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    深圳市佳時通科技有限公司
    2021-01-18 10:19:06

    手機廠商:今年再不上5nm 出門都不好意思打招呼

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    在剛剛過去的2020年,5nm處理器只在蘋果iPhone12系列、華為Mate40以及年末發布的vivo X60、小米11(至截稿日處于預購狀態)等少數機型搭載。而2021年,5nm處理器將應用于更多5G機型。無論是新近推出第二款5nm處理器和首發機型Galaxy S21的三星,確認搭載高通驍龍888的IQOO7,還是支持高通驍龍888平臺的 OPPO、魅族、黑鯊等十幾家OEM廠商,皆對5nm工藝躍躍欲試。5G疊加5nm,為手機處理器帶來了哪些改變,各大芯片廠商如何在該領域展開角逐?在新技術與新制程的碰撞下,手機芯片設計又面臨哪些新的挑戰?

    入局玩家越來越多

    在CES2021上,三星發布了旗艦芯片Exynos 2100,這也是繼麒麟9000、蘋果A14、三星Exynos 1080和高通驍龍888之后的第5款5nm 5G處理器。

    一般來說,手機芯片可以劃分為AP(應用處理器)和BP(基帶芯片)。對于新一代旗艦芯片,各大芯片廠商既強調5nm帶給AP的性能提升,也看重其為5G開發的BP能力。

    提升制程很燒錢,因此制程的提升必須帶來芯片性能的提升,才算“貴得其所”。直觀地從晶體管數量來看,麒麟9000的晶體管數量達到了153億,比起采用臺積電7nm加強版工藝制程的麒麟990(5G版),足足多出50億。而蘋果A14則內置了118億個晶體管,晶體管數量相較7nm芯片增加了近40%。在性能數據方面,5nm工藝帶來的提升也很明顯。相較上一代旗艦芯片,驍龍888的CPU整體性能提升25%,GPU的圖形渲染速度較前代平臺提升了35%。Exynos2100處理器性能較上一代單核提升了19%,多核提升了33%,圖形性能相較于前代提升了40%。

    由于手機處理的數據量呈指數級上升,且數據類型更加多元,AI已成為高端手機處理器的必備技能,AP也從“CPU+GPU”走向了“CPU+GPU+NPU/AI引擎”這一方向。在AI算力支援上,蘋果NPU(神經網絡處理器)的內核翻倍,算力達到了11.8TOPS。驍龍888和Exynos2100的算力均提升至26 TOPS。麒麟9000搭載的新一代NPU,采用雙大核+微核NPU架構,性能相對麒麟990(5G)提升了100%。

    對5G能力的強調,也是5nm處理器的一大特性。多模多頻段的連接能力是各家廠商最強調的配置,支持5G且向下兼容4G LTE(長期演進),支持SA(獨立組網)/NSA(非獨立組網)雙組網,兼容FDD(頻分雙工)/TDD(時分雙工),并具備載波聚合、DSS、雙SIM甚至多SIM卡功能,已成各產品的標配。在5G提升用戶室外體驗的同時,各家廠商的產品還普遍支持Wifi6功能,并保障用戶的室內連接,塑造了5G時代的移動新體驗。

    同樣值得注意的是,紫光展銳和聯發科先后推出了6nm制程的5G SoC(系統級芯片),與5nm制程的芯片產品僅有“一線之隔”。聯發科在1月20日發布了6nm制程的全新5G處理器天璣1200。據相關報道,聯發科代號為“天璣2000”的5nm芯片已經滿足OPPO、vivo、榮耀等客戶的開案需求,預計于2022年第一季度正式推出。在2022年,市場有望看到更多的5nm處理器設計玩家。

    如何構建差異化競爭

    芯片設計屬于創新密集型、技術密集型的輕資產行業,因此5nm 5G芯片的競爭,可謂是全球頂尖廠商的巔峰之戰。

    TrendForce集邦咨詢分析師姚嘉洋向《中國電子報》表示,5G手機處理器可以細分成幾個要素,分別為CPU、GPU、DSP(數字信號處理)/NPU/APU(加速處理器)、5G Modem(調制解調器)、ISP(圖像信號處理)與先進制程的搭配。

    以CPU為例,Cortex-X1、A78CPU的搭載,已經出現在高通、三星的產品里,以此來提升處理器整體的運算能效。

    以5G Modem為例,就能看到毫米波與sub-6GHz(頻段)支援上的差異。制程方面,雖然都采用5nm制程,但畢竟臺積電與三星在良率、性能與功耗等基本要素上還是略有差別,這也導致了5G手機處理器之間的差異。

    從CPU的研發模式中可以看出各個廠商的研發重點。雖然幾家芯片廠商都采用了Arm架構研發CPU,但蘋果為了更好地整合軟硬件能力,A系列處理器多基于Arm的指令集進行自研,單核性能較為突出。驍龍888則基于Cortex內核進行了二次開發,打造了Kryo 680架構,以提升產品的整體性能和穩定性。其他廠商大多使用公版Arm核心。

    除了單核結構,各家的多核架構也有所不同,華為、三星、高通在性能提升上的跨度更大。

    三星代工的驍龍888和Exynos2100,都采用了“Cortex-X1超大核+3個A78大核+4個A55小核”組成的3叢集8核心架構。但即使是采用了相同的結構,三星在性能提升方面做得更為激進,將超大核的主頻做到了2.9GHz,略高于驍龍888的2.84GHz。

    麒麟9000采用“A77大核心+三個A77中核心+四個A55小核心”組成的3叢8核心架構,將A77主頻做到了3.13GHz,是目前頻率最高的手機處理器之一。

    而蘋果更注重性能與能效的平衡,采用了2個性能核心、4個能效核心的6核心架構。

    根據蘋果公布的A13和A14分別相對A12的提升數據可知,比起A13,A14的CPU性能提升幅度為16.7%,GPU性能提升8.3%,提升幅度并不是太大。但在能效方面,尤其是低功耗模式下的性能表現,蘋果仍具優勢。前魅族科技高管李楠稱,蘋果低功耗模式能最大化5nm的制程優勢。

    GPU的情況亦是如此。蘋果、高通都采用了自研GPU,華為、三星則采用了Mali G78,華為堆了24核,三星堆了14核。

    從外媒去年12月發布的GFXBench圖形基準測試來看,搭載蘋果A14的iPhone12系列圖像處理的跑分在業界處于領先地位,高通參考測試機和Mate40緊隨其后,在視覺處理能力方面皆有提升。

    5G方面,華為、高通、三星都推出并在SoC上集成了自研的基帶芯片。

    從大的頻段范圍來看,華為的巴龍5000,高通的X60與外掛在蘋果A14的X55,以及三星的Exynos 5123都具備同時支持Sub-6Hz和毫米波的能力。

    巴龍5000在Sub-6Hz的表現較為突出,通過支持5GSA雙載波聚合,Sub-6G下行理論峰值速率達4.6Gbps,上行理論峰值速率達2.5Gbps,且支持11個5G TDD、FDD頻段。

    驍龍888集成的X60基帶能夠提供7.5Gbps的毫米波下行峰值速率,居于行業領先地位,而外掛驍龍X55基帶的蘋果A14也享此待遇,且蘋果iPhone支持的5G主要頻段高達20個,Exynos5123的毫米波下行峰值也達到了7.35Gbps。

    研發門檻越來越高

    來到5nm的檔口,能制造芯片的代工廠商只剩兩家,能設計高端制程芯片的廠商更是寥寥無幾。對于旗艦智能手機處理器這種既要第一時間用上先進制程工藝,還要具備5G和AI能力的芯片品類,設計門檻之高顯而易見。

    一方面,5G基帶設計難度大,要與網絡側和終端側保持良好互通,實現通信技術標準,在實驗室和外場測試得到驗證,還要向下兼容3G、4G;另一方面,先進制程讓芯片能夠集成更多元器件和相應功能,提升了芯片的集成度和復雜性,因此處理器設計的難度水漲船高,研發、設計工具升級、晶圓購買等各項的支出也直線上升。

    “隨著制程的提升,手機處理器投入的研發金額愈來愈大。巨額的研發資金需要大量產品來支撐,以分攤研發經費。而制程越小,代表晶體管密度越高,這加大了設計的難度。EDA工具的升級需要投入更多的研發經費,而晶圓代工廠方面所需要的研發經費與晶圓片的購買價格也會有所提升?!?/p>

    對于芯片設計巨頭來說,每一次制程的提升,都會帶來新的挑戰。

    “制程越小,設計越難。因為后端的制程工藝升級了,前端的設計方法、設計工具都需要升級,模塊庫、后端庫都不充實。到了設計階段,不僅是設計一個主處理器,還需要AD(模擬-數字信號轉換)/DA(數字-模擬信號轉換)等周圍IP的支持。設計出來之后,還有驗證階段。設計的芯片能否有效地控制功耗,能否正常運行,能否流片成功,這些都需要很長時間去驗證。這個周期是漫長而復雜的。頂級的芯片設計廠商有技術、財力去搶先走這個流程,因此更容易搶得市場先機?!辟惖项檰柛呒壏治鰩熇钛硐颉吨袊娮訄蟆繁硎?。

    研發門檻極高,且每隔一年或兩年就要再啃一遍硬骨頭,對于小米、OPPO等有心自研處理器的手機大廠來說,是一個不小的挑戰。但手機大廠的應對策略也較為多元。小米通過“投資+自研”構建了半導體生態;OPPO通過成立芯片研發中心和半導體設計子公司以及自研并收購相關專利等方式,持續提升研發實力,目前已經具備了協處理器的設計能力。vivo則與三星合作研發處理器,Exynos1080、Exynos 980都是雙方的合作成果。vivo方面表示,在共研Exynos 980的過程中,vivo投入了500多位專業研發工程師參與定制研發,聯合解決了100多個硬件問題??梢哉f,這種基于終端用戶數據幫助芯片廠商優化設計,并獲得相對定制化且能夠優先搭載首發的處理器,也是一種提升品控能力的方式,有助于手機企業加強品牌話語權,并持續積累研發經驗。


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