5nm芯片功耗集体“翻车”，三星台积电谁来背这“锅”？

2020年底，搭载5nm芯片的智能手机陆续上市，苹果、海思、高通相继推出自家新旗舰产品，看似又是一个手机芯片性能跨越性提高的节点。然而事与愿违，从发布会上的PPT到终端产品上手，实际能耗比都不尽如人意。特别是备受关注的骁龙888，从发布会后的“秒天秒地”，到小米11上市后论坛上铺天盖地的“翻车”帖，也很能说明落差之大。那么这一代的5nm芯片，到底问题出在哪？

A14：性能挤牙膏，能效开倒车

苹果A14作为首发5nm制程的芯片，推出之初也伴随着发热、降频的谈论。A14 CPU与上一代相同采用了“2大+4小”的架构，但大核史无前例地拉到了3GHz的峰值频率，相比上代A13提高了13%。虽然CPU实际性能提升不如往年，但这一代A14至少是在能耗上有惊喜。

根据贴吧网友@Howl的Geekbench Pro5测试数据显示，单核上3GHz的A14比2.66GHz的A13功耗低了接近28%左右，同时单核1597分相比A13的1332分提升近20%。这个成绩已经超出了TSMC的N5工艺同性能下功耗降低30%、同功耗下性能提升15%的理论值，显然苹果在A14的大核中优化了IPC。虽然A14双核功耗比A13高6%左右，同样全核功耗也稍微提高，相比其性能提升完全在合理范围内。

而A14的问题就出在GPU上。在能够体现CPU极限性能的GFXBench Manhattan 3.1测试中，根据博主@小扁蓝超威提供的数据显示，处于冰箱环境（为了降低发热降频的影响）的A14 GPU平均功耗高达7.33W，峰值达到了8.12W。当然，单纯的功耗并不能代表什么，能效比才是更加体现芯片实力的数据，在高功耗下有对应的高性能也能够提高能效。

然而，同样在GFXBench的测试中，A14的峰值性能相比A13提升并没有达到苹果PPT上GPU提升30%的效果，除了Manhattan两项之外，其余测试项目均只提升5%左右。根据各项测试数据，A14能效相比A13反而普遍下降。要知道，TSMC  N5工艺宣称的同功耗下性能提升也有15%，即意味着制程工艺带来的红利不仅没有体现，反而还倒退了。

当然，出现如此不寻常的情况，也有人怀疑可能是TSMC N5工艺出现了问题。 ICmasters在分析A14 die shot后发现，这一代N5工艺实际晶体管密度为1.34亿/平方毫米，但TSMC官方宣传其5nm工艺可以做到1.713亿个晶体管/平方毫米的密度，A14实际只达到了理论的80%不到。与此同时，从A10到A13，实际晶体管密度基本上是保持在理论值的90%附近，这难免让人产生TSMC工艺“翻车”的猜测。事实上，A14发布不久后，从同样基于TSMC N5工艺的麒麟9000表现来看，似乎也将能效“开倒车”的原因导向TSMC身上。

麒麟9000：堆核心+拉高频=功耗爆炸？

从这一代麒麟芯片的命名上，能看出与上代995提升之大，事实也确实如此。麒麟9000 CPU部分采用了1+3+4的设计，A77超大核峰值频率被设定到了3.13GHz；而GPU部分则采用了最新的Mali-G78，直接把Mali GPU允许的最高24核心规则堆满了。可以认为，华为在目前的生存环境下，已经将能够堆的料都堆满了。

不过，堆料所付出的代价必然是功耗“爆炸”。根据视频博主@极客湾提供的数据，CPU方面，麒麟9000峰值功率达到了5.96W，相比上代995提高了30%，单核性能提升38%，多核性能提升近20%，与A13到A14的提升幅度类似。

同样，麒麟9000的“翻车点”在于GPU。前面提到麒麟9000的GPU规格高达24核，核心数之多，已经预示着其峰值功耗之高。不出所料，在移动端几乎最能体现GPU性能的游戏“光明山脉”中，麒麟9000测出了恐怖的11.1W整机峰值功耗，这已经接近于笔记本的GPU功耗了。

而这并不是极限，在GFXBench Manhattan 3.1测试中，室温环境下麒麟9000能够达到122FPS/7.22W，但有部分网友测出141FPS的成绩，几乎达到了A14的冰箱测试水平！不过，麒麟9000受限于Mali-G78架构的能效，达到与A14相同性能下，功耗必然也大幅提高。

总而言之，麒麟9000只能使用落后友商一代的A77架构之下，通过拉高频达到性能提升，与频率相近且同架构的高通骁龙865+功耗其实下降了10%-15%。从骁龙865+采用TSMC N7P工艺来看，麒麟9000的CPU部分还算是符合TSMC N5工艺提升的预期。

而比A14“翻车”更严重的GPU部分，麒麟9000虽然被认为“堆料太多”，但GPU多核低频理论上也是提高能效的方法之一。相比于提频，堆核心带来的性能提升是更接近于成正比的，目前麒麟9000的实际能效与性能不如堆料的提升幅度大。且从多方数据来看，麒麟9000的个体体质差异巨大，因此同样不能排除TSMC工艺不稳定的因素。

骁龙888：实测中“唯唯诺诺”，PPT“重拳出击”

如果单从高通发布会上的PPT来看，骁龙888无疑是近几年手机芯片中提升最大的。CPU部分，骁龙888首次采用了Cortex-X1大核，1*X1+3*A78+4*A55的架构，高通宣称有25%的性能和能效提升，即在功耗不变的情况下，性能提升25%。 GPU升级成Adreno660，高通更是表示性能大幅提升35%，能效提升20%。

然而在PPT上吹过的牛，实测中很快就原形毕露。根据AnandTech的数据显示，基于SPEC06int的CPU测试中，骁龙888的X1大核平均每瓦能效为13.87，而麒麟9000采用落后一代的A77核心平均每瓦能效也达到了16.14，对比高通自己上一代旗舰骁龙865的18.3每瓦能效更是相差甚远。

GPU部分同样引用GFXBench Manhattan 3.1测试数据，骁龙888能够达到7.67W/118FPS，能效比不如麒麟9000的7.22W/122FPS，GFXBench峰值功耗也超过了9W。

其实从X1大核的能效比数据中就能够意识到问题所在，理论上能效比能够获得大幅提高的X1大核并没有表现出应有的优势。与三星推出的5nm Exynos 1080作对比，同样采用A78架构的中核，骁龙888中核运行在2.42GHz下，基于SPEC06int测试得出平均每瓦能效为18.79，而三星Exynos1080则仅仅提升到2.6GHz后，平均每瓦能效就暴跌到13.69。

X1相比A78本身有近10%的能效加成，而Exynos1080的A78大核与骁龙888的X1频率均在2.8GHz附近，所以通过对比可以发现，两者能效差距在18%左右，且能效都偏低。由于骁龙888采用的是与Exynos1080相同的三星5LPE工艺，因此有很大概率，CPU能效低是三星5LPE工艺高频表现差造成的。至于这次三星5LPE“翻车”程度之严重，甚至可以认为TSMC的N5实际上已经是正常表现。

小结：

要注意的是，以上所有“翻车”现象仅仅是出现在极限性能条件下，在日常使用场景中几乎不会出现，而且个体表现差异巨大，“翻车”还存在一定概率。对于如今的旗舰芯片而言，性能基本上不会成为瓶颈，其实只要手机厂商适度调校处理器调用策略，峰值性能差异完几乎不会在日常使用中被感受到。

虽然种种测试结果都导向目前5nm工艺非常不成熟，相比7nm时代提升微乎其微，甚至可能因为漏电率高，导致能效比有所下降。不过，这或许也是整个半导体行业所需要面对的现实——制程工艺带来的性能提升已经越来越小，任何领域的技术都不可能几十年如一日地高速发展。

近十年由于智能手机对于芯片性能、体积的需球推动了先进制程的井喷式发展，无论是不断提高的投入，还是硅材料的物理限制，都无可避免地使先进制程遇到瓶颈，寻求其他的路线。或许可以说是FinFET到了历史的尽头，未来可能是GAA的时代；亦或许未来避免不了走上用功耗规模换性能的路线。但是，只要未来智能手机依然保持如今的升级速度，或有其他对更先进制程的需求爆发，制程发展还将继续延续下去。