众所周知，华为的芯片设计水平比肩美国最先进水平，然而却因为制裁，没有代工厂愿意给它代工芯片。无奈之下，华为只好亲自上场，自建芯片生产线，目前已有消息称华为自建的40纳米制程芯片生产线已经投产，并将在年底提升到28纳米，明年初提升至20纳米。目前华为自建芯片生产线已经成了公开的秘密。
被制裁后，心声社区发布的图片
6月23日据国内媒体报道，中国电子信息研究所所长温晓君称，我国14nm和28nm工艺的芯片将实现量产。由于我国的中芯国际2019年就已量产14纳米制程工艺，因此这里说的14纳米工艺芯片指的是去除美国技术的全国产14纳米制程工艺。
这意味着，华为很可能将在2022年底实现14纳米制程工艺量产。前不久，有网络大V就透露过，华为申请新专利，手机芯片有望在明年底重新量产。
最近，关于用14纳米工艺能不能做出媲美7纳米工艺的芯片争议不断，不少人直接一棍子打死，认为即便做出性能相当的芯片，功耗也会大很多。然而，事实上这个看法真的很外行！
今天就提出一种用14纳米制程工艺也能做出性能、功耗都媲美7纳米制程工艺的全新可行思路。
那就是牺牲成本走低频路线，结合3D工艺，以2倍以上的晶体管数量做出功耗、性能媲美7纳米工艺的芯片！我们都知道，决定芯片理论性能的关键因素是晶体管数量和运行频率。当然实际性能还跟芯片架构设计、算法等隐身有关。
试验数据表明，晶体管运行频率越高，功耗越高，然而两者关系并不是线性关系，而是指数级关系。而晶体管运算性能和频率却是线性关系的。接下来，以采用14纳米制程工艺的三星Exynos7420芯片为例具体说明。
Exynos7420CPU单核及多核的频率功耗曲线图
上图为三星的Exynos7420芯片A57单核及多核频率功耗曲线图。当运行频率为1000MHz(1G)时，4个A57核心的总功耗为1.16W，而当其运行频率为2000MHz(2G)时，4个A57核心的总功耗高达4.79W，约为1G运行频率时的功耗的4.13倍！然而，其理论性能只能达到前者的2倍而已。也就是说，当Exynos7420芯片运行频率从1G提升到2G（增加1倍），性能翻倍，功耗并不是提升一倍，而是增加了3.13倍！
再以评估苹果A12芯片（采用7纳米制程工艺）为例，当运行频率为1200MHz(1.2G)时，CPU的功耗约为0.3W，而当其运行频率为2400MHz(2G)时，功耗竟高达2.12W，约为1.2G运行频率时的功耗的7.07倍！也就是说，当苹果A12芯片运行频率从1.2G提升到2.4G（增加1倍），其A57核心的功耗并不是提升一倍，而是增加了6.07倍！
苹果A12CPU频率功耗曲线图
所有芯片都存在这个情况，这就给华为用14纳米工艺造出性能功耗媲美7纳米工艺的芯片提供了一个实现途径：只要将运行频率降低到原来的50%，晶体管数量增加1倍就能实现性能相同，功耗也相同甚至大降的目标！
根据三星、台积电公布的数据来看，台积电7纳米工艺的单位面积晶体管数量（96.5M）为三星14纳米工艺的3倍左右，功耗也大约下降2/3。也就是说晶体管数量、架构、运行频率都一样的情况下，采用14纳米工艺制程做出来的芯片功耗约为7纳米工艺芯片的3倍！
按照采用14纳米制程工艺的三星Exynos7420芯片频率功耗曲线图来看，如果想要做出同等性能的芯片，理论上只需要将运行频率降低1倍，晶体管数量提升1倍就能达到！由于14纳米工艺的单位面积晶体管数量仅有7纳米工艺的1/3左右，此时芯片的总面积将达到7纳米工艺的6倍！
这对于电脑CPU、基站CPU等对空间不敏感的电子设备来说毫无问题，但对于手机来说却是致命问题。这意味着手机主板面积将增大很多，极大压缩了电池的可用空间，将导致电池容量大减。
虽然这种方法能够造出符合要求的芯片，但是代价也很大，那就是成本将增大3倍！
按照台积电、三星公布的数据来看，14纳米制程工艺的单次流片费用约为1500万美元，7纳米（EUV）制程工艺的单次流片成本约为3000万美元。也就是说，若华为采用上述方法，用14纳米工艺做出性能、功耗都媲美7纳米工艺的芯片，成本将提升3倍！
那么有没有办法通过14纳米制程工艺做出尺寸、功耗、性能都媲美7纳米制程工艺的芯片呢？答案同样是肯定的！
想要做到这点，那就要用到一种新技术，那就是3D封装工艺！其原理就是，原本以二维平面排布的晶体管可以采用“盖楼”形式以“立体”堆砌方式排布。举个例子，原本占地600平方的房子，若采用6层堆砌，占地仅为100平方。也就是说采用3D封装工艺的话，华为仅需将芯片设计成多层，例如做成6层，然后通过3D封装工艺键合，就能将芯片的“占地面积”缩小6倍。此时，14纳米制程工艺就能做出“尺寸、功耗、性能”都媲美7纳米工艺的芯片！
3D封装工艺示意图
说到这里，有人又要说了，6层会不会大大增加芯片的体积呢？
这点就更不用担心了！
目前主流的手机存储芯片就是采用3D封装工艺做出来的128层NAND芯片，其体积非常小，和采用普通封装工艺做出来的芯片没有任何区别。原因是，3D封装工艺封装的芯片，单层厚度为微米级别，就是100层也就毫米级别，根本就不用担心厚度太大。
那么，华为究竟能不能解决3D封装工艺呢？答案同样是肯定的！
2020年4月13日，长江存储官网发出公告，正式宣布其128层QLC3D NAND 闪存(型号:X2-6070)研发成功，并已在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证。长江存储用杀手锏Xtracking技术结合3D封装工艺造出了存储容量、传输速度都更大的存储芯片。
采用3D封装工艺相比传统工艺，芯片面积大大减小
目前这种形势下，华为完全有办法获得国内厂商长江存储的技术授权，紧接着华为就可以在此基础上迭代开发出用于手机芯片的3D封装工艺。
还有人担心，我们能做出3D封装工艺，别人也同样可以做，那么我们采用这种方法能不能实现“换道追赶”呢？
的确没错，别人也可以开发3D封装工艺。然而随着制程的缩微，3D封装难度是指数级增加的，尺寸越小，对准键合难度越大，合格率越低，成本也越高。相比传统封装工艺来讲，采用3D封装工艺做出来的芯片暂时没有成本优势。对于不受制裁的其他芯片设计厂商来说，采用3D封装工艺制作芯片是得不偿失的！因此，除非制程工艺停滞不前，否则，传统封装工艺仍然是主流。这也导致传统芯片代工大厂对这种工艺研发投入较少，但不管从哪个角度看，这种工艺确实是未来发展趋势，毕竟制程工艺已经发展到极限。按照台积电3纳米制程工艺公布的数据来看，其参数相当于标准化7.1纳米制程工艺。目前业界公认的工艺极限是标注化3纳米制程工艺。这意味着传统芯片制程工艺已经接近工艺极限。
如果华为能够采用这种工艺持续研发，以华为的研发能力来看，追上顶级制程工艺可能也就需要5年左右而已。
此外，3D封装工艺还可以结合“异构芯片”设计方案实现“珠联璧合”的效果！异构芯片是伴随3D封装工艺发展起来的全新芯片设计思路。以前很多人一直嘲笑联发科的手机SOC是1核有难，8核围观，这实际上是因为其设计不合理导致数据传输、处理速度达不到高通、华为等厂商的水平导致的。
高端手机处理器麒麟9000有多个功能模块组成
手机SOC由CPU、GPU、ISP、NPU、基带等功能模块通过优化设计整合在一起，并非简单的晶体管堆砌。如何实现数据的即时传输，这非常考验芯片设计厂商的技术实力。事实上，芯片设计水平很大程度上由设计厂商的通讯技术水平决定。这里说的通讯技术水平包括算法、电路布线等技术，需要大量理论和实验，并不是随便堆叠晶体管就能做出性能不错的芯片。
国内某厂商就曾因5次流片失败而成为业界反面教材。美国苹果公司也因通讯技术比较薄弱，至今都无法做出能够商用的整合基带的手机SOC。华为恰恰是这方面的技术能手，按照华为高层自己的说法，其5G技术领先美国同行3年！
异构芯片设计的优势在于“让专业的模块做专业的事”，用更少的晶体管做同样的事。以前SOC单个模块需要考虑多种功能，无法做到最优效率，而在3D封装工艺的加持下，每个专业模块都可以被单独针对某个功能优化布线。这就相当于大大提升了晶体管的平均效率，以前100亿个晶体管干的事，用异构芯片架构可能仅需要80亿个甚至更少的晶体管就能做。
华为完全可以利用异构芯片架构、3D封装工艺、领先3年的通讯技术、更优秀的算法，运行效率更高的操作系统，全方位弥补制裁工艺落后带来的劣势。
前几天，国内封装大厂长电科技正式发布了XDFOI全系列极高密度扇出型封装解决方案，旨在为全球客户高度关注的芯片异构集成提供高性价比、高集成度、高密度互联和高可靠性的解决方案，引领先进芯片成品制造技术创新迈向新高度。
长电科技XDFOI全系列极高密度扇出型封装解决方案是新型无硅通孔晶圆级极高密度封装技术，相较于2.5D 硅通孔（TSV）封装技术，具备更高性能、更高可靠性以及更低成本等特性。如果华为能应用这项技术，用14纳米工艺做出性能、功耗、面积都媲美7纳米工艺的芯片真的不是异想天开！
长电科技XDFOI全系列极高密度扇出型封装解决方案发布会
降低运行频率思路早就有了，苹果A系列和安卓阵营的手机芯片也都做过。对比同代苹果A系列芯片和安卓阵营手机SOC就会发现，苹果A系列芯片的CPU大核面积太大，为降低功耗，它的运行频率相比同代安卓阵营手机SOC更低。
此外，不管是苹果A系列芯片还是安卓阵营手机SOC，为兼顾性能和续航，CPU部分均采用大小核心设计，大核心运行频率基本都提升到“功耗墙”频率，而小核心运行频率大大低于大核心运行频率，目的也是为了尽可能降低功耗，提升能效比。
办法总比困难多！我们完全不用担心华为的手机SOC能不能凤凰涅槃，唯一担心的问题就是用于生产28纳米甚至7纳米芯片的国产DUVi光刻机能不能在今年或者明年按时量产。
根据多方面的信息来看，国内的去美国技术14纳米芯片生产线将在明年底之前诞生。因此，不出意外的话，预计华为能够在3年内复产多数种类的芯片。
对此，你怎么看呢？欢迎共同探讨。