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10nm快登场 还没弄懂手机处理器工艺吗
摘要:最近看科技新闻,经常看到10nm、7nm处理器工艺最新报道

55nm

  在55nm节点,对智能手机而言,台积电ULP(Ultra low power)工艺分类值得一说,在40/45nm和28nm,台积电都有保留这种工艺分类。

  采用55nm的ULP工艺,代表作有Nvidia显卡中GPU核心:G200b和G92b

40/45nm

  在40/45nm节点,台积电三种比较常见工艺分类,分别为LP(低耗电)、G(通用)和ULP(Ultra low power)。LP工艺我们放在下面28/32nm中一起讲,因为该工艺节点的处理器会多一点。

  在工艺改进 骁龙820比骁龙810提升了啥一文中我们已经说过,台积电在40/45nm工艺节点能够同时生产出同一代两种制程的芯片,这是比较特别的。

  45nm代表处理器:骁龙S2和骁龙S3

  40nm代表处理器:MT657x和Tegra2(全球首颗双核手机处理器)、Tegra3(全球首颗四核手机处理器)

不同工艺节点的工艺分类详解第1张图
当年发热厉害的HTC One X被Tegra 3坑了

  在45nm节点,还有Intel和三星处理器也是值得一提的,这两家IDM巨头厂商很少向外界公布每一代节点工艺分类,只是简单地统称为HKMG,当然HKMG也是一个可以展开来说的关键术语,下文会介绍。

  Intel在45nm的代表有两代不同架构的PC处理器:Penryn和Nehalem,Penryn是Core架构的工艺改进版,Nehalem则是全新的架构,这也是符合Tick-Tock定律的演进。Nehalem架构进一步对Core Microarchitecture进行了扩展,这一代架构历史低位相比Core架构同样重要,引入第三级缓存(L3 Cache)和QPI总线提高CPU整体工作效率,同时将内存控制器(IMC)整合到CPU,提高CPU集成度,当然还有重新回归的超线程(多线程)技术,配合Intel历史上首次出现四核心处理器,定位最高的i7处理器能够实现四核心八线程的运算能力。

  三星在45nm的代表作则有Exynos 3110、Exynos 4210、苹果A4和苹果A5/A5X。

不同工艺节点的工艺分类详解第2张图
一代经典iPhone 4(苹果A4处理器)

28/32nm

  时间来到了移动处理器(特指手机处理器)最为经典的一代制程节点——28/32nm。主要是整个行业负责生产手机处理器的厂商停留在28nm节点的时间过长,除了Intel在PC处理器上率先越过28/32nm节点,GlobalFoundries、三星、台积电等厂商基本上都受制于技术瓶颈,将28/32nm工艺制程连用了几代处理器。

  GlobalFoundries由于缩写为“GF”,所以被业界戏称“女朋友”,“女朋友”和AMD一直走得比较近,加上和AMD曾经有着血缘关系,导致如今主要客户基本上都是AMD,在28/32nm节点上,“女朋友”一共出现了HPP、HP、SLP(都是28nm)和SHP(32nm)四种主要工艺分类。由于和手机处理器关系不大,这里不展开介绍了。

  台积电方面,在这一代制程节点,出现了HP和LP两大类的工艺分类。

  HP(High Performance):主打高性能应用范畴。

  LP(Low Power):主打低功耗应用范畴。

  为了满足不同客户需求,HP内部再细分HPL、HPC、HPC+、HP和HPM五种分类,下面小编将它们的缩写还原成全称,看到全称之后,读者应该不难理解它们的含义。

  先来插入一条备注,在工艺制程领域,我们常常讨论“漏电”一词,简单来说,就是指伴随着工艺制程提高,CPU集成更多的晶体管,二氧化硅绝缘层变得更薄,从而导致电流泄漏。

  电流泄漏最大问题就是增加了芯片的功耗,为晶体管本身带来额外的发热量,还会导致电路错误,CPU为了解决信号模糊问题,又不得不提高核心电压,综上所述,漏电率越低,对CPU整体性能表现和功耗控制更加有利。下面我们看看HP这五种工艺分类在性能和漏电上表现如何?

  HPL(High-Perf Low-Leakage):漏电率虽然低,但是性能上表现却不高。当年Nvidia的Tegra 4处理器,为了控制惊人的功耗和发热,不得不使用HPL这种工艺分类,无奈最终还是压制不住自身的发热,被迫将主频限制在比较低的运行状态,搭载了高频版Tegra 4的Nvidia Shield掌机只能够通过主动散热(内部安装风扇)解决问题。

不同工艺节点的工艺分类详解第3张图
小米手机3率先开售的移动版(采用Tegra 4处理器)

  HP(High Performance):虽然性能比较强,但是漏电率不低,仅限生产PC上处理器和显卡中CPU/GPU等高性能部件,对于手机处理器并不适合。

  HPM(High-Perf Mobile):为了更好地优化HP这种工艺,将其移植到手机处理器上,台积电推出了HP工艺升级版——HPM,漏电率稍微比HPL高一点,但是性能上却超越了HP,成为目前台积电在28nm制程节点上最受欢迎的工艺分类。代表作有:骁龙800系列,主要是骁龙800、骁龙801和骁龙805,还有最新的骁龙600系列两款新品——骁龙652和骁龙650。联发科方面则有Helio X10、MT6752、MT6732、MT6592、MT6588经典产品。华为P8上面的麒麟930和Nvidia的Tegra K1也是采用了HPM工艺分类。

不同工艺节点的工艺分类详解第4张图
华为P8(麒麟930)

  上文提到的LP工艺分类,虽然在漏电率和性能上都不占优势,但是却因为成本低,而且出现时间比较早,技术比较成熟,所以骁龙400和骁龙600系列的中低端处理器都十分喜欢使用这种工艺分类,包括昔日的骁龙615、骁龙410,现在唱主角的骁龙616和骁龙617以及即将到来的骁龙425、骁龙430和骁龙435。联发科方面也是,MT6753和MT6735这两颗全网通的芯片采用了LP这种工艺打造。特别说明的是,它们俩的上一代产品MT6752和MT6732则是采用了HPM这种更高等级的工艺分类,不过不支持全网通。相比之下,上述提到的骁龙400和骁龙600系列处理器基本上已经全面普及三网通吃。

  HPC(High Performance Compact)和HPC+(High Performance Compact Plus)则是台积电最近两三年才兴起的两种新工艺,后者代表作为联发科最新中端级别处理器Helio P10。 HPC+相比HPC在同等漏电率下性能提升15%,换句话说,在同等性能下功耗降低30-50%。

不同工艺节点的工艺分类详解第5张图
金立S8(Helio P10)

20/22nm

  无论是PC还是手机处理器,这个工艺节点的芯片很快就退出了历史舞台,被14/16nm处理器抢占市场。PC领域的Intel虽然很早就量产了这个节点的处理器,但是因为Tick-Tock定律的驱使,使用了两代处理器(IvyBridge和Haswell)就开始进入14/16nm时代。由于对手AMD的工艺制程(28/32nm)停滞不前,加上光刻技术并没有取得重大突破,同时如今PC市场也并不需要换代换得那么频繁,多方面因素作用下,最终让Intel的“Tick-Tock”定律在14/16nm这一代节点上慢下来,更加衬托出20/22nm这一代产品持续时间并不长。

  手机处理器方面也一样,20/22nm制程节点上,台积电用了足足几年时间才克服漏电率和产能的问题,直到如今还依然不能够全面供货给Nvidia、AMD、Qualcomm、联发科这些昔日的合作伙伴,据外媒报道,台积电对外宣传指20nm的SoC并不适合用在PC领域的芯片上,所以显卡领域才那么久没有更新20nm制程,停留在28nm那么多年。事实是否如此?谁知道呢?Qualcomm和联发科能够用上20nm的处理器也屈指可数,骁龙810、骁龙808和命途多舛的Helio X20。外界也有声音称20nm的SoC漏电率一直很严重,导致Qualcomm和联发科两位客户一直都不太满意,但是苹果A8和苹果A8X很早就用上了台积电20nm SoC工艺,也没见iPhone 6iPhone 6 Plus上面出现什么致命的功耗发热问题,别有内情吧,呵呵!

不同工艺节点的工艺分类详解第6张图
全球首款搭载骁龙808智能机——LG G4

  三星在20/22nm上两款经典处理器为Exynos 5430和Exynos 7(7410),也就是分别搭载在三星Galaxy Alpha和三星Note 4上面的两颗处理器,三星也是从这个时候开始赶上台积电和Intel,不久后和台积电、Intel同时迈进14/16nm工艺制程节点。

不同工艺节点的工艺分类详解第7张图
三星Note 4(Exynos 7系处理器)

  值得一提的是,在20/22nm工艺节点上,Intel引入了3D FinFET这种技术,三星和台积电在14/16nm节点上也大范围用上了类似的FinFET技术。下面我们统称为FinFET。

  FinFET(Fin Field-Effect Transistor)根据百度百科定义,称为鳍式场效应晶体管,是一种新的互补式金氧半导体(CMOS)晶体管。以前也和各位读者介绍过,其实就是把芯片内部平面的结构变成了3D,降低漏电率同时又能够增加晶体管空间利用率,当然,实际情况比较复杂,这里不详细展开了。

14/16nm

  由于上文提到的历史原因,20/22nm并没有什么工艺分类,很快就被14/16nm取代了,台积电采用了16nm,三星和Intel采用了14nm。

  Intel的Broadwell、Skylake和Kaby Lake(将会延期上市)三代PC处理器架构都采用了14nm工艺。

  三星已经发展了两代14nm工艺,第一代就是用在Exynos 7420和苹果A9上面的FinFET LPE(Low Power Early),第二代则是用在Exynos 8890、骁龙820和发布不久的骁龙625上面的FinFET LPP(Low Power Plus)。

不同工艺节点的工艺分类详解第8张图
乐Max Pro(全球首款搭载骁龙820手机)

  台积电经历了20/22nm的挫折之后,在16nm节点雄起,不知不觉发布了三种工艺分类,最早出现在苹果A9上面的是第一代FinFET,接着就是麒麟950上面FF+(FinFET Plus)和近日发布的Helio P20上面搭载的FFC(FinFET Plus Compact)。

不同工艺节点的工艺分类详解第9张图
华为Mate 8(麒麟950)

  至此,本文关于工艺分类的内容已经介绍完毕,接着解决一下上文的一些尾巴,简单补充说明一些术语。

发布时间: 2016-3-9 | 点击量: 4885 次

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