技術分析第55期:手機Soc工藝你知多少?
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【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。
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