苹果A14处理器裸片(Die)显微分析:未达到台积电宣称的晶体管密度

2020-10-30 12:12:36 来源:EETOP
最近国外半导体逆向工程和IP服务公司ICmasters使用透射电子显微镜(TEM)对Apple的A14仿生芯片系统(SoC)进行了初步分析。揭开了A14裸片(Die)的神秘面纱。

裸片尺寸为88mm²,尽管封装了118亿个晶体管,但由于采用了台积电的5nm工艺节点,芯片尺寸小得令人难以置信。而A13仿生处理器芯片尺寸为98.48mm²。虽然图像的质量不是很高,但通过粗略的napkin计算,我们可以得出,具有较大L2缓存的双核FireStorm复合体约为9.1mm²,而具有较小L2缓存的四核IceStorm复合体约为6.44mm², GPU约为11.65mm²。我们知道苹果近年来使用了统一的系统缓存,但是在图像上很难找到它。

A14 Bionic芯片的平均晶体管密度为1.3409亿个/mm²,高于A13 Bionic的0.8997亿个/mm²。考虑到半导体厂商在测量晶体管密度时往往使用不同的方法,我们无法真正将台积电的N5与英特尔10纳米的约1亿个晶体管/平方毫米进行比较,。同时,苹果A14 Bionic的晶体管密度似乎比台积电承诺的基于N5的SoC的理论峰值平均晶体管密度低一些。苹果的芯片历史上已经达到了其处理器中进程节点理论密度的90%以上。而这一代与理论密度相比,A14的有效晶体管密度仅为78%。尽管台积电声称N5的尺寸缩小了1.8倍,但苹果A17仅缩小了1.49倍。 

之所以没有达到理论缩小倍数,主要有以下几种原因:

晶体管密度因不同的芯片结构而异。逻辑结构可以在每个新节点上很好地扩展,但是如今SRAM,I / O和模拟部件很难扩展,因此代工厂发布的峰值是高度理论性的,而实际数字是取决于设计。  

由于SRAM用于寄存器和缓存,因此现代处理器的设计需要占用大量SRAM。SRAM需要互连和电路来访问它,而此类互连并不总是能够很好地扩展。鉴于所有现代SoC都包含不同类型的处理器内核,它们也使用高速缓存负载。  

同样,芯片的某些部分必须以更高的时钟频率运行(例如,通用内核)。通过使用通常更大的高性能电池,这些零件可能会牺牲性能密度。实际上,考虑到苹果公司对最终性能的关注,其SoC通常具有大容量缓存以及可能进行其他性能优化。 

台积电的N5节点与之前的微缩有所不同,显示出SRAM扩张放缓的迹象。尽管是一个完整的缩小与逻辑,SRAM是一个1.35倍缩小,这个数字被夸大了。因此台积电的指引是N5可使晶片面积减少35%-40%。半分析预计,这将是一个趋势,并将持续与新的节点。台积电和三星已经在展示3D堆叠SRAM,这将有助于缓解密度问题。

3D堆积并非万能的,成本缩减已经开始大幅放缓。台积电N5晶圆定价在1.7万美元左右,显然每个晶体管的成本并没有下降。即使SRAM的缩放速度跟上,每晶体管的成本从N7到N5也将保持不变。

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