為啥晶片越來越貴,性能提升卻越來越小?
兩件有趣的事。首先,去年發表的iPhone15 Pro系列雖然首發了3nm流程,但A17 Pro的表現似乎並沒有達到大家的心理預期。其CPU單核心、多核心和GPU效能相比A16的提升幅度分別僅為10%、12%和4%,且功耗不僅沒有降低,反而大幅增加。
另外,晶片的價格近年來不斷攀升,根據通路消息,驍龍8系列旗艦晶片的價格已從曾經的100美元左右上漲到160美元左右。
那為什麼晶片的效能提升越來越小,價格反而越來越貴呢?
首先,晶片性能提升幅度變小,並非源自於晶片廠商的技術因素。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。晶片製程升級的關鍵優勢在於增加每平方毫米的電晶體密度,進而縮減晶片面積以及「單位面積」的生產成本。例如,假定先前生產一個晶片需要10 平方厘米,成本為100 元,而如今隨著製程的進步,同等性能的晶片或許僅需5 平方厘米,成本也會降至50 元。
就像从 10nm 工艺进阶到 7nm 工艺,晶体管密度翻倍增长,这让芯片设计厂商能够在成本降低的状况下,合理增添晶体管数量以提高芯片性能,并且新芯片的量产成本相较于前一代并不会有显著的提高。
然而隨著晶片製程的發展進入瓶頸期,電晶體密度的提升幅度逐漸減少。從10nm到7nm,電晶體密度提升了102%;從7nm到5nm銳減為70%;到3nm時代則只有66%的提升,甚至成熟版的台積電N3E製程相比於N5製程的密度提升可能只有50 %左右。這意味著晶片廠商想要提升效能,只能依靠增加晶片面積來實現,但晶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系列晶片最先受到影響,是因為其核心面積一直是業界最大的,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。而安卓晶片由於堆料相對較少,還有一定的空間透過堆料來提升性能,如天璣9300採用全大核設計,驍龍8 Gen 3的GPU規模也很大。但CPU單核心性能的提升卻較為困難,因為無法透過堆料來實現。
其次,晶片價格越來越貴的原因是,由於製程升級帶來的電晶體密度提升變小,晶片廠商為了提升性能,不得不擴大晶片面積,增加了成本。此外,晶片生產過程中的成本也在提高,因為製程提升需要依賴更昂貴的設備和技術,就例如更高階的光刻機、光刻材料等。
根據已知訊息,台積電的3nm製程密度提高了56%,但成本增加了40%,每個電晶體的成本實際上只降低了11%,這是50多年來主要製程技術的最弱擴展。未來,驍龍8 Gen 4、天璣9400等晶片可能會採用更激進的規模配置,這必然導致採購成本進一步提高。因此,在沒有新技術崛起的情況下,矽基半導體晶片尤其是高階晶片的價格只會越來越貴,這是大勢所趨。