片性能的影响
芯片行业流传着一个定律叫,摩尔定律。它是由英特尔的创始人之一戈登·摩尔提出来的,内容是:当价格不变时,芯片上容纳的晶体管的数量,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。
从中我们可以读出以下信息:晶体管数量决定了芯片性能的高低。栅极的大小可以决定晶体管体积的大小,而栅极的大小取决于芯片制造过程中的制程。
也就是说制程决定了芯片的性能,其影响主要体现在以下两点:
1.芯片功耗和发热的减少:栅极越窄,源极和漏极间的电流通过时遇到的阻力越小,芯片运行的电流就可以越小;另外电流损耗部分转化成的发热就越少。因此芯片的运行功耗和发热量就可以有效降低。
2.数据处理性能的提升:晶体管体积越小,在同等面积的条件下,可容纳的晶体管数量就会增加。晶体管相当于一个开关,晶体管数量越多,开关就越多,对电路里电流的逻辑控制能力就越强,芯片对数据的处理性能也就越强。
综上所述,芯片的制程直接影响到芯片的性能。人类对芯片性能的无限追求,导致了芯片制程的不断进步。
5nm和7nm是指什么
芯片实际上是在硅片上制造的高度集成的电路,里面集成了数十亿个晶体管,要想将那么多的晶体管做到极小面积的硅片之上,就需要每个晶体管的体积足够小,电路的导线足够细,我们所讲的5nm或者7nm就是指晶体管的宽度或者叫做线宽(CD)。
综合性能差异
芯片领域从10nm过渡到7nm,进而逐渐迈向5nm,每一次进步都伴随着芯片性能的极大提升,据计算,芯片每前进1nm,性能将提升30%-60%,尺寸越小意味着在相同的面积之内可以储存更多的晶体管,从而达到快的运行速度,进而也可以降低能耗。
例如,华为麒麟***0使用的是10nm工艺,麒麟980时已经是7nm工艺制程,其晶体管数量从***0版本的55亿上升至69亿,增加了25.5%,晶体管数量的增加直接促进了CPU、GPU和NPU性能的提升,从跑分上看,CPU性能提升50%,GPU性能提高100%,NPU性能提升了一倍,可见10nm跟7nm工艺的差距之大,这也正是芯片领域追求更小晶体管的原因。
台积电5nm制程的密度高达1.8亿晶体管/平方毫米,比7nm plus密度提升100%!不过坏处是,功耗降低幅度并不大,同样晶体管数量情况下功耗只降低大概20%,这就带来严重的积热问题,热密度很高。解决办法只有一个:高规格加低频率。比如现在麒麟990是Mali G76MP16@580MHz,如果***用5nm制程的话,可以借助高密度优势堆MP32规格(***设G76允许堆这么多核),同时频率降低到480MHz,这样功耗持平,性能却可以暴涨
回答题主的问题之前,我们首先需要了解一下这里的5纳米或者7纳米指的是什么?
我们经常会从新闻媒体报道中看到的芯片制程达到14nm,7nm,5 nm 工艺,尤其是最近美国打压中兴,华为等企业,引发大家对芯片制程颇为关注。最近中芯国际在没有荷兰ASML的光刻机下,宣布实现7 nm纳米制程,很多人更是为之振奋。同时也有很多人疑问这里的半导体多少纳米制程到底指的是什么?晶体管间距尺寸?还是晶体管尺寸大小?而实际上这里的制程是指栅极长度(源极和漏极之间的距离,即下图中沟道的宽度,就是多少纳米工艺中的数值了)。这么说可能还是很抽象,直接见下图:典型芯片中晶体管的构造。
晶体管工作时,电流从源极流向漏极,而中间的栅极,相当于一个闸门,主要负责源漏极间电流的通断。但电流通过栅极时会引起损耗,因而栅极的宽度就决定了损耗的大小,从而决定了芯片的发热和功耗,很明显,栅极越窄,芯片功耗越少。
所以在相同情况下,单位面积上5纳米芯片集成的晶体管数量要比7纳米芯片更多,芯片性能也就更快优越且功耗更低。