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 10nm快登場 還沒弄懂手機處理器工藝嗎
mao_mao
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發(fā)表于 2016-03-09 08:38:16  只看樓主 
　　最近看科技新聞，經(jīng)�？吹�10nm、7nm處理器工藝最新報道，14/16nm才經(jīng)歷了兩代產(chǎn)品的更替，不禁概嘆芯片制程的發(fā)展日新月異。一直以來的半導體行業(yè)，尤其是處理器的工藝制程和架構都是技術宅所關心的內(nèi)容。其中，在工藝改進 驍龍820比驍龍810提升了啥也有系統(tǒng)性地介紹過很多和芯片工藝制程相關的知識，但是當時只是提到28nm、20nm這些概括性的時間節(jié)點，其實同為28nm制程，不同芯片廠商之間會有不同的工藝分類，即使是同一家廠商，也會細分為高性能和低能耗的制造工藝，今天我們就來聊聊那些FinFET、3D FinFET、HPM等不明覺厲的行業(yè)術語。之前在Plus/Note/Pro 智能機這些后綴都啥意思介紹過Plus、Pro、Prime、Pure這些那么相似的后綴具體是什么意思，今天我們也來看看HPM、HP、HPC+、 HPC、HPL這些形似神不似的專業(yè)術語究竟有什么區(qū)別？

10nm快登場 還沒弄懂手機處理器工藝嗎


　　下文內(nèi)容和芯片制造業(yè)相關，所以先和各位讀者回顧一下三種不同的芯片廠商：IDM、Fabless、Foundry。IDM就是指Intel和三星這種擁有自己的晶圓廠，能夠一手包辦IC設計、芯片制造、芯片封裝、測試、投向消費者市場五個環(huán)節(jié)的廠商。Fabless則是指有能力設計芯片架構，但是卻沒有晶圓廠生產(chǎn)芯片，需要找代工廠代為生產(chǎn)的廠商，知名的有Qualcomm、蘋果和華為。代工廠（Foundry）則是大名鼎鼎的臺積電和 GlobalFoundries。
　　預備知識聊完了，接著我們看看從55nm開始一直回顧到如今的14/16nm節(jié)點，看看都有哪些經(jīng)典的處理器工藝分類出現(xiàn)過。PS：由于每個節(jié)點的工藝分類都比較多，所以下文以智能手機處理器為主。
　　不同工藝節(jié)點的工藝分類詳解
　　55nm
　　在55nm節(jié)點，對智能手機而言，臺積電ULP（Ultra low power）工藝分類值得一說，在40/45nm和28nm，臺積電都有保留這種工藝分類。
　　采用55nm的ULP工藝，代表作有Nvidia顯卡中GPU核心：G200b和G92b
　　40/45nm
　　在40/45nm節(jié)點，臺積電三種比較常見工藝分類，分別為LP（低耗電）、G（通用）和ULP（Ultra low power）。LP工藝我們放在下面28/32nm中一起講，因為該工藝節(jié)點的處理器會多一點。
　　在工藝改進 驍龍820比驍龍810提升了啥一文中我們已經(jīng)說過，臺積電在40/45nm工藝節(jié)點能夠同時生產(chǎn)出同一代兩種制程的芯片，這是比較特別的。
　　45nm代表處理器：驍龍S2和驍龍S3
　　40nm代表處理器：MT657x和Tegra2（全球首顆雙核手機處理器）、Tegra3（全球首顆四核手機處理器）

當年發(fā)熱厲害的HTC One X被Tegra 3坑了


　　在45nm節(jié)點，還有Intel和三星處理器也是值得一提的，這兩家IDM巨頭廠商很少向外界公布每一代節(jié)點工藝分類，只是簡單地統(tǒng)稱為HKMG，當然HKMG也是一個可以展開來說的關鍵術語，下文會介紹。
　　Intel在45nm的代表有兩代不同架構的PC處理器：Penryn和Nehalem，Penryn是Core架構的工藝改進版，Nehalem則是 全新的架構，這也是符合Tick-Tock定律的演進。Nehalem架構進一步對Core Microarchitecture進行了擴展，這一代架構歷史低位相比Core架構同樣重要，引入第三級緩存（L3 Cache）和QPI總線提高CPU整體工作效率，同時將內(nèi)存控制器（IMC）整合到CPU，提高CPU集成度，當然還有重新回歸的超線程（多線程）技 術，配合Intel歷史上首次出現(xiàn)四核心處理器，定位最高的i7處理器能夠實現(xiàn)四核心八線程的運算能力。
　　三星在45nm的代表作則有Exynos 3110、Exynos 4210、蘋果A4和蘋果A5/A5X。

一代經(jīng)典iPhone 4（蘋果A4處理器）


　　28/32nm
　　時間來到了移動處理器（特指手機處理器）最為經(jīng)典的一代制程節(jié)點——28/32nm。主要是整個行業(yè)負責生產(chǎn)手機處理器的廠商停留在28nm節(jié)點的時間 過長，除了Intel在PC處理器上率先越過28/32nm節(jié)點，GlobalFoundries、三星、臺積電等廠商基本上都受制于技術瓶頸，將28 /32nm工藝制程連用了幾代處理器。
　　GlobalFoundries由于縮寫為“GF”，所以被業(yè)界戲稱“女朋友”，“女朋友”和 AMD一直走得比較近，加上和AMD曾經(jīng)有著血緣關系，導致如今主要客戶基本上都是AMD，在28/32nm節(jié)點上，“女朋友”一共出現(xiàn)了HPP、HP、 SLP（都是28nm）和SHP（32nm）四種主要工藝分類。由于和手機處理器關系不大，這里不展開介紹了。
　　臺積電方面，在這一代制程節(jié)點，出現(xiàn)了HP和LP兩大類的工藝分類。
　　HP（High Performance）：主打高性能應用范疇。
　　LP（Low Power）：主打低功耗應用范疇。
　　為了滿足不同客戶需求，HP內(nèi)部再細分HPL、HPC、HPC+、HP和HPM五種分類，下面小編將它們的縮寫還原成全稱，看到全稱之后，讀者應該不難理解它們的含義。
　　先來插入一條備注，在工藝制程領域，我們常常討論“漏電”一詞，簡單來說，就是指伴隨著工藝制程提高，CPU集成更多的晶體管，二氧化硅絕緣層變得更薄，從而導致電流泄漏。
　　電流泄漏最大問題就是增加了芯片的功耗，為晶體管本身帶來額外的發(fā)熱量，還會導致電路錯誤，CPU為了解決信號模糊問題，又不得不提高核心電壓，綜上所述，漏電率越低，對CPU整體性能表現(xiàn)和功耗控制更加有利。下面我們看看HP這五種工藝分類在性能和漏電上表現(xiàn)如何？
　　HPL（High-Perf Low-Leakage）：漏電率雖然低，但是性能上表現(xiàn)卻不高。當年Nvidia的Tegra 4處理器，為了控制驚人的功耗和發(fā)熱，不得不使用HPL這種工藝分類，無奈最終還是壓制不住自身的發(fā)熱，被迫將主頻限制在比較低的運行狀態(tài)，搭載了高頻版 Tegra 4的Nvidia Shield掌機只能夠通過主動散熱（內(nèi)部安裝風扇）解決問題。

小米手機3率先開售的移動版（采用Tegra 4處理器）


　　HP（High Performance）：雖然性能比較強，但是漏電率不低，僅限生產(chǎn)PC上處理器和顯卡中CPU/GPU等高性能部件，對于手機處理器并不適合。
　　HPM（High-Perf Mobile）：為了更好地優(yōu)化HP這種工藝，將其移植到手機處理器上，臺積電推出了HP工藝升級版——HPM，漏電率稍微比HPL高一點，但是性能上卻 超越了HP，成為目前臺積電在28nm制程節(jié)點上最受歡迎的工藝分類。代表作有：驍龍800系列，主要是驍龍800、驍龍801和驍龍805，還有最新的 驍龍600系列兩款新品——驍龍652和驍龍650。聯(lián)發(fā)科方面則有Helio X10、MT6752、MT6732、MT6592、MT6588經(jīng)典產(chǎn)品。華為P8上面的麒麟930和Nvidia的Tegra K1也是采用了HPM工藝分類。

華為P8（麒麟930）


　　上文提到的LP工藝分類，雖然在漏電率和性能上都不占優(yōu)勢，但是卻因為成本低，而且出現(xiàn)時間比較早，技術比較成熟，所以驍龍400和驍龍600系列的中 低端處理器都十分喜歡使用這種工藝分類，包括昔日的驍龍615、驍龍410，現(xiàn)在唱主角的驍龍616和驍龍617以及即將到來的驍龍425、驍龍430和 驍龍435。聯(lián)發(fā)科方面也是，MT6753和MT6735這兩顆全網(wǎng)通的芯片采用了LP這種工藝打造。特別說明的是，它們倆的上一代產(chǎn)品MT6752和 MT6732則是采用了HPM這種更高等級的工藝分類，不過不支持全網(wǎng)通。相比之下，上述提到的驍龍400和驍龍600系列處理器基本上已經(jīng)全面普及三網(wǎng) 通吃。
　　HPC（High Performance Compact）和HPC+（High Performance Compact Plus）則是臺積電最近兩三年才興起的兩種新工藝，后者代表作為聯(lián)發(fā)科最新中端級別處理器Helio P10。 HPC+相比HPC在同等漏電率下性能提升15%，換句話說，在同等性能下功耗降低30-50%。

金立S8（Helio P10）


　　20/22nm
　　無論是PC還是手機處理器，這個工藝節(jié)點的芯片很快就退出了歷史舞臺，被14/16nm處理器搶占市場。PC領域的Intel雖然很早就量產(chǎn)了這個節(jié)點 的處理器，但是因為Tick-Tock定律的驅使，使用了兩代處理器（IvyBridge和Haswell）就開始進入14/16nm時代。由于對手 AMD的工藝制程（28/32nm）停滯不前，加上光刻技術并沒有取得重大突破，同時如今PC市場也并不需要換代換得那么頻繁，多方面因素作用下，最終讓 Intel的“Tick-Tock”定律在14/16nm這一代節(jié)點上慢下來，更加襯托出20/22nm這一代產(chǎn)品持續(xù)時間并不長。
　　手 機處理器方面也一樣，20/22nm制程節(jié)點上，臺積電用了足足幾年時間才克服漏電率和產(chǎn)能的問題，直到如今還依然不能夠全面供貨給Nvidia、 AMD、Qualcomm、聯(lián)發(fā)科這些昔日的合作伙伴，據(jù)外媒報道，臺積電對外宣傳指20nm的SoC并不適合用在PC領域的芯片上，所以顯卡領域才那么 久沒有更新20nm制程，停留在28nm那么多年。事實是否如此？誰知道呢？Qualcomm和聯(lián)發(fā)科能夠用上20nm的處理器也屈指可數(shù)，驍龍810、 驍龍808和命途多舛的Helio X20。外界也有聲音稱20nm的SoC漏電率一直很嚴重，導致Qualcomm和聯(lián)發(fā)科兩位客戶一直都不太滿意，但是蘋果A8和蘋果A8X很早就用上了 臺積電20nm SoC工藝，也沒見iPhone 6和iPhone 6 Plus上面出現(xiàn)什么致命的功耗發(fā)熱問題，別有內(nèi)情吧，呵呵！

全球首款搭載驍龍808智能機——LG G4


　　三星在20/22nm上兩款經(jīng)典處理器為Exynos 5430和Exynos 7（7410），也就是分別搭載在三星Galaxy Alpha和三星Note 4上面的兩顆處理器，三星也是從這個時候開始趕上臺積電和Intel，不久后和臺積電、Intel同時邁進14/16nm工藝制程節(jié)點。

三星Note 4（Exynos 7系處理器）


　　值得一提的是，在20/22nm工藝節(jié)點上，Intel引入了3D FinFET這種技術，三星和臺積電在14/16nm節(jié)點上也大范圍用上了類似的FinFET技術。下面我們統(tǒng)稱為FinFET。
　　FinFET（Fin Field-Effect Transistor）根據(jù)百度百科定義，稱為鰭式場效應晶體管，是一種新的互補式金氧半導體（CMOS）晶體管。以前也和各位讀者介紹過，其實就是把芯 片內(nèi)部平面的結構變成了3D，降低漏電率同時又能夠增加晶體管空間利用率，當然，實際情況比較復雜，這里不詳細展開了。
　　14/16nm
　　由于上文提到的歷史原因，20/22nm并沒有什么工藝分類，很快就被14/16nm取代了，臺積電采用了16nm，三星和Intel采用了14nm。
　　Intel的Broadwell、Skylake和Kaby Lake（將會延期上市）三代PC處理器架構都采用了14nm工藝。
　　三星已經(jīng)發(fā)展了兩代14nm工藝，第一代就是用在Exynos 7420和蘋果A9上面的FinFET LPE（Low Power Early），第二代則是用在Exynos 8890、驍龍820和發(fā)布不久的驍龍625上面的FinFET LPP（Low Power Plus）。

樂Max Pro（全球首款搭載驍龍820手機）


　　臺積電經(jīng)歷了20/22nm的挫折之后，在16nm節(jié)點雄起，不知不覺發(fā)布了三種工藝分類，最早出現(xiàn)在蘋果A9上面的是第一代FinFET，接著就是麒 麟950上面FF+（FinFET Plus）和近日發(fā)布的Helio P20上面搭載的FFC（FinFET Plus Compact）。

華為Mate 8（麒麟950）


　　至此，本文關于工藝分類的內(nèi)容已經(jīng)介紹完畢，接著解決一下上文的一些尾巴，簡單補充說明一些術語。
　　兩種柵極結構和兩種柵極工藝區(qū)別
　　HKMG和poly/SiON
　　HKMG全稱：金屬柵極+高介電常數(shù)絕緣層（High-k）柵結構
　　poly/SiON全稱：多晶硅柵+氮氧化碳絕緣層的柵極結構
　　我們可以簡單地理解為HKMG技術更加先進，而poly/SiON技術已經(jīng)出現(xiàn)了很久，技術上相對落后。臺積電在40nm節(jié)點的G（通用）工藝分類上就是采用了這種柵極結構。40nm和28nm節(jié)點下的LP工藝（主打低功耗）分類也是采用了這種柵極結構。
　　上文提及臺積電目前處于28nm那些（5種）HP工藝（主打高性能）分類基本上全面普及了更為先進的HKMG柵極結構。
　　前柵極工藝和后柵極工藝
　　前柵極工藝和后柵極工藝，其實是制造HKMG柵極結構的兩種分支工藝，前者由IBM做主導，三星和GlobalFoundries兩家廠商采用HKMG 柵極結構制造的芯片，一般都會選擇前柵極工藝。后者則由Intel主導，臺積電那些一大波的28nm工藝技術基本上都是這個分支。最簡單區(qū)分就是，臺積電 28nm節(jié)點的芯片分為HP和LP兩種不同的大類型，HP再細分其它小類型。HP（主打高性能）這個大類的芯片基本上都是采用后柵極工藝制造的HKMG柵 極結構，LP（主打低功耗）這個大類的芯片則是采用了前柵極工藝制造的HKMG柵極結構。

前柵極工藝和后柵極工藝對應工藝分類有哪些


　　那么兩種柵極工藝之間有什么區(qū)別呢？由于不是本文重點，為了節(jié)省篇幅，我們不去探究原理，只記住結論，擁有用后柵極工藝制造的HKMG柵極結構的芯片， 具有功耗更低和漏電更少的優(yōu)勢，從而讓高頻運行狀態(tài)更加穩(wěn)定，不會出現(xiàn)運行一段時間后降頻這種現(xiàn)象。相比前柵極工藝無疑更加先進，但是生產(chǎn)制造技術復雜、 良品率又低，技術誕生初期很難做到大規(guī)模量產(chǎn)，還需要客戶廠商（例如聯(lián)發(fā)科、Qualcomm、蘋果、華為等）根據(jù)需求配合修改電路設計，所以前柵極工藝 在早期更受IDM和Foundry歡迎，后來隨著Intel和臺積電工藝逐漸成熟，克服了后柵極工藝的種種問題之后，近幾年逐漸取代前柵極工藝成為 HKMG柵極結構的主要制造工藝。
　　總結：普通消費者對手機產(chǎn)品本身比較感興趣，關注系統(tǒng)運行速度，游戲卡不卡，程序兼容性，發(fā)熱和續(xù)航等淺層次用戶體驗。
　　對數(shù)碼產(chǎn)品比較感興趣的用戶則會進一步研究為什么系統(tǒng)運行速度會慢，為什么我需要經(jīng)常重啟手機，為什么不清理后臺系統(tǒng)就會卡，為什么iOS用起來就是比Android流暢？

iOS依然是公認的流暢性優(yōu)化得比較好的系統(tǒng)


　　而對科技的沉迷早已“病入膏肓”的技術宅來說，在得知處理器、RAM、ROM是影響系統(tǒng)運行速度的三項關鍵要素之后，我們就會進一步研究這三種硬件是如 何配合，并共同發(fā)揮作用的。在研究期間，技術宅就會發(fā)現(xiàn)PC領域和手機領域很多知識是共同的，從而方便我們用以往學到的知識解釋手機處理器上的原理。
　　舉個例子，普通消費者、數(shù)碼愛好者和技術宅一起來到售后服務中心，消費者和客服經(jīng)理投訴這臺手機非常不好用，吵得面紅耳赤之際，來來去去就是吐槽系統(tǒng)卡、游戲載入慢、重啟次數(shù)多、經(jīng)常清后臺這些表層現(xiàn)象。


　　數(shù)碼愛好者就會分析其實和處理器、RAM和ROM這些參數(shù)有關，不說還好，聽完數(shù)碼愛好者的分析，消費者吵得更厲害了，當初買這臺手機的時候，宣傳參數(shù)上那豪華的真8核處理器，3GB RAM，64GB ROM都是假的？旗艦級別的配置就是這種表現(xiàn)？
　　數(shù)碼愛好者進一步解釋真8核的定義，這種真8核和另外一款旗艦機的真8核是不同的，主要是架構和工藝制程、工藝分類不同。好吧，數(shù)碼愛好者本以為能夠平息這場紛爭，誰知道消費者還在糾結都是28nm，為什么HPM和LP工藝的處理器會有不同的表現(xiàn)？
　　技術宅是時候登場了，HPM和LP之間最重要區(qū)別就在性能和漏電率上，HPM在性能上更優(yōu)，漏電率也更低，LP則更適合中低端處理器使用，因為成本低。 接著還會通過硬件監(jiān)控的App進一步解釋類似問題，同樣是8核處理器，運行大型游戲的時候，有的處理器受制于架構、工藝制程、工藝分類落后，在玩得興高采 烈之際突然降頻、關閉部分核心，這個時候系統(tǒng)自然就開始卡了。監(jiān)控軟件還能夠實時監(jiān)控其溫度變化，進一步告知消費者為什么手機會自動重啟或者通過死機方式讓手機內(nèi)部溫度降下來。
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