10nm快登场 还没弄懂手机处理器工艺吗
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10nm快登场 还没弄懂手机处理器工艺吗

手机中国 2016-03-09 09:43

最近看科技新闻,经常看到10nm、7nm处理器工艺最新报道,14/16nm才经历了两代产品的更替,不禁概叹芯片制程的发展日新月异。一直以来的半导体行业,尤其是处理器的工艺制程和架构都是技术宅所关心的内容。其中,在工艺改进 骁龙820比骁龙810提升了啥也有系统性地介绍过很多和芯片工艺制程相关的知识,但是当时只是提到28nm、20nm这些概括性的时间节点,其实同为28nm制程,不同芯片厂商之间会有不同的工艺分类,即使是同一家厂商,也会细分为高性能和低能耗的制造工艺,今天我们就来聊聊那些FinFET、3D FinFET、HPM等不明觉厉的行业术语。之前在Plus/Note/Pro 智能机这些后缀都啥意思介绍过Plus、Pro、Prime、Pure这些那么相似的后缀具体是什么意思,今天我们也来看看HPM、HP、HPC+、HPC、HPL这些形似神不似的专业术语究竟有什么区别?

10nm快登场 还没弄懂手机处理器工艺吗

下文内容和芯片制造业相关,所以先和各位读者回顾一下三种不同的芯片厂商:IDM、Fabless、Foundry。IDM就是指Intel和三星这种拥有自己的晶圆厂,能够一手包办IC设计、芯片制造、芯片封装、测试、投向消费者市场五个环节的厂商。Fabless则是指有能力设计芯片架构,但是却没有晶圆厂生产芯片,需要找代工厂代为生产的厂商,知名的有Qualcomm、苹果和华为。代工厂(Foundry)则是大名鼎鼎的台积电和GlobalFoundries。

预备知识聊完了,接着我们看看从55nm开始一直回顾到如今的14/16nm节点,看看都有哪些经典的处理器工艺分类出现过。PS:由于每个节点的工艺分类都比较多,所以下文以智能手机处理器为主。

不同工艺节点的工艺分类详解

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)

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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。

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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。

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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。

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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%。

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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 6和iPhone 6 Plus上面出现什么致命的功耗发热问题,别有内情吧,呵呵!

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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。

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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)。

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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)。

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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。

两种栅极结构和两种栅极工艺区别

HKMG和poly/SiON

HKMG全称:金属栅极+高介电常数绝缘层(High-k)栅结构

poly/SiON全称:多晶硅栅+氮氧化碳绝缘层的栅极结构

我们可以简单地理解为HKMG技术更加先进,而poly/SiON技术已经出现了很久,技术上相对落后。台积电在40nm节点的G(通用)工艺分类上就是采用了这种栅极结构。40nm和28nm节点下的LP工艺(主打低功耗)分类也是采用了这种栅极结构。

上文提及台积电目前处于28nm那些(5种)HP工艺(主打高性能)分类基本上全面普及了更为先进的HKMG栅极结构。

前栅极工艺和后栅极工艺

前栅极工艺和后栅极工艺,其实是制造HKMG栅极结构的两种分支工艺,前者由IBM做主导,三星和GlobalFoundries两家厂商采用HKMG栅极结构制造的芯片,一般都会选择前栅极工艺。后者则由Intel主导,台积电那些一大波的28nm工艺技术基本上都是这个分支。最简单区分就是,台积电28nm节点的芯片分为HP和LP两种不同的大类型,HP再细分其它小类型。HP(主打高性能)这个大类的芯片基本上都是采用后栅极工艺制造的HKMG栅极结构,LP(主打低功耗)这个大类的芯片则是采用了前栅极工艺制造的HKMG栅极结构。

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前栅极工艺和后栅极工艺对应工艺分类有哪些

那么两种栅极工艺之间有什么区别呢?由于不是本文重点,为了节省篇幅,我们不去探究原理,只记住结论,拥有用后栅极工艺制造的HKMG栅极结构的芯片,具有功耗更低和漏电更少的优势,从而让高频运行状态更加稳定,不会出现运行一段时间后降频这种现象。相比前栅极工艺无疑更加先进,但是生产制造技术复杂、良品率又低,技术诞生初期很难做到大规模量产,还需要客户厂商(例如联发科、Qualcomm、苹果、华为等)根据需求配合修改电路设计,所以前栅极工艺在早期更受IDM和Foundry欢迎,后来随着Intel和台积电工艺逐渐成熟,克服了后栅极工艺的种种问题之后,近几年逐渐取代前栅极工艺成为HKMG栅极结构的主要制造工艺。

总结:普通消费者对手机产品本身比较感兴趣,关注系统运行速度,游戏卡不卡,程序兼容性,发热和续航等浅层次用户体验。

对数码产品比较感兴趣的用户则会进一步研究为什么系统运行速度会慢,为什么我需要经常重启手机,为什么不清理后台系统就会卡,为什么iOS用起来就是比Android流畅?

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iOS依然是公认的流畅性优化得比较好的系统

而对科技的沉迷早已“病入膏肓”的技术宅来说,在得知处理器、RAM、ROM是影响系统运行速度的三项关键要素之后,我们就会进一步研究这三种硬件是如何配合,并共同发挥作用的。在研究期间,技术宅就会发现PC领域和手机领域很多知识是共同的,从而方便我们用以往学到的知识解释手机处理器上的原理。

举个例子,普通消费者、数码爱好者和技术宅一起来到售后服务中心,消费者和客服经理投诉这台手机非常不好用,吵得面红耳赤之际,来来去去就是吐槽系统卡、游戏载入慢、重启次数多、经常清后台这些表层现象。

数码爱好者就会分析其实和处理器、RAM和ROM这些参数有关,不说还好,听完数码爱好者的分析,消费者吵得更厉害了,当初买这台手机的时候,宣传参数上那豪华的真8核处理器,3GB RAM,64GB ROM都是假的?旗舰级别的配置就是这种表现?

数码爱好者进一步解释真8核的定义,这种真8核和另外一款旗舰机的真8核是不同的,主要是架构和工艺制程、工艺分类不同。好吧,数码爱好者本以为能够平息这场纷争,谁知道消费者还在纠结都是28nm,为什么HPM和LP工艺的处理器会有不同的表现?

技术宅是时候登场了,HPM和LP之间最重要区别就在性能和漏电率上,HPM在性能上更优,漏电率也更低,LP则更适合中低端处理器使用,因为成本低。接着还会通过硬件监控的App进一步解释类似问题,同样是8核处理器,运行大型游戏的时候,有的处理器受制于架构、工艺制程、工艺分类落后,在玩得兴高采烈之际突然降频、关闭部分核心,这个时候系统自然就开始卡了。监控软件还能够实时监控其温度变化,进一步告知消费者为什么手机会自动重启或者通过死机方式让手机内部温度降下来。

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