訂閱電子報∣ 友善列印字體大小 文章分享-Facebook 文章分享-Plurk 文章分享-Twitter
A14處理器未達5奈米水準 3D堆疊/次世代記憶體或為解套希望
新電子黃泓瑜
獲取產業訊息零時差!立即訂閱電電公會電子報。

蘋果A14晶片由5奈米製程生產,但其SRAM尺寸和電晶體密度未能達到台積電宣稱的水準。在先進處理器越來越倚賴加大快取記憶體容量來提升性能的情況下,SRAM密度無法隨製程微縮而出現相對應的提升,對先進製程的發展而言,將是一大警訊。解決問題的希望,或許將落在先進封裝或次世代記憶體的身上。

摩爾定律的效益越來越小?專門分析半導體技術的SemiAnalysis網站日前發表文章表示,儘管蘋果A14晶片採用5奈米製程,但與7奈米製程相比,其SRAM面積僅縮小了1.19倍,未達到台積電宣稱1.35倍。此外,A14的電晶體跟採用7奈米製程的A13相比,僅縮小1.49倍,未達台積電宣稱的1.8倍,其密度也僅達到5奈米製程理論最大密度的78%。以往蘋果A系列處理器的電晶體密度,平均都能達到理論最大值的90%左右。且電晶體成本仍未下降。文章作者Dylan Patel認為,半導體製程水準在5奈米製程幾乎達到極限,主要原因是SRAM微縮已面臨瓶頸,若採用3D整合,或者找尋其他替代記憶體,如NRAM、FeRAM、MRAM,或有機會解決此問題。

蘋果在2020年9月發布的A14晶片,是全球首款利用台積電5奈米製程技術生產,裸晶尺寸是88毫米,內含2顆高頻核心Firestorm、4顆節能核心Icestorm,以及4核心GPU。A14與A13兩者的差異,除了使用的製程節點不同外,內部架構也有不小更動。原本A13內嵌Thunder核心只有96KB的L1i快取,A14 Firestorm的L1i則提升至128KB;L1d快取的容量也從48KB快取提高至64KB。此外,A14神經網路處理器(NPU)從A13的8核爆增16核,也是一大差異。

儘管A13跟A14晶片內部的配置與前一代不同,大部分矽智財區塊(IP Blocks)也都大幅度縮小。但是占據整顆晶片最大面積的系統快取,面積縮小幅度卻未達台積電所宣稱的水準。A13與A14皆內建16MB系統快取,A13的SRAM面積占了9.57毫米,A14則縮小至7.83毫米,相差僅1.19倍。

為了替電晶體密度無法如預期提升,以及SRAM尺寸微縮難以為繼的問題尋求解套,台積電和三星(Samsung)都將希望放在3D堆疊上。但即便以3D堆疊擴大SRAM容量,也無法降低電晶體的單位生產成本。事實上,假設台積電5奈米晶圓的價格為每片1.7萬美元,則A14內含電晶體的單位生產成本,並未比A13便宜。未來晶片設計師恐怕難以再光靠增加SRAM容量來提升處理器效能,必須改用更複雜/高效的快取設計,或是使用其他記憶體,例如NRAM、FeRAM或MRAM。

不過,SemiAnalysis所做的分析,是基於逆向工程所取得的資料推論而來,SRAM尺寸微縮是否真的遇上瓶頸,恐怕只有蘋果與台積電團隊清楚。新電子/新通訊編輯團隊在與EDA業內人士討論此問題時,要求匿名的受訪者表示,在設計晶片時,把製程能力發揮到極限,未必是最佳解。藉由製程微縮同時獲得性能、功耗、面積(Performance, Power, Area, PPA)三重改善的好日子,早已經是過去式。現在的先進處理器在設計時,往往是在這三個設計目標中取其中一個或兩個最佳化,很少有晶片開發團隊會設下PPA都要最佳化的設計目標,除非該專案有很充裕的開發時間。因此,A14晶片在設計時,是否為了性能、功耗的最佳化,犧牲了面積,答案只有蘋果跟台積電清楚。

訂閱電子報 友善列印 字體大小:
獲取產業訊息零時差!立即訂閱電電公會電子報。