在剛剛過(guò)去的2020年,5nm處理器只在蘋(píng)果iPhone12系列、華為Mate40以及年末發(fā)布的vivo X60、小米11(至截稿日處于預(yù)購(gòu)狀態(tài))等少數(shù)機(jī)型搭載。而2021年,5nm處理器將應(yīng)用于更多5G機(jī)型。無(wú)論是新近推出第二款5nm處理器和首發(fā)機(jī)型Galaxy S21的三星,確認(rèn)搭載高通驍龍888的IQOO7,還是支持高通驍龍888平臺(tái)的 OPPO、魅族、黑鯊等十幾家OEM廠商,皆對(duì)5nm工藝躍躍欲試。5G疊加5nm,為手機(jī)處理器帶來(lái)了哪些改變,各大芯片廠商如何在該領(lǐng)域展開(kāi)角逐?在新技術(shù)與新制程的碰撞下,手機(jī)芯片設(shè)計(jì)又面臨哪些新的挑戰(zhàn)?

入局玩家越來(lái)越多

在CES2021上,三星發(fā)布了旗艦芯片Exynos 2100,這也是繼麒麟9000、蘋(píng)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(lái)說(shuō),手機(jī)芯片可以劃分為AP(應(yīng)用處理器)和BP(基帶芯片)。對(duì)于新一代旗艦芯片,各大芯片廠商既強(qiáng)調(diào)5nm帶給AP的性能提升,也看重其為5G開(kāi)發(fā)的BP能力。

提升制程很燒錢,因此制程的提升必須帶來(lái)芯片性能的提升,才算“貴得其所”。直觀地從晶體管數(shù)量來(lái)看,麒麟9000的晶體管數(shù)量達(dá)到了153億,比起采用臺(tái)積電7nm加強(qiáng)版工藝制程的麒麟990(5G版),足足多出50億。而蘋(píng)果A14則內(nèi)置了118億個(gè)晶體管,晶體管數(shù)量相較7nm芯片增加了近40%。在性能數(shù)據(jù)方面,5nm工藝帶來(lái)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(tái)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(jī)處理的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)上升,且數(shù)據(jù)類型更加多元,AI已成為高端手機(jī)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(píng)果NPU(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器)的內(nèi)核翻倍,算力達(dá)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(gòu),性能相對(duì)麒麟990(5G)提升了100%。

對(duì)5G能力的強(qiáng)調(diào),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(qiáng)調(diào)的配置,支持5G且向下兼容4G LTE(長(zhǎng)期演進(jìn)),支持SA(獨(dú)立組網(wǎng))/NSA(非獨(dú)立組網(wǎng))雙組網(wǎng),兼容FDD(頻分雙工)/TDD(時(shí)分雙工),并具備載波聚合、DSS、雙SIM甚至多SIM卡功能,已成各產(chǎn)品的標(biāo)配。在5G提升用戶室外體驗(yàn)的同時(shí),各家廠商的產(chǎn)品還普遍支持Wifi6功能,并保障用戶的室內(nèi)連接,塑造了5G時(shí)代的移動(dòng)新體驗(yàn)。

同樣值得注意的是,紫光展銳和聯(lián)發(fā)科先后推出了6nm制程的5G SoC(系統(tǒng)級(jí)芯片),與5nm制程的芯片產(chǎn)品僅有“一線之隔”。聯(lián)發(fā)科在1月20日發(fā)布了6nm制程的全新5G處理器天璣1200。據(jù)相關(guān)報(bào)道,聯(lián)發(fā)科代號(hào)為“天璣2000”的5nm芯片已經(jīng)滿足OPPO、vivo、榮耀等客戶的開(kāi)案需求,預(yù)計(jì)于2022年第一季度正式推出。在2022年,市場(chǎng)有望看到更多的5nm處理器設(shè)計(jì)玩家。

如何構(gòu)建差異化競(jìng)爭(zhēng)

芯片設(shè)計(jì)屬于創(chuàng)新密集型、技術(shù)密集型的輕資產(chǎn)行業(yè),因此5nm 5G芯片的競(jìng)爭(zhēng),可謂是全球頂尖廠商的巔峰之戰(zhàn)。

TrendForce集邦咨詢分析師姚嘉洋向《中國(guó)電子報(bào)》表示,5G手機(jī)處理器可以細(xì)分成幾個(gè)要素,分別為CPU、GPU、DSP(數(shù)字信號(hào)處理)/NPU/APU(加速處理器)、5G Modem(調(diào)制解調(diào)器)、ISP(圖像信號(hào)處理)與先進(jìn)制程的搭配。

以CPU為例,Cortex-X1、A78CPU的搭載,已經(jīng)出現(xiàn)在高通、三星的產(chǎn)品里,以此來(lái)提升處理器整體的運(yùn)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(tái)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(dǎo)致了5G手機(jī)處理器之間的差異。

從CPU的研發(fā)模式中可以看出各個(gè)廠商的研發(fā)重點(diǎn)。雖然幾家芯片廠商都采用了Arm架構(gòu)研發(fā)CPU,但蘋(píng)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(jìn)行自研,單核性能較為突出。驍龍888則基于Cortex內(nèi)核進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),打造了Kryo 680架構(gòu),以提升產(chǎn)品的整體性能和穩(wěn)定性。其他廠商大多使用公版Arm核心。

除了單核結(jié)構(gòu),各家的多核架構(gòu)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(gè)A78大核+4個(gè)A55小核”組成的3叢集8核心架構(gòu)。但即使是采用了相同的結(jié)構(gòu),三星在性能提升方面做得更為激進(jìn),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(gè)A77中核心+四個(gè)A55小核心”組成的3叢8核心架構(gòu),將A77主頻做到了3.13GHz,是目前頻率最高的手機(jī)處理器之一。

而蘋(píng)果更注重性能與能效的平衡,采用了2個(gè)性能核心、4個(gè)能效核心的6核心架構(gòu)。

根據(jù)蘋(píng)果公布的A13和A14分別相對(duì)A12的提升數(shù)據(jù)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(xiàn),蘋(píng)果仍具優(yōu)勢(shì)。前魅族科技高管李楠稱,蘋(píng)果低功耗模式能最大化5nm的制程優(yōu)勢(shì)。

GPU的情況亦是如此。蘋(píng)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(fā)布的GFXBench圖形基準(zhǔn)測(cè)試來(lái)看,搭載蘋(píng)果A14的iPhone12系列圖像處理的跑分在業(yè)界處于領(lǐng)先地位,高通參考測(cè)試機(jī)和Mate40緊隨其后,在視覺(jué)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(lái)看,華為的巴龍5000,高通的X60與外掛在蘋(píng)果A14的X55,以及三星的Exynos 5123都具備同時(shí)支持Sub-6Hz和毫米波的能力。

巴龍5000在Sub-6Hz的表現(xiàn)較為突出,通過(guò)支持5GSA雙載波聚合,Sub-6G下行理論峰值速率達(dá)4.6Gbps,上行理論峰值速率達(dá)2.5Gbps,且支持11個(gè)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(yè)領(lǐng)先地位,而外掛驍龍X55基帶的蘋(píng)果A14也享此待遇,且蘋(píng)果iPhone支持的5G主要頻段高達(dá)20個(gè),Exynos5123的毫米波下行峰值也達(dá)到了7.35Gbps。

研發(fā)門檻越來(lái)越高

來(lái)到5nm的檔口,能制造芯片的代工廠商只剩兩家,能設(shè)計(jì)高端制程芯片的廠商更是寥寥無(wú)幾。對(duì)于旗艦智能手機(jī)處理器這種既要第一時(shí)間用上先進(jìn)制程工藝,還要具備5G和AI能力的芯片品類,設(shè)計(jì)門檻之高顯而易見(jiàn)。

一方面,5G基帶設(shè)計(jì)難度大,要與網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)保持良好互通,實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)測(cè)試得到驗(yàn)證,還要向下兼容3G、4G;另一方面,先進(jìn)制程讓芯片能夠集成更多元器件和相應(yīng)功能,提升了芯片的集成度和復(fù)雜性,因此處理器設(shè)計(jì)的難度水漲船高,研發(fā)、設(shè)計(jì)工具升級(jí)、晶圓購(gòu)買等各項(xiàng)的支出也直線上升。

“隨著制程的提升,手機(jī)處理器投入的研發(fā)金額愈來(lái)愈大。巨額的研發(fā)資金需要大量產(chǎn)品來(lái)支撐,以分?jǐn)傃邪l(fā)經(jīng)費(fèi)。而制程越小,代表晶體管密度越高,這加大了設(shè)計(jì)的難度。EDA工具的升級(jí)需要投入更多的研發(fā)經(jīng)費(fèi),而晶圓代工廠方面所需要的研發(fā)經(jīng)費(fèi)與晶圓片的購(gòu)買價(jià)格也會(huì)有所提升?！币窝蟊硎?。

對(duì)于芯片設(shè)計(jì)巨頭來(lái)說(shuō),每一次制程的提升,都會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

“制程越小,設(shè)計(jì)越難。因?yàn)楹蠖说闹瞥坦に嚿?jí)了,前端的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)工具都需要升級(jí),模塊庫(kù)、后端庫(kù)都不充實(shí)。到了設(shè)計(jì)階段,不僅是設(shè)計(jì)一個(gè)主處理器,還需要AD(模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換)/DA(數(shù)字-模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換)等周圍IP的支持。設(shè)計(jì)出來(lái)之后,還有驗(yàn)證階段。設(shè)計(jì)的芯片能否有效地控制功耗,能否正常運(yùn)行,能否流片成功,這些都需要很長(zhǎng)時(shí)間去驗(yàn)證。這個(gè)周期是漫長(zhǎng)而復(fù)雜的。頂級(jí)的芯片設(shè)計(jì)廠商有技術(shù)、財(cái)力去搶先走這個(gè)流程,因此更容易搶得市場(chǎng)先機(jī)?！辟惖项檰?wèn)高級(jí)分析師李秧向《中國(guó)電子報(bào)》表示。

研發(fā)門檻極高,且每隔一年或兩年就要再啃一遍硬骨頭,對(duì)于小米、OPPO等有心自研處理器的手機(jī)大廠來(lái)說(shuō),是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。但手機(jī)大廠的應(yīng)對(duì)策略也較為多元。小米通過(guò)“投資+自研”構(gòu)建了半導(dǎo)體生態(tài);OPPO通過(guò)成立芯片研發(fā)中心和半導(dǎo)體設(shè)計(jì)子公司以及自研并收購(gòu)相關(guān)專利等方式,持續(xù)提升研發(fā)實(shí)力,目前已經(jīng)具備了協(xié)處理器的設(shè)計(jì)能力。vivo則與三星合作研發(fā)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(guò)程中,vivo投入了500多位專業(yè)研發(fā)工程師參與定制研發(fā),聯(lián)合解決了100多個(gè)硬件問(wèn)題?？梢哉f(shuō),這種基于終端用戶數(shù)據(jù)幫助芯片廠商優(yōu)化設(shè)計(jì),并獲得相對(duì)定制化且能夠優(yōu)先搭載首發(fā)的處理器,也是一種提升品控能力的方式,有助于手機(jī)企業(yè)加強(qiáng)品牌話語(yǔ)權(quán),并持續(xù)積累研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。