技術分析第55期:手機Soc工藝你知多少?

【PConline 雜談】對於選購一台手機而言，我們除了注重外觀，設計，螢幕大小之外，性能當然是必然著重考慮的因素，就像一般用戶買汽車，並不會選擇用30萬去買一個0.6排量的車子（非混/電動），所以硬體配置是根基，良好的體驗需要基於強大的硬體性能。

而手機的綜合性能由處理器、RAM、ROM以及軟體上的驅動/系統優化所決定，其中手機處理器則扮演著一個舉足輕重的角色。

處理器我們聽得多，但這裡面又有什麼學問呢?

技術分析第55期:Soc製造工藝你知多少?

關於手機處理器（Soc）是什麼東東筆者就不過多闡述了，今天只聊聊半導體生產代工、處理器的誕生過程以及2016年熱門處理器製程工藝的使用、性能對比。

一.半導體公司有哪幾種

半導體公司按業務可分為3個類別，1.IDM，這一模式的特點是半導體製造的關鍵環節都由自己完成，例如內核的開發與製造，自己同時具備設計以及生產的能力，例如Intel、意法半導體、現代等等。

2.Fab，這種模式只專注於工藝的研發以及代工，就像台積電，它們不設計晶片，僅幫代工晶片。

3.Fabless，Fabless企業僅專注於IC的設計，它們把設計出來的「晶片」給Fab企業進行生產，形成產品，而隨著物聯網的發展，電子產品更貼近於個人的需求，這便從Fabless衍生出Chipless模式，Chipless模式下的企業既不生產晶片也不銷售晶片，它們只提供IP的授權，像是ARM和Imagination。

二.挖一下全球晶圓生產/代工商

如今全球範圍規模較大的晶圓代工廠商有:台積電（TSMC）、三星、英特爾（Intel）、Globalfoundries（GF）、台聯電（UMC）、中芯國際（SMIC）、意法半導體（ST）等等，但它們並不是全部都代工生產手機Soc晶片的，生產手機處理器Soc的基本集中在台積電、三星、Intel、GF這四家。

2015年+2016年初熱門手機處理器生產/代工商:

台積電:驍龍615/617/652/808/810、聯發科全系列、蘋果A9（16nm）、麒麟950/930、蘋果A10（10nm）

三星:驍龍820、Exynos 7420/8890、蘋果A9（14nm）

英特爾:Atom全系列

Globalfoundries:瑞芯微系列

三.一顆Soc如何誕生

指令集/IP核的授權+核心的設計

我們經常接觸的高通驍龍XXX，聯發科MTXXXX，麒麟XXX之類的Soc，他們沒有自己的晶圓生產線，通過從ARM、Imagination中購入IP授權或是指令集授權（其中高通像驍龍820則是通過獲得ARM的指令集授權，再自行研發Kryo核心，而聯發科/麒麟則是直接獲取A72/A53一類的IP核授權），然後把這些Soc交給台積電或三星進行代工生產。

而三星Exynos則比較特殊，例如最新的Exynos 8890既有自主研發的核心，也有ARM的公版核心，則它的授權費用主要來源於ARM的指令集+IP核，費用自然比全是公版核心的聯發科/麒麟要低，但Exynos也不像高通驍龍，三星有自己的晶圓生產線，無需找台積電進行代工生產。

既然內核方案有了，代工商也找到了，那麼就是時候進入具體的生產環節。

Soc的生產

一顆處理器（Soc）如何誕生這個過程相當複雜，難以用簡單的話語表述出來，但某幾個重要的步驟還是可以說一下的:1.矽的提純與熔煉，製成矽錠→2.矽錠切割，形成晶圓（wafer），滲入其他元素並進行氧化→3.上光阻劑，通過掩膜（mask）進行光刻→4.清除溶解的光阻劑並用化學試劑溶解曝光部分的晶圓，再清除掩膜區域的光阻劑→5.重複步驟3，形成多層立體的電晶體雛形→6.注入離子束，完成摻雜，形成P井或N井→7.表面覆蓋絕緣層，留出需要通電的開孔，進行電鍍銅用以填充開孔（完成電晶體的製造）→8.在電晶體之間用複合金屬層進行連接，形成複雜的立體電路→9.功能性測試→10.晶圓切片，形成單個內核→11.內核封裝，為內核提供電氣與機械介面→12.性能測試，並進行等級分類，定義ID→13.出售

手機Soc生產

當然，一顆Soc的誕生從設計到生產環節不會如上訴的那麼簡單，筆者只是想讓大家簡單了解一下其中的重要步驟。

四.2016年初晶圓代工商的產能狀況

台積電:28nm工藝已經相當成熟早已量產，而16nm FinFET、FinFET Plus也陸續完成產能的爬坡，16nm FinFET Compact（面向低功耗Soc）也將在本季度進入量產，傳說中的Helio P20採用的就是這個製程工藝。

而10nm方面，台積電將在今年的第一季度完成流片，並在第四季度進入量產。

（但最新消息指iPhone 7的A10處理器將會全面由台積電的10nm工藝生產線生產，相信在第二季度便邁進量產階段）而7nm預計在2018年的上半年量產、5nm工藝也已經研發了一段時間，不知道英特爾那邊有什麼想法呢。

台積電

三星:14nm早已量產，而10nm方面則預計在2017年初量產，而7nm製程則沒有任何消息傳出。

英特爾:Intel在上年11月時表示在14nm的工藝上遇到了一點困難，但現在已經恢復，而10nm的處理器預計在2017年下半年推出。

反正Intel自給自足，也不為其他廠商代工，所以我們就好好等待下一代Atom處理器就行了。

英特爾

Globalfoundries:14nm FinFET量產相信仍要等到今年的6月份。

10nm/7nm工藝方面，Globalfoundries表示將會和IBM合作，但暫時沒有量產的消息。

但Globalfoundries精於製造高性能大核心，例如PC領域的AMD CPU以及GPU，所以手機Soc和Intel那樣，我們糾結不來。

總的來說，在2016年14/16nm的量產不是問題，最近更有消息指定位中端的驍龍625也用上了14nm製程。

五.熱門處理器製程工藝一覽表

筆者匯總了一下2015年至2016年初熱門手機處理器的製程節點以及工藝分布。

	製程	工藝
高通
驍龍820	14nm	FinFET(LPP)
驍龍810	20nm	(HKMG)單一工藝
驍龍808	20nm	(HKMG)單一工藝
驍龍650/652	28nm	HKMG(HPM)
驍龍617	28nm	Poly/SION(LP)
驍龍615	28nm	Poly/SION(LP)
聯發科
Helio X20	20nm	HKMG(HPM)
Helio P20	16nm	FinFET Compact(FFC)
Helio X10	28nm	HKMG(HPM)
Helio P10	28nm	HKMG(HPC+)
MT6753	28nm	Poly/SION(LP)
三星
Exynos 8890	14nm	FinFET(LPP版本)
Exynos 7420	14nm	FinFET(LPE版本)
蘋果
A9	16/14nm	FinFET(LPP/LPE雙版本)
海思
麒麟950	16nm	FinFET Plus(FF+)
麒麟930	28nm	HKMG(HPM)

*其中28nm HKMG也有分為gate first（前柵極、三星）與gate last（後柵極、台積電）兩種工藝，它們的性能表現有所不同，這裡不過多闡述。

六.熱門Soc工藝簡析

28nm:三星方面有HKMG的LP（Low Power）、LPP（Low Power Plus）以及最強的LPH。

而台積電有Poly/SION的LP（Low Power）、HKMG的HPM（High Performance Mobile）、HKMG的HPC+（High Performance Compact Plus）。

在手機Soc領域，以上6種性能最強的是三星LPH，接下來是台積電的HPM。

28nm不同工藝的定位分別為:高性能:LPH、HPM，主流:LP、HPC、HPC+。

28nm LP製程工藝的MT6753

20nm:在這個製程節點上僅有台積電正在使用（三星也有，只是用在DDR3內存製造上），而且工藝單一。

在今年的Soc列表當中定位高性能的早已使用上16/14nm FinFET工藝，而兼顧性能與功耗的主流Soc依然採用良品率高，性能穩定的28nm HPM/HPC工藝（關鍵是A72核心使用28nm HPM也能較好地壓住功耗），所以20nm製程相信不會在2016年出現在手機Soc領域。

20nm HPM的MT6795

16/14nm:三星/台積電的FinFET（FF）、台積電的FinFET compact（FFC）以及FinFET Plus（FF+），其中FinFET包含早期的LPE（Low Power Early）以及LPP（Low Power Plus，高級低功耗）兩種工藝版本。

16/14nm不同工藝的定位分別為:高性能:FF、FF+，主流（著重功耗表現的設備）:FFC。

14nm FinFET LPE的Exynos 7420

總結

2016年相信會是28nm+14/16nm共存的一年，28nm依然成為主流處理器的製程節點，而旗艦處理器則會普片採用16/14nm製程，10nm製程節點的處理器預計最快要到2017年初才會亮相。

另外，由於智能穿戴設備等微型便攜終端的普及，不少處理器廠商已經推出專門針對這類設備的Soc，它們都會使用製程更新，主打低功耗的工藝，例如16nm FinFET Compact。

一顆好的手機處理器，並不只決定於核心架構、核心數量、主頻高低、集成GPU的強弱，其發熱，功耗也是我們值得考慮的問題，畢竟沒人希望自己的手機是暖寶寶或者玩半天就沒電的玩意，而製程工藝也決定著核心主頻的高低，從而影響性能。

但在相同製程節點，相同工藝的條件下，不同處理器生廠商生產出來的Soc也有一定的差異，因為原料的污染，加工工藝的波動，成本/淘汰率的控制都會讓同製程節點/同工藝的最終產品在性能上有著較大的差異。

所以，買手機糾結那麼多沒用，哪個喜歡買哪個。