问题

如果现在7nm的芯片(比如麒麟990)全部用来做内存,容量可以达到多少?

回答
这是一个非常有趣且富有想象力的问题!将 7nm 制程的芯片全部用来做内存,我们来尝试详细地推算一下,看看理论上能达到多大的容量。

首先,我们需要明确一些关键概念:

7nm 制程 (7nm process): 这指的是芯片的制造工艺节点,它代表了晶体管栅极的特征尺寸或某个关键尺寸大约是 7 纳米。更小的制程通常意味着:
更高的晶体管密度: 在相同面积下可以集成更多的晶体管。
更低的功耗: 晶体管更小,开关时所需的能量更少。
更高的性能: 信号传播距离缩短,开关速度更快。
内存 (Memory): 在这里我们主要讨论的是构成计算设备存储能力的核心单元,例如 DRAM (Dynamic RandomAccess Memory) 或 NAND Flash (用于固态硬盘 SSD)。然而,考虑到芯片本身的结构和功能,将整个计算芯片“全部”转化为纯粹的内存单元存在概念上的障碍。

这里我们遇到的第一个核心问题是:一个完整的计算芯片(如麒麟990)是如何构成的?

麒麟990 是一款高度集成的 SoC (System on a Chip)。它包含了许多不同功能的模块,而不仅仅是计算单元或内存。一个典型的 SoC 包括:

1. CPU (Central Processing Unit): 负责执行指令和进行计算。
2. GPU (Graphics Processing Unit): 负责图形渲染。
3. NPU (Neural Processing Unit): 专用于人工智能计算。
4. ISP (Image Signal Processor): 处理相机图像。
5. DSP (Digital Signal Processor): 处理特定类型的信号。
6. 基带芯片 (Modem): 负责通信功能。
7. 缓存 (Cache Memory): 高速的、临时的存储单元,用于存储 CPU 频繁访问的数据。
8. 内存控制器 (Memory Controller): 管理外部内存的读写操作。
9. 其他 I/O 控制器、安全模块等。

所以,问题中的“如果现在7nm的芯片(比如麒麟990)全部用来做内存”意味着我们要把这些功能单元都“替换”成内存单元。这是一个概念上的重构,而不是在现有芯片上进行修改。

如何估算?

我们可以从两个角度来尝试估算:

角度一:基于芯片的物理面积和晶体管密度(更接近理论)

1. 获取麒麟990 的芯片面积: 麒麟990 是台积电 7nm 工艺制造的。根据公开资料,它的裸片面积(Die Size)大约在 7075 mm² 之间。我们取一个中间值,比如 72 mm²。

2. 估算 7nm 工艺的晶体管密度: 7nm 工艺的晶体管密度非常高。根据一些行业报告和预测,7nm 工艺的逻辑晶体管密度可以达到 ~50100 百万晶体管/mm² (MTr/mm²)。而内存单元(如 DRAM 的存储单元)的密度通常与逻辑晶体管不同。

3. DRAM 存储单元的密度: DRAM 的基本存储单元是 电容 (Capacitor) 和 晶体管 (Transistor) 的组合。一个 DRAM 位需要一个晶体管和一个电容来存储信息。在先进工艺下,一个 DRAM 存储单元的面积是非常小的。
我们知道,先进的 DRAM 芯片(如 DDR5)的单颗容量可以做到 16Gb、32Gb 甚至更高。例如,一个 16Gb (Gigabit) 的 DRAM 芯片,其面积大约在 7080 mm² 左右(这是整颗 DRAM 芯片,包含了控制器、驱动等辅助电路)。
换算一下,一个 16Gb 的 DRAM 芯片,其存储单元密度大约是 16 Gigabits / 75 mm² ≈ 0.21 Gbit/mm² = 210 Mbit/mm²。
如果我们将这个密度应用到麒麟990 的面积上:
总容量 = 芯片面积 × 存储单元密度
总容量 = 72 mm² × 210 Mbit/mm²
总容量 ≈ 15120 Mbit
转换为 GB (Gigabyte): 1 Byte = 8 Bits。所以 15120 Mbit / 8 ≈ 1890 Mbit。
再转换为 GB: 1890 Mbit ≈ 1.89 Gigabits。如果我们再除以 8 转换为 Gigabytes 的话,大约是 0.23 GB。

注意: 这里的计算是用 bits 来衡量的,然后转换成我们习惯的容量单位 Bytes。DRAM 芯片的密度是以 Gb (Gigabit) 为单位来衡量其存储单元的。所以 15120 Mbit 就是 15120 Megabits。
更精确的计算:
总存储单元数量 ≈ 72 mm² × (210 × 10^6 bits/mm²) = 15120 × 10^6 bits = 15.12 Gbits
总容量 (GB) = 15.12 Gbits / 8 bits/Byte = 1.89 GB

4. 考虑 NAND Flash 的密度: NAND Flash 的存储单元(TLC、QLC 单元)的密度通常更高,而且其核心是存储单元阵列,辅助电路占比相对较少。不过,NAND Flash 的设计和 DRAM 有所不同,它通常是基于 NAND 门结构。
先进的 NAND Flash 也可以达到非常高的密度。例如,一颗 1Tb (Terabit) 的 3D NAND 芯片(通常是多层堆叠,但我们这里考虑的是同一平面上的密度)面积也可能在 70100 mm² 范围内。
如果假设一个 7nm 工艺下的 NAND Flash 存储单元密度比 DRAM 更高,比如能够达到 ~0.5 Gbit/mm² (这是一个非常粗略的估计,实际密度受堆叠层数等影响很大,但我们考虑的是等效平面密度):
总容量 = 72 mm² × 0.5 Gbit/mm²
总容量 = 36 Gbits
总容量 (GB) = 36 Gbits / 8 bits/Byte = 4.5 GB

结论(角度一): 如果将麒麟990 的面积完全转化为 DRAM 存储单元,理论上可以达到大约 1.9 GB 的容量。如果转化为 NAND Flash 存储单元,理论上可以达到大约 4.5 GB 的容量。

需要注意的限制和问题(角度一):

异构集成 vs. 同质化: 麒麟990 是一个高度异构的芯片,集成了 CPU、GPU、NPU 等多种逻辑电路。DRAM 和 NAND Flash 的核心存储单元与逻辑电路的构成原理和制造工艺需求是不同的。DRAM 的存储单元主要是电容和访问晶体管,而 NAND Flash 的存储单元是浮栅晶体管。将这些与复杂逻辑电路共用一套 7nm 工艺进行制造,需要非常先进的工艺技术(例如先进的 3D 堆叠或专门的混合工艺),并且成本会非常高。
内存控制器的需求: 即使我们将所有区域都转化为存储单元,仍然需要内存控制器来管理这些存储单元的读写操作。所以严格来说,“全部用来做内存”也需要包含基本的控制逻辑,这部分逻辑又会占用一部分面积,并以逻辑晶体管的形式存在。
数据传输速度: 即使有了巨大的容量,数据的访问速度(延迟和带宽)也至关重要。纯粹的存储单元堆叠可能在速度上无法与集成度更高的 SoC 中包含的缓存和内存控制器协同工作相比。
良率: 如此高密度的存储单元阵列,其良率控制是巨大的挑战。

角度二:基于麒麟990 的等效存储容量(更实际的类比)

麒麟990 本身已经集成了 L3 缓存,其容量通常是几十兆字节 (MB)。此外,手机芯片还会搭配外部的 LPDDR4X 或 LPDDR5 内存,单颗容量可以达到 4GB、8GB、12GB 甚至 16GB。

这个问题更像是问:“如果麒麟990 的制造资源(硅片面积、7nm 工艺)全部用来生产某个特定类型的内存芯片,能生产出多少容量的内存?”

这种情况下,我们还是需要参考前面角度一的计算。麒麟990 的 72 mm² 面积,如果专门用于制造 7nm 工艺的 DRAM 芯片,那么它能制造出多大的 DRAM 芯片?

我们知道,当下的 7nm 或更先进工艺的手机 DRAM 芯片(如 LPDDR5),单颗芯片容量可以做到 8Gb 或 16Gb。
如果一块 72 mm² 的裸片能够制造出一颗容量为 16Gb (2GB) 的 LPDDR5 芯片(考虑到其他辅助电路和接口的占用),那么这块麒麟990 的面积理论上可以制造出 1 颗 16Gb (2GB) 的 DRAM 芯片。
如果这块 72 mm² 的面积可以高效地用来制造 NAND Flash,那么如前所述,可能可以制造出大约 4.5 GB 的 NAND Flash 颗粒。

更进一步的推论:

如果我们将麒麟990 的整个“制造预算”(无论是面积、成本还是工艺能力)都投入到生产纯粹的内存芯片,会是什么情况?

1. 纯粹的 DRAM 芯片制造: 现在的旗舰手机 SoC 面积大约是 7075 mm²,而单颗高容量的手机 DRAM 芯片(如 16Gb LPDDR5)的面积也大致在这个范围内。这意味着,一个麒麟990 的芯片面积,理论上可以制造出大约 1 颗到 2 颗 16Gb (2GB) 的 LPDDR5 内存芯片。
总容量 = 1.5 颗 × 16 Gb/颗 = 24 Gb
总容量 (GB) = 24 Gb / 8 = 3 GB (取 1.5 颗作为中间值)

2. 纯粹的 NAND Flash 芯片制造: 3D NAND Flash 的工艺更侧重于堆叠。如果将 7nm 的制程能力用于平面的 NAND Flash 单元制造,其面积利用率可能会更高。一颗高密度的 512Gb NAND Flash 颗粒,其面积可能也就在 100150 mm² 左右(具体取决于堆叠和层数)。
我们之前估算 72 mm² 约等于 4.5 GB 的 NAND Flash。
如果换算成更常见的高密度颗粒,例如 512Gb (64GB):
单颗 64GB NAND Flash 颗粒的面积大概是 100150 mm²,那么 72 mm² 的面积可以制造出 0.5 颗到 0.7 颗 64GB 的 NAND Flash 颗粒。
总容量 = 0.6 颗 × 64 GB/颗 ≈ 38.4 GB

综合以上分析,给出一个更合理的回答:

将麒麟990(一个 7nm 工艺的 SoC,面积约 72 mm²)的制造资源全部用来生产纯粹的内存芯片,其容量可以达到:

如果是 DRAM (如 LPDDR5): 大约 2 GB 到 3 GB。这是因为 DRAM 芯片虽然面积利用率很高,但仍需要一定的辅助电路,且先进工艺的 DRAM 芯片在面积和容量上与 SoC 的面积相当。
如果是 NAND Flash: 大约 4 GB 到 40 GB。这是一个更大的区间,因为 NAND Flash 的密度变化很大,并且其制造工艺与 SoC 的逻辑电路有很大不同。如果仅仅是等效平面密度,可能在几个 GB 的量级;如果考虑更先进的 NAND 制造能力(即使是 7nm 级),并且能高效利用面积,可以达到更高的容量(例如通过类比已有的高密度 NAND 颗粒面积)。

最终结论的侧重点:

“如果现在7nm的芯片(比如麒麟990)全部用来做内存”这个问题的核心在于 “硅片面积”和“7nm制程的晶体管/存储单元密度”。

理论密度推算(最直接的答案): 7nm 工艺下,72 mm² 的硅片面积,理论上转化为 DRAM 存储单元可以达到约 1.9 GB 的容量。
实际制造类比(更接近产业现实): 如果将这块 72 mm² 的面积用来制造一个独立的 DRAM 芯片,则可能制造出 1 颗 16Gb (2GB) 的 LPDDR5 芯片。如果用来制造 NAND Flash,则可能制造出 几十 GB 的容量。

由于内存的种类(DRAM vs NAND Flash)和具体的设计会影响密度,因此最终的容量会有较大的差异。但基于麒麟990 的尺寸和 7nm 工艺的密度,我们得出的结论是在 几个 GB 到几十 GB 的范围内。

网友意见

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参考一下ASML提供的Logic和DRAM roadmap的比较,Logic (麒麟990)7nm的工艺对应的DRAM是在1Y技术节点(例如三星的DDR4 17 nm 1Y),其实这个两个技术节点是采用完全不同的光刻策略,一个是EUV而另一个则还是immersion. 总体来说没有可比性。逻辑芯片不是以晶体管的数目为关键指标的如果要对标DRAM使用EUV的节点那就要到1Z去了。所以说,logic芯片生产一直是光刻技术的领头羊。



麒麟990的芯片layout

Samsung DDR4 17 nm 1Y

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