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智能手机的“芯”变化 从工艺看2016年的处理器

  智能手机新品如何才能博得眼球?没错,就是武装最新款处理器,从而获得更强或更省电的特性。在2016年中,无数新品其实都是围绕着有数的几款移动处理器展开的布局。

  追求纤薄设计的手机,注定无法承受发热量太高,或是功耗太大的处理器。然而,用户对性能的无止境需求,又迫使芯片厂商不断提升处理器性能。那么,如何才能让新款处理器在提升性能的同时保持较低的功耗和发热呢?制程工艺(图1),就是最为核心的要素。

  2015年,高通的年度旗舰骁龙810成为了很多手机厂商和用户心中的噩梦(图2),因为它“太热情”了,因过热而引发的频繁降频,已经严重影响到了用户的使用体验。也就是从这颗处理器开始,才让所有人开始认识到工艺的重要性。

  2015年,手机处理器刚好处于全面过渡到64位Cortex-A5x架构Big.LITTLE(大小核)组合的节点。高通在这一年“偷了个懒”,让骁龙810采用了公版四核Cortex-A57+四核Cortex-A53(图3),并采用台积电的20nm HPM工艺进行生产。问题来了,这个档次的工艺还不足以缓解高主频四核Cortex-A57的热情,于是就造成了骁龙810“因热生戾”的悲剧。

  需要注意的是,作为高通同一时期的“次旗舰”,骁龙808虽然也采用了20nm HPM工艺,但由于它采用的是双核Cortex-A57+四核Cortex-A53。作为大核的Cortex-A57核心数量减半,而且主频也有所降低,所以它的温控表现就要好很多。在运行大型3D游戏时,由于骁龙808不容易因过热而触发降频,在游戏的整体流畅性方面反而会优于骁龙810。

  随着晶体管尺寸的不断缩小,HKMG(high-k绝缘层+金属栅极)技术成为了45nm以下级别制程的必备技术。以台积电为例,针对不同市场定位会在同一时期的制程工艺(如28nm)中衍生出HP(高性能)、HPL(高性能低功耗)、HPM(高性能移动运算)、HPC(高性能精简型)等子分类,它们都采用了HKMG栅极和后栅极工艺。此外,台积电旗下工艺还有LP(低功耗)这个分类,改用了poly/SiON栅极和前栅极工艺。性能方面HPM>HP>HPL>LP,漏电方面HPL<HPM<LP<HP。而到了16nm/14nm/10nm时代,HKMG已经无法满足设计需求,而FinFET(即3D晶体管,又称三栅极晶体管)技术将一统江湖(图4)。

  20nm工艺真的无法满足高性能处理器的设计需求吗?答案是否定的,联发科在2016年推出的全球首款十核处理器Helio X20/X25(图5),同样是基于台积电20nm HKMG工艺生产的,而Helio X20/X25的散热表现虽然谈不上优秀,但至少没有前辈骁龙810那么糟糕。

  此外,Helio X20/X25采用了少见的“三丛集”架构,即双核Cortex-A72(大核)+四核高主频Cortex-A53(中核)+四核低主频Cortex-A53(小核)(图6)。再加上联发科为其准备了全新的CorePilot 3.0调度技术,可根据当前系统的负载情况而选择不同核芯搭配,让Helio X20/X25可以更精准控制Cortex-A72核心的开/关与运行时长,将温度限制到了一个可控的状态。

  全新的Cortex-A72架构(图7),以及Cortex-A72核心数量偏少(2个),最终让Helio X20/X25没有重蹈骁龙810的覆辙,在2016年度帮助联发科提升了不少中端市场的份额。

  虽然早在2015年底,三星的14nm FinFE和台积电的16nm FinFET Plus工艺就已量产,但这并没能阻止旧工艺在2016年的逆袭。

  比如,除了年度旗舰骁龙820以外,高通在2016年还发布了两款性能级处理器:骁龙652(四核Cortex-A72+四核Cortex-A53)和骁龙650(双核Cortex-A72+双核Cortex-A53),而它们的生产工艺却还停留在台积电的28nm HPM档次上(图8)。

  还好,正如前文所述,Cortex-A72的功耗低于Cortex-A53,再加上这两颗处理器的最高主频只有1.8GHz,所以28nm HPM还是可以“勉强”驾驭它们的热情。但是请注意,笔者用的是勉强二字,因为市面上很多搭载骁龙652的手机都存在发热较高而长时间游戏时降频的现象,只是没有当年骁龙810那么严重而已。

  除了高通,联发科在2016年也推出了一款28nm HPC+处理器:Helio P10。需要说明的是,28nm HPC+是台积电在2016年才量产的“新工艺”,它在省电的同时性能也已经无限接近HPM,最终让Helio P10在性能和省电之间取得了较好的平衡,最近一年来包括OPPO R9等很多“爆款”(图9),就都是Helio P10的“客户”。

  好消息是,28nm HPC+应该算是台积电乃至所有芯片厂在>20nm工艺时代的绝唱。到了2017年,无论是定位性能的旗舰级处理器,还是面向主流和节能领域的处理器,都将用上16nm或14nm乃至10nm工艺,让强者更强,弱者增强的同时更加省电。

  2015年底,华为发布了麒麟950(Mate 8首发),并成为了继苹果A9之后,第二批用上台积电最新16nm FinFET Plus(16nm FF+)工艺的移动处理器。看到这里,可能有同学会产生一个疑问:联发科Helio X20的上市时间晚于麒麟950数月,为什么它却没能用上16nm FF+工艺呢?按理说应该是发布越晚越有机会用上新技术才对。

  答案很简单,一方面是联发科Helio X20立项时间较早,没来得及用上最新工艺;另一方面,则是华为很早就和台积电就工艺问题进行了合作,所以才能优先得到台积电16nm FF+的产能。

  得益于16nm FF+这一工艺,让麒麟950在骁龙820上市之前过了一把“谁与争锋”的瘾,随后而来的麒麟955(华为P9首发)在提升主频后也获得了更多的竞争力。2016年4月底,定位主流市场的麒麟650(荣耀畅玩5C首发)亮相(图10),其综合性能优于同期的骁龙617和Helio P10,也算是中端领域的一颗新星。

  2016年11月,海思再次祭出了麒麟960(Mate 9首发)(图11),采用了ARM最新的Cortex-A73架构和Mali-G71MP8 GPU,再一次让麒麟家族体验了一把位列的体验。可惜,由于Mali-G71MP8的发热量和功耗较高,已经接近了16nm FF+工艺所能承载的极限,所以麒麟960存在满载时降频,GPU无法满血运行的尴尬。最终,让麒麟960获得了在CPU运算性能上傲视群雄,但GPU性能却略逊一筹(将对于骁龙820)的线)。

  台积电的16nm工艺并非只有FF+,随后还将推出名为16nm FinFET Plus Compact(FFC)的全新工艺。简单来说,FFC可以和FF+共用一条生产线,它更适合主流及低功耗芯片,比如IoT物联网平台,而联发科Helio P20(魅蓝X首发)则是台积电16nm FFC工艺的首批代表(图12)。

  Helio P20是P10的升级版,同样主打优秀的能耗比。得益于16nm FFC工艺,Helio P20虽然延续了八核Cortex-A53架构,但却将主频一下子提升到了2.3GHz,同时还将GPU升级到了Mali-T880MP2,足以终结现有Helio P10被麒麟650和骁龙625“欺负”的局面。据悉,海思即将推出的麒麟660也将采用台积电16nm FFC工艺,有望采用双核Cortex-A73+四核Cortex-A53的组合。

  经历骁龙810的失败之后,为了挽回面子,高通决定从2个角度对骁龙820进行优化:第一是不再套用ARM的公版设计,而是基于ARM指令集进行自主架构的研发,最终推出了现有的Kryo架构;第二是和三星合作,用最新的14nm FinFET(LPP)工艺对骁龙820进行生产。

  功夫不负苦心人,新工艺+自主架构的组合,让骁龙820以区区四核之身就足以位居处理器行列(图13),特别是GPU性能更是Android手机处理器领域的最强音。

  为了增强在主流市场的竞争力,高通还在2016年推出了全新的骁龙625处理器(图14)。同样基于三星14nm FinFET工艺设计的骁龙625有着极为出色的能耗比,通过实测骁龙625在很多游戏的运行过程中比定位更高的骁龙652还要流畅。原因很简单,长时间游戏骁龙652可能因过热降频,而骁龙625则可始终保持满血运行。

  高通在2016年底推出了骁龙626、骁龙653和骁龙427等处理器新品,它们的工艺和主要规格与骁龙625/652/425相同,只是加入了对QC3.0快充的支持,并配备了更先进的基带芯片。总体来说,这些仅仅是尾数变化的处理器,性能基本不变,只是功能层面有所升级。

  随着Cortex-A73架构和新一代GPU的出现,哪怕是16nm/14nm工艺都禁不起它们的“折腾”了。因此,2017年的旗舰级处理器都将引入更新的10nm工艺,从而解决性能与发热和功耗之间的矛盾。

  比如,骁龙835就与三星10nm FinFET工艺搭配,采用高通自主架构Kyro 200,并改用四大四小的八核设计,同时将GPU升级到了Adreno 540(图15)。

  此外,有消息称联发科P35也会采用台积电10 nm FinFET Plus工艺,而且同样是十核处理器(双核A73+四核高频A53+四核低频A53),和X30的差别是P35的GPU换成了Mali-G71 MP3。

  为了让大家更直观了解2016年亮相或即将亮相处理器与工艺制程之间的关系,我们特意制作了一个表格(见表),大家可以加以参考。

  看到这里,可能又有同学会问了:台积电的16nm和三星14nm之间谁更出色?不是说英特尔一直领跑半导体工艺吗,为何这次却被三星和台积电超越了?

  先来看看第一个问题。14nm和16nm属于同代工艺,所以理论上它们具备相同的性能,纠结它们之间的强弱关系没有太多意义。毕竟在工艺相近时,处理器的性能还是取决于芯片采用的具体Cortex架构、主频、GPU和软硬件优化。

  再来看看第二个问题。包括台积电、三星与格罗方德等晶圆厂对自身工艺数字都经过了不同程度的“美化”。曾有业内人士透露,台积电的16nm等于英特尔的20nm、10nm等于英特尔的12nm、尚未量产的7nm与英特尔的10nm工艺属于同一个技术世代。

  没错,英特尔的制程工艺是不含任何“水分”的,考虑到英特尔10nm工艺将于2017年量产,他在制程领域的优势仍将继续(图17)。

  2016年智能手机的发展史,其实就是围绕着工艺革新和处理器升级的迭代史。这一年里表现最好的手机,一定是搭载了与工艺最为匹配的处理器。总之,希望经过本文的梳理,能让大家更好掌握手机处理器的发展方向,毕竟手机的跑分高低、所支持的功能多少,都是建立在处理器的基础之上。地基不牢何谈后续?

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