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在美國(guó)芯片法案和對(duì)中施加的芯片制裁的風(fēng)波中，TSMC似乎被推到了風(fēng)口浪尖，他們?cè)谡螇毫ο路浅２磺樵傅卦贏rizona建廠。為什么TSMC的地位如此重要？我們可以試著做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，世界如果沒有TSMC，芯片行業(yè)將會(huì)發(fā)生什么。
轉(zhuǎn)向Samsung
我們能想到的第一個(gè)反應(yīng)就是轉(zhuǎn)向另一家代工廠。但這一選擇其實(shí)有許多困難。首先，只有Samsung擁有5nm和3nm工藝。所以，Samsung理所當(dāng)然成了唯一備選方案。但采用新的代工廠也不是簡(jiǎn)單的事。盡管兩種工藝有相同的名稱，例如5nm、3nm，但它們?nèi)匀挥泻艽蟮牟煌?，這會(huì)導(dǎo)致大量的重新設(shè)計(jì)。
這些差異之一是單元庫(kù)（EDA工具組合在一起創(chuàng)建邏輯設(shè)計(jì)的一組微電路）。在設(shè)計(jì)流程的早期設(shè)計(jì)就從高級(jí)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為邏輯單元的網(wǎng)絡(luò)，所以轉(zhuǎn)移到一個(gè)新的單元庫(kù)就意味著要審查設(shè)計(jì)的大部分早期部分，并且實(shí)際上要重做許多后面的步驟。
另一個(gè)問(wèn)題是所謂的設(shè)計(jì)規(guī)則（關(guān)于形狀、大小、方向、間隔和位置的數(shù)千條具體幾何規(guī)則的文件），這些規(guī)則將被打印到掩膜上，并在制造過(guò)程中轉(zhuǎn)移到晶圓上。每種工藝都有自己的設(shè)計(jì)規(guī)則，因此在TSMC 5nm工藝中有效的設(shè)計(jì)可能需要許多詳細(xì)的修改，才能適用于Samsung的5nm。設(shè)計(jì)規(guī)則是在設(shè)計(jì)過(guò)程接近尾聲時(shí)檢查的，所以這需要相對(duì)較小的改動(dòng)。
對(duì)單元庫(kù)、設(shè)計(jì)規(guī)則和其他問(wèn)題的差異進(jìn)行調(diào)整后，芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能已經(jīng)重復(fù)了原始設(shè)計(jì)中的一半以上的工作（假設(shè)新版本第一次就ok過(guò)關(guān)）。新版本在性能、功耗和die尺寸上還會(huì)有很大不同，無(wú)論是好是壞。
其結(jié)果可能是，基于5nm或3nm設(shè)計(jì)的產(chǎn)品推遲一年才重返市場(chǎng)，芯片成本增加，性能或效率卻可能降低。
回退
如果簡(jiǎn)單地從TSMC轉(zhuǎn)向Samsung被證明是不可能或不切實(shí)際的，下一個(gè)選擇可能是采用舊工藝重新設(shè)計(jì)芯片。Intel有10nm和所謂的7nm的工藝，GlobalFoundries也有14和12nm。此外，就沒有合理的替代方案了。許多供應(yīng)商早早就退出了摩爾定律的競(jìng)賽，以至于在14nm和下一個(gè)可行的替代方案之間有很大的差距。
現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是，將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到舊工藝節(jié)點(diǎn)與轉(zhuǎn)移到不同的代工廠是完全不同的工作。作個(gè)粗糙的概括，每一個(gè)連續(xù)的工藝節(jié)點(diǎn)所生產(chǎn)的芯片都具有比前一個(gè)節(jié)點(diǎn)更多的容納晶體管的能力、更低的功耗和更高的性能。從14nm以后，這種收益開始遞減，所以差異不像以前那么大了，但仍然存在。
這意味著如果你為7nm工藝重新設(shè)計(jì)原來(lái)的3nm芯片，die將明顯增大。如果你的3nm設(shè)計(jì)已經(jīng)突破了die尺寸的極限，那么你的7nm設(shè)計(jì)可能根本就不適合放在一個(gè)die上。7nm設(shè)計(jì)需要運(yùn)行得更慢，才能獲得與3nm設(shè)計(jì)相同的功耗。或者，如果你追求的是相同的性能，那么7nm設(shè)計(jì)的功耗會(huì)明顯增加。如果回退到10nm或14nm工藝，影響甚至?xí)蟆?/p>
減輕影響的因素
盡管如此，實(shí)際可能并不像聽起來(lái)那么糟糕。在電路層面上，5nm芯片名義上比7nm芯片在相同功率下性能增加10%，或者在相同性能下功耗減少約20%。但是在電路行為和芯片在系統(tǒng)中的工作方式之間還有許多其他變量。
例如，在大多數(shù)設(shè)備中，先進(jìn)的芯片只在很小的一部分時(shí)間內(nèi)以最大速度運(yùn)行，其余時(shí)間要么在省電模式或空閑狀態(tài)下。因此，10%最大性能差異對(duì)于實(shí)際應(yīng)用可能是不可見的。
功耗的情況也類似，在所有可用的省電模式下，芯片在現(xiàn)實(shí)生活中可能很少接近最大功耗。在新的設(shè)計(jì)中更積極地使用電源管理技術(shù)可能能夠補(bǔ)償基礎(chǔ)工藝技術(shù)的大部分差異。但AI應(yīng)用是例外，它們往往會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)全速運(yùn)行。
容量差異（在給定區(qū)域獲得多少邏輯門和內(nèi)存位）是一個(gè)更大的問(wèn)題。這也取決于設(shè)計(jì)，但在相同的die面積上，5nm比7nm器件可能多出25%。你能擁有的最大尺寸的die有一個(gè)物理限制，由光刻設(shè)備決定。
如果你的5nm設(shè)計(jì)沒有接近該極限，那么容量的差異只會(huì)轉(zhuǎn)化為更大的die，考慮到舊工藝往往更便宜，成本可能會(huì)或不會(huì)更高。但如果已經(jīng)接近極限，那么可能不得不在舊工藝中把設(shè)計(jì)分成兩個(gè)或更多die。
Multi-die的挑戰(zhàn)
如果新的設(shè)計(jì)需要multi-die，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)面臨兩個(gè)重要問(wèn)題。如何在die之間分區(qū)設(shè)計(jì)，以及如何將die互連？這兩個(gè)問(wèn)題是相互影響的。
根本的問(wèn)題是，die之間的互聯(lián)比die內(nèi)的互聯(lián)要慢得多，每比特的功耗也大得多。對(duì)連接的數(shù)量也可能有嚴(yán)格限制。因此，你需要在三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行分區(qū)。其一是對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分區(qū)，使較慢的連接所增加的延遲對(duì)系統(tǒng)性能的影響盡可能小。這通常會(huì)出乎意料的有效。
另一個(gè)是盡量減少必須在die之間移動(dòng)的數(shù)據(jù)量，特別是在高速情況下，以減少不必要的功耗。
而第三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是盡量減少die之間的連接總數(shù)，以減少增加的封裝成本。
這三個(gè)考慮因素也是相互影響的。因此，系統(tǒng)分區(qū)既是藝術(shù)，也是工程。而且它可能需要清晰地回到設(shè)計(jì)過(guò)程的開始，重新思考芯片結(jié)構(gòu)的某些方面。因此，推向市場(chǎng)的時(shí)間可能是一年或更長(zhǎng)。
互聯(lián)
與分區(qū)挑戰(zhàn)同時(shí)存在的還有如何在物理上連接die的問(wèn)題?；旧嫌腥N選擇。你可以把每個(gè)die放在一個(gè)單獨(dú)的封裝里，然后把封裝安裝在電路板上。這種方法性能最低且功耗最高。但如果能滿足系統(tǒng)要求，也是最便宜的，并且有一個(gè)強(qiáng)大的全球供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的支撐。
另一種選擇是傳統(tǒng)的multi-die模塊。你可以把裸片直接安裝在一塊很小的電路板材料上，上面印有間距很細(xì)的互連線。然后將這個(gè)組件放入傳統(tǒng)的封裝中。這種方法比單die封裝性能更高且功耗更低，但代價(jià)是需要更多的設(shè)計(jì)工作，價(jià)格也更高。
在multi-die模塊方面有經(jīng)驗(yàn)的封裝和測(cè)試公司也比較少，目前許多公司都在中國(guó)臺(tái)灣或中國(guó)大陸。
在性能和功耗方面的最佳選擇是所謂的高級(jí)封裝，就是AMD和Intel目前在最新的數(shù)據(jù)中心CPU中所采用的技術(shù)。die會(huì)直接安裝在一個(gè)硅中介板上。中介板的互連線是在晶圓廠出廠的，因此它們的密度幾乎與die上的密度一樣。因此，你可以在die之間有更多的連接。
這是最昂貴的選擇，也需要最多設(shè)計(jì)工作。除了TSMC之外，GlobalFoundries、Intel和Samsung都擁有類似的封裝技術(shù)。
還有第四種選擇，將die堆疊在起來(lái)，就像DRAM中的方式一樣。這可以進(jìn)一步降低性能損失和功率損耗，但由于復(fù)雜性和設(shè)計(jì)工作會(huì)大幅增加，這對(duì)目前的大多數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)可能并不實(shí)用。
世界的另一面
對(duì)于中國(guó)的fabless公司來(lái)說(shuō)，在美國(guó)的制裁下，能夠選擇的代工廠只有SMIC（中芯國(guó)際）。
SMIC擁有14nm工藝。美國(guó)的制裁目前阻礙了SMCI采購(gòu)EUV光刻機(jī)，因此一般的說(shuō)法是他們將止步于此。
但從理論上講，沒有EUV也可以做到7、5、甚至3nm。這會(huì)在工藝復(fù)雜性和成本方面成倍增加，但仍可能是行得通的。事實(shí)上，前不久當(dāng)一個(gè)分析實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)SMCI似乎生產(chǎn)出了7nm芯片時(shí)，出現(xiàn)了大量相關(guān)的報(bào)道。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，該芯片實(shí)際上是用10nm工藝制造的，有一些類似于7nm工藝的優(yōu)化，因此將該工藝描述為半10nm節(jié)點(diǎn)可能更準(zhǔn)確。
無(wú)論哪種方式，它都說(shuō)明了決心可以克服物理障礙。
中國(guó)的fabless公司能否與SMIC合作，找到工藝優(yōu)化和可能的multi-die架構(gòu)，至少在系統(tǒng)層面保持與TSMC工藝的競(jìng)爭(zhēng)力？這不完全沒可能的，而美國(guó)的制裁無(wú)疑為這些fabless公司提供了這樣做的動(dòng)力。
