蘋果A14尺寸未達5奈米水準 3D堆疊、NRAM成解套

摩爾定律逐漸瓦解？專門分析半導體技術網站SemiAnalysis日前發表文章表示，儘管蘋果A14晶片是5奈米製程，但其SRAM體積縮小量從7奈米製程到5奈米製程僅縮小了1.19倍，未達到台積電宣稱1.35倍。除此之外，A14電晶體規模僅縮小1.49倍，還不到台積電宣稱的1.8倍，有效密度僅達到78%，不是台積電要求90%，且電晶體成本仍未下降。文章作者Dylan Patel認為，半導體製程水準在5奈米製程幾乎達到極限，主要原因是SRAM縮放問題，若採用3D整合(Integration)，或者找尋其他替代記憶體(如NRAM、FeRAM、MRAM)方式，便會解決此問題。

蘋果在2020年9月發布A14晶片，全球首款利用台積電5奈米製程技術來生產，裸晶尺寸是88毫米，內含2顆高頻核心(Firestorm)、4顆節能核心(Icestorm)，以及採取4核心GPU架構。A14與A13兩者不同之處，在於A13採取7奈米製程技術，A14則採5奈米製程技術；原本A13內嵌Thunder核心只有96KB的L1i快取，A14則提升至128KB；以及從A13的L1d 48KB快取提高至64KB，造成A14網路處理器(NPU)從A13的8核爆增16核。Dylan Patel表示，A14配置與上一代A13晶片相似，因此，晶片架構與時脈速度(Clock Speeds)取決了A14的GPU和CPU性能。

儘管晶片架構與前一代不同，大部分矽智財區塊(IP Blocks)也都大幅度縮小。但是，另一方面，A13與A14皆採取了16MB系統快取，A13的SRAM(靜態隨機存取記憶體)占了9.57毫米，A14則縮小至7.83毫米，相差了1.19倍，兩者SRAM之間縮小差距未達到台積電當初宣稱，7奈米製程到5奈米製程縮小1.35倍容量的條件。Dylan Patel認為，雖然A14到A13所採取SRAM的尺寸大小沒有達到縮小水準，但這並非是蘋果或是台積電的問題，而是重新思考設計架構的方式。

另外，由於SRAM未達5奈米縮小水準，也直接影響了A14電晶體密度。Dylan Patel分析指出，歷年來蘋果晶片的電晶體實際密度皆能達到理論密度90%以上，但A14電晶體實際密度僅78%，沒有達到理論密度的水準，且A14的電晶體大小與A13相比只縮小了1.49倍，同樣未達到台積電宣稱1.8倍。這種情況顯示出，電晶體數量從5奈米製程逐漸無法遵照摩爾定律來增加密度，甚至無法維持密度。Dylan Patel接著表示，目前台積電5奈米製程價格約在1.7萬美元，跟7奈米相比每個電晶體成本並未下降。

為了能夠解決電晶體密度與SRAM尺寸縮小問題，目前台積電和三星正在利用3D堆疊SRAM方式來解決電晶體密度問題，以及Dylan Patel建議，晶片架構設計師可以尋求兩種潛在的途徑轉向更複雜/高效的快取設計，或是使用其他記憶體，例如NRAM、FeRAM或MRAM，降低SRAM尺寸達到5奈米或是將來3奈米製程水準。