在刚刚过去的2020年,5nm处理器只在苹果iPhone12系列、华为Mate40以及年末发布的vivo X60、小米11(至截稿日处于预购状态)等少数机型搭载。而2021年,5nm处理器将应用于更多5G机型。无论是新近推出第二款5nm处理器和首发机型Galaxy S21的三星,确认搭载高通骁龙888的IQOO7,还是支持高通骁龙888平台的 OPPO、魅族、黑鲨等十几家OEM厂商,皆对5nm工艺跃跃欲试。5G叠加5nm,为手机处理器带来了哪些改变,各大芯片厂商如何在该领域展开角逐?在新技术与新制程的碰撞下,手机芯片设计又面临哪些新的挑战?

入局玩家越来越多

在CES2021上,三星发布了旗舰芯片Exynos 2100,这也是继麒麟9000、苹果A14、三星Exynos 1080和高通骁龙888之后的第5款5nm 5G处理器。

一般来说,手机芯片可以划分为AP(应用处理器)和BP(基带芯片)。对于新一代旗舰芯片,各大芯片厂商既强调5nm带给AP的性能提升,也看重其为5G开发的BP能力。

提升制程很烧钱,因此制程的提升必须带来芯片性能的提升,才算“贵得其所”。直观地从晶体管数量来看,麒麟9000的晶体管数量达到了153亿,比起采用台积电7nm加强版工艺制程的麒麟990(5G版),足足多出50亿。而苹果A14则内置了118亿个晶体管,晶体管数量相较7nm芯片增加了近40%。在性能数据方面,5nm工艺带来的提升也很明显。相较上一代旗舰芯片,骁龙888的CPU整体性能提升25%,GPU的图形渲染速度较前代平台提升了35%。Exynos2100处理器性能较上一代单核提升了19%,多核提升了33%,图形性能相较于前代提升了40%。

由于手机处理的数据量呈指数级上升,且数据类型更加多元,AI已成为高端手机处理器的必备技能,AP也从“CPU+GPU”走向了“CPU+GPU+NPU/AI引擎”这一方向。在AI算力支援上,苹果NPU(神经网络处理器)的内核翻倍,算力达到了11.8TOPS。骁龙888和Exynos2100的算力均提升至26 TOPS。麒麟9000搭载的新一代NPU,采用双大核+微核NPU架构,性能相对麒麟990(5G)提升了100%。

对5G能力的强调,也是5nm处理器的一大特性。多模多频段的连接能力是各家厂商最强调的配置,支持5G且向下兼容4G LTE(长期演进),支持SA(独立组网)/NSA(非独立组网)双组网,兼容FDD(频分双工)/TDD(时分双工),并具备载波聚合、DSS、双SIM甚至多SIM卡功能,已成各产品的标配。在5G提升用户室外体验的同时,各家厂商的产品还普遍支持Wifi6功能,并保障用户的室内连接,塑造了5G时代的移动新体验。

同样值得注意的是,紫光展锐和联发科先后推出了6nm制程的5G SoC(系统级芯片),与5nm制程的芯片产品仅有“一线之隔”。联发科在1月20日发布了6nm制程的全新5G处理器天玑1200。据相关报道,联发科代号为“天玑2000”的5nm芯片已经满足OPPO、vivo、荣耀等客户的开案需求,预计于2022年第一季度正式推出。在2022年,市场有望看到更多的5nm处理器设计玩家。

如何构建差异化竞争

芯片设计属于创新密集型、技术密集型的轻资产行业,因此5nm 5G芯片的竞争,可谓是全球顶尖厂商的巅峰之战。

TrendForce集邦咨询分析师姚嘉洋向《中国电子报》表示,5G手机处理器可以细分成几个要素,分别为CPU、GPU、DSP(数字信号处理)/NPU/APU(加速处理器)、5G Modem(调制解调器)、ISP(图像信号处理)与先进制程的搭配。

以CPU为例,Cortex-X1、A78CPU的搭载,已经出现在高通、三星的产品里,以此来提升处理器整体的运算能效。

以5G Modem为例,就能看到毫米波与sub-6GHz(频段)支援上的差异。制程方面,虽然都采用5nm制程,但毕竟台积电与三星在良率、性能与功耗等基本要素上还是略有差别,这也导致了5G手机处理器之间的差异。

从CPU的研发模式中可以看出各个厂商的研发重点。虽然几家芯片厂商都采用了Arm架构研发CPU,但苹果为了更好地整合软硬件能力,A系列处理器多基于Arm的指令集进行自研,单核性能较为突出。骁龙888则基于Cortex内核进行了二次开发,打造了Kryo 680架构,以提升产品的整体性能和稳定性。其他厂商大多使用公版Arm核心。

除了单核结构,各家的多核架构也有所不同,华为、三星、高通在性能提升上的跨度更大。

三星代工的骁龙888和Exynos2100,都采用了“Cortex-X1超大核+3个A78大核+4个A55小核”组成的3丛集8核心架构。但即使是采用了相同的结构,三星在性能提升方面做得更为激进,将超大核的主频做到了2.9GHz,略高于骁龙888的2.84GHz。

麒麟9000采用“A77大核心+三个A77中核心+四个A55小核心”组成的3丛8核心架构,将A77主频做到了3.13GHz,是目前频率最高的手机处理器之一。

而苹果更注重性能与能效的平衡,采用了2个性能核心、4个能效核心的6核心架构。

根据苹果公布的A13和A14分别相对A12的提升数据可知,比起A13,A14的CPU性能提升幅度为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现,苹果仍具优势。前魅族科技高管李楠称,苹果低功耗模式能最大化5nm的制程优势。

GPU的情况亦是如此。苹果、高通都采用了自研GPU,华为、三星则采用了Mali G78,华为堆了24核,三星堆了14核。

从外媒去年12月发布的GFXBench图形基准测试来看,搭载苹果A14的iPhone12系列图像处理的跑分在业界处于领先地位,高通参考测试机和Mate40紧随其后,在视觉处理能力方面皆有提升。

5G方面,华为、高通、三星都推出并在SoC上集成了自研的基带芯片。

从大的频段范围来看,华为的巴龙5000,高通的X60与外挂在苹果A14的X55,以及三星的Exynos 5123都具备同时支持Sub-6Hz和毫米波的能力。

巴龙5000在Sub-6Hz的表现较为突出,通过支持5GSA双载波聚合,Sub-6G下行理论峰值速率达4.6Gbps,上行理论峰值速率达2.5Gbps,且支持11个5G TDD、FDD频段。

骁龙888集成的X60基带能够提供7.5Gbps的毫米波下行峰值速率,居于行业领先地位,而外挂骁龙X55基带的苹果A14也享此待遇,且苹果iPhone支持的5G主要频段高达20个,Exynos5123的毫米波下行峰值也达到了7.35Gbps。

研发门槛越来越高

来到5nm的档口,能制造芯片的代工厂商只剩两家,能设计高端制程芯片的厂商更是寥寥无几。对于旗舰智能手机处理器这种既要第一时间用上先进制程工艺,还要具备5G和AI能力的芯片品类,设计门槛之高显而易见。

一方面,5G基带设计难度大,要与网络侧和终端侧保持良好互通,实现通信技术标准,在实验室和外场测试得到验证,还要向下兼容3G、4G;另一方面,先进制程让芯片能够集成更多元器件和相应功能,提升了芯片的集成度和复杂性,因此处理器设计的难度水涨船高,研发、设计工具升级、晶圆购买等各项的支出也直线上升。

“随着制程的提升,手机处理器投入的研发金额愈来愈大。巨额的研发资金需要大量产品来支撑,以分摊研发经费。而制程越小,代表晶体管密度越高,这加大了设计的难度。EDA工具的升级需要投入更多的研发经费,而晶圆代工厂方面所需要的研发经费与晶圆片的购买价格也会有所提升。”姚嘉洋表示。

对于芯片设计巨头来说,每一次制程的提升,都会带来新的挑战。

“制程越小,设计越难。因为后端的制程工艺升级了,前端的设计方法、设计工具都需要升级,模块库、后端库都不充实。到了设计阶段,不仅是设计一个主处理器,还需要AD(模拟-数字信号转换)/DA(数字-模拟信号转换)等周围IP的支持。设计出来之后,还有验证阶段。设计的芯片能否有效地控制功耗,能否正常运行,能否流片成功,这些都需要很长时间去验证。这个周期是漫长而复杂的。顶级的芯片设计厂商有技术、财力去抢先走这个流程,因此更容易抢得市场先机。”赛迪顾问高级分析师李秧向《中国电子报》表示。

研发门槛极高,且每隔一年或两年就要再啃一遍硬骨头,对于小米、OPPO等有心自研处理器的手机大厂来说,是一个不小的挑战。但手机大厂的应对策略也较为多元。小米通过“投资+自研”构建了半导体生态;OPPO通过成立芯片研发中心和半导体设计子公司以及自研并收购相关专利等方式,持续提升研发实力,目前已经具备了协处理器的设计能力。vivo则与三星合作研发处理器,Exynos1080、Exynos 980都是双方的合作成果。vivo方面表示,在共研Exynos 980的过程中,vivo投入了500多位专业研发工程师参与定制研发,联合解决了100多个硬件问题。可以说,这种基于终端用户数据帮助芯片厂商优化设计,并获得相对定制化且能够优先搭载首发的处理器,也是一种提升品控能力的方式,有助于手机企业加强品牌话语权,并持续积累研发经验。