為啥芯片越來越貴,性能提升卻越來越小?


兩件有趣的事情。

首先,去年發佈的iPhone15 Pro系列雖然首發3nm制程,但A17 Pro的表現似乎並沒有達到大傢的心理預期。其CPU單核、多核和GPU性能相比A16的提升幅度分別僅為10%、12%和4%,而且功耗不僅沒有降低,反而大幅增加。

另外,芯片的價格近些年在不斷攀升,根據渠道消息,驍龍8系列旗艦芯片的價格已從曾經的100美元左右上漲到160美元左右。

那麼為什麼芯片的性能提升越來越小,價格反而越來越貴呢?

首先,芯片性能提升幅度變小,並非源於芯片廠商的技術因素。在眾多人的觀念裡,常常會把工藝升級和性能升級畫上等號,但這種認知實則有誤。芯片工藝升級的關鍵優勢在於增加每平方毫米的晶體管密度,進而縮減芯片面積以及“單位面積”的生產成本。例如,假定之前生產一個芯片需要 10 平方厘米,成本為 100 元,而如今隨著工藝的進步,同等性能的芯片或許僅需 5 平方厘米,成本也會降至 50 元。

就像從 10nm 工藝進階到 7nm 工藝,晶體管密度翻倍增長,這讓芯片設計廠商能夠在成本降低的狀況下,合理增添晶體管數量以提高芯片性能,並且新芯片的量產成本相較於前一代並不會有顯著的提高。

然而隨著芯片工藝的發展進入瓶頸期,晶體管密度的提升幅度逐漸減小。從10nm到7nm,晶體管密度提升102%;從7nm到5nm銳減為70%;到3nm時代則隻有66%的提升,甚至成熟版的臺積電N3E工藝相比於N5工藝的密度提升可能隻有50%左右。這意味著芯片廠商想要提升性能,隻能依靠增加芯片面積來實現,但芯片面積的增加會帶來延遲提升、成本提升、功耗變高等一系列副作用。

蘋果A系列芯片最先受到影響,是因為其核心面積一直是行業內最大的,在沒有內置基帶的情況下,比標配基帶的安卓旗艦芯片面積還大,更容易觸碰到工藝瓶頸的天花板。而安卓芯片由於堆料相對較少,還有一定的空間通過堆料來提升性能,如天璣9300采用全大核設計,驍龍8 Gen 3的GPU規模也很大。但CPU單核性能的提升卻較為困難,因為無法通過堆料來實現。

其次,芯片價格越來越貴的原因是,由於工藝升級帶來的晶體管密度提升變小,芯片廠商為提升性能,不得不擴大芯片面積,從而增加成本。此外,芯片生產過程中的成本也在提高,因為工藝提升需要依賴更昂貴的設備和技術,就比如更高階的光刻機、光刻材料等。

根據已知信息,臺積電的3nm工藝密度提高56%,但成本增加40%,每個晶體管的成本實際隻降低11%,這是50多年來主要工藝技術的最弱擴展。未來,驍龍8 Gen 4、天璣9400等芯片可能會采用更激進的規模配置,這必然導致采購成本進一步提高。因此,在沒有新技術崛起的情況下,矽基半導體芯片尤其是高階芯片的價格隻會越來越貴,這是大勢所趨。


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