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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） 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。 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。 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。 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%。 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！ 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。 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）。 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）。 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。 |
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