解密數(shù)字游戲

鄭子瑜

誰在影響性能體驗

我們都知道，對手機SoC而言，決定其性能底蘊的就是CPU和GPU的架構(gòu)。

比如ARM Cortex A76/A75就注定比Cortex A73/A72強，而Cortex A55就肯定比Cortex A53棒（圖1）；GPU方面則是Mali-G72MP4（后綴的MP+“x”代表擁有多少個計算核心）優(yōu)于MaliG71MP4，而Adreno 630也肯定要比Adreno 540強。問題來了，當(dāng)手機處理器的CPU和GPU單元一定時，其能否發(fā)揮出80%、100%甚至120%的實力，就要看生產(chǎn)工藝是否匹配了（圖2）。

有關(guān)工藝和架構(gòu)之間“鬧矛盾”的最典型案例，就要數(shù)2015年高通驍龍810和三星Exynos 7420這兩款旗艦SoC之爭了。這兩顆SoC都基于當(dāng)年最先進的四核Cortex A57+四核Cortex A53架構(gòu)，只是高通采用臺積電最成熟的20nm HPM工藝來設(shè)計驍龍810，而三星則使用自家最新的14nm FinFET工藝來研發(fā)Exynos 7420。

最終結(jié)果就是驍龍810“翻車”，20nm HPM工藝根本鎮(zhèn)壓不了Cortex A57架構(gòu)的滿負載運行，過熱和降頻問題，嚴重影響了當(dāng)時搭載驍龍810旗艦手機的體驗，坑苦了一大批合作伙伴。可以說，一款SoC，它選用的工藝越先進，往往意味著可以適當(dāng)調(diào)高主頻、降低發(fā)熱量和功耗，從而不易降頻，運行更強更穩(wěn)定。

問題又來了，咱們怎么知道誰的工藝更強？

工藝決定戰(zhàn)斗力

在PC領(lǐng)域，處理器之所以可以長時間緊跟“摩爾定律”的節(jié)奏，就是源于制程工藝層面的迭代更新，在手機SoC領(lǐng)域同樣如此。以高通第一代10nm旗艦驍龍835為例，它在集成超過30億個晶體管的情況下，芯片封裝面積卻比驍龍820（14nm）小了35%，性能大漲27%，而功耗反而還降低了40%！

ARM每一次更新Cortex A系列架構(gòu)，往往也是伴隨著制程工藝的更新節(jié)點。比如Cortex A57/A72對應(yīng)16nm/14nm，Cortex A73/A75對應(yīng)10nm，Cortex A76則是專為7nm/8nm定制。換句話說，想100%發(fā)揮Cortex A架構(gòu)的性能，就必須搭配ARM推薦的制程工藝，否則就需要在主頻或GPU規(guī)格上加以縮水才能確保穩(wěn)定性和體驗。

手機SoC制程以“納米”（nm）為單位。從晶體管的結(jié)構(gòu)圖來看，電流從Source（源極）流入Drain（漏級），Gate（柵極）充當(dāng)閘門的角色（圖3）。其中，柵極的寬度決定了電流流經(jīng)時的耗損，柵極越寬，漏電率越高，意味著更高的發(fā)熱和功耗。而柵極的最小寬度（柵長），也就是我們說的“xx”nm工藝中的數(shù)值。

當(dāng)制程工藝接近20nm時，柵極對電流的控制能力會急劇下降，從而出現(xiàn)嚴重的漏電問題。因此，英特爾從22nm開始，臺積電和三星則分別從16nm和14nm開始，引入了FinFET技術(shù)（Fin FieldEffect Transistor，鰭式場效應(yīng)晶體管），它將芯片內(nèi)部從2D平面變成了3D（圖4），把柵極形狀改制從而增大接觸面積，減少柵極寬度的同時降低漏電率，而晶體管空間利用率大大增加。

因此，無論是16nm、14nm、12nm還是10nm，在工藝數(shù)字的背后都會緊跟著FinFET，如16nm FinFET或10nm FinFET。未來，當(dāng)制程工藝突破8nm大關(guān)時，F(xiàn)inFET技術(shù)也無法堵住漏電現(xiàn)象，此時就需要FD-SOI（全耗盡絕緣體硅）工藝、硅光子技術(shù)、3D堆疊技術(shù)等技術(shù)的幫忙了。

問題又來了，14nm就一定比16nm強嗎？相同的10nm工藝之間有沒有差異？

工藝數(shù)字不等同于性能

首先，工藝數(shù)字并不代表絕對的性能。2015年，iPhone 6s搭載的蘋果A9處理器存在使用臺積電16nm和三星14nm兩種工藝制造的版本。理論上來講，14nm比16nm領(lǐng)先2nm優(yōu)勢，所以應(yīng)該是三星14nm版本的A9處理器更好吧？

答案卻令人大跌眼鏡。通過無數(shù)用戶的反饋和測試，臺積電代工的A9比三星代工的A9更好，續(xù)航更久。

英特爾的現(xiàn)身說法，更是引出了制程工藝缺乏統(tǒng)一標準的現(xiàn)狀。英特爾每次都在遵循按前一代制程工藝縮小約0.7倍來對新制程節(jié)點命名，從90nm→65nm→45nm→32nm→22nm→14n m→10nm→7nm（圖5），每一代制程節(jié)點都能在單位面積上容納比前一代多一倍的晶體管。然而，競爭對手卻不遵守這個“游戲規(guī)則”，人家從45nm一下跳到了28nm，然后就是20nm，再后就是全面領(lǐng)先英特爾。

如今臺積電和三星早已普及10nm，今年年底就有望量產(chǎn)7nm，而英特爾量產(chǎn)7nm的時間節(jié)點則是2019年初。

但是，從英特爾的資料來看，哪怕是英特爾在2014年推出的第一代14nm工藝，都有著媲美競爭對手10nm的表現(xiàn)，伴隨H系列八代酷睿處理器而來的14nm++工藝表現(xiàn)更好。同樣的，英特爾第一代10nm工藝，也會具備媲美7nm工藝的表現(xiàn)（圖6）。

換句話說，當(dāng)工藝邁過某個門檻后，將其稱為xx工藝，完全取決于晶圓廠自己的標準。比如進入20nm時代后，新工藝是叫16nm、14nm還是12nm？都可以！

來自工藝后綴的秘密

目前手機SoC廠商主要以高通驍龍、三星獵戶座、海思麒麟和聯(lián)發(fā)科曦力為主，而它們選擇的代工廠不是臺積電就是三星。因此，想了解手機SoC工藝哪家強，只要了解這兩大代工廠的主流工藝即可。

細心的讀者不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)某款手機新SoC發(fā)布時，廠商總會格外突出其采用了第“X”代工藝（圖7），而工藝的后面也會加上一組后綴，比如14nm LPE、10nm LPP等。

對臺積電而言，目前最主流的工藝就是16nm，其至今已經(jīng)進化了三代，分別為第一代16nm FinFET（16nm FF）、第二代 16nm FinFET Plus（16nm FF+）以及第三代16nm FinFET Compact（16nm FFC）。我們熟悉的麒麟950、950和659，就都是臺積電第二代16nm FF+的客戶，而聯(lián)發(fā)科自2017年后推出的Helio P20/P30/P23，以及展訊SC9860則都升級到了臺積電第三代16nm FFC（圖8）。

實際上，臺積電已經(jīng)推出了第四代16nm工藝，只是它被改名為“12nm”，屬于現(xiàn)有16nm工藝的第四代縮微改良版本。臺積電改用全新名字的目的是反擊三星等對手的14nm工藝優(yōu)勢，牢牢控制10nm到28nm之間的代工市場。目前，臺積電的12nm已經(jīng)被聯(lián)發(fā)科Helio P60/P22以及高通驍龍439/429所獵裝。

如今臺積電最新的工藝為10nm FinFET，麒麟970和聯(lián)發(fā)科Helio X30就是基于它設(shè)計的。由于臺積電已經(jīng)將全部精力放在了下一代7nm工藝身上，所以未來是否還會推出第二代的10nm FinFET Plus還存在不確定性。

對三星而言，目前最主流的工藝就是14nm，至今已衍化出四代，分別是第一代14nm Low Power Early（14nm LPE）、第二代14nm Low Power Plus（14nm LPP）、第三代14nm Low Power Compac（14nm LPC）、第四代14nm LPU?？上В呐率亲钚律鲜械尿旪?36和驍龍632，它們采用的也是14nm LPP，至于第三代和第四代14nm工藝，現(xiàn)在也是只聞其聲未見其人。

三星目前最高端工藝為10nm，現(xiàn)已經(jīng)擁有第一代10nm LPE、第二代10nm LPP和第三代10nm LPU。同樣，無論是驍龍845、驍龍710還是麒麟710（暫不確定），它們用的還都是第二代10nm LPP，第三代10nm LPU也沒被具體的芯片獵裝。

不要小看相同工藝的優(yōu)化升級哦，以三星14nm工藝為例，其第二代14nm LPP較第一代14nm LPE能在性能上提升14%（圖9），功耗方面反而還能降低15%。因此，采用最新工藝設(shè)計的SoC，往往才能獲得更好看的跑分和續(xù)航數(shù)據(jù)。

最后，筆者匯總了時下高通、聯(lián)發(fā)科和海思麒麟主流SoC的工藝和CPU/GPU架構(gòu)表，僅供大家參考。