學(xué)點(diǎn)歷史：以智能手機(jī)處理器為例聊聊半導(dǎo)體工藝

 最近看科技新聞，經(jīng)?？吹?0nm、7nm處理器工藝最新報(bào)道，14/16nm才經(jīng)歷了兩代產(chǎn)品的更替，不禁概嘆芯片制程的發(fā)展日新月異。一直以來的半導(dǎo)體行業(yè)，尤其是處理器的工藝制程和架構(gòu)都是技術(shù)宅所關(guān)心的內(nèi)容。其中，在工藝改進(jìn) 驍龍820比驍龍810提升了啥也有系統(tǒng)性地介紹過很多和芯片工藝制程相關(guān)的知識(shí)，但是當(dāng)時(shí)只是提到28nm、20nm這些概括性的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，其實(shí)同為28nm制程，不同芯片廠商之間會(huì)有不同的工藝分類，即使是同一家廠商，也會(huì)細(xì)分為高性能和低能耗的制造工藝，今天我們就來聊聊那些FinFET、3D FinFET、HPM等不明覺厲的行業(yè)術(shù)語。今天我們來看看HPM、HP、HPC+、HPC、HPL這些形似神不似的專業(yè)術(shù)語究竟有什么區(qū)別?

下文內(nèi)容和芯片制造業(yè)相關(guān)，所以先和各位讀者回顧一下三種不同的芯片廠商：IDM、Fabless、Foundry。IDM就是指Intel和三星這種擁有自己的晶圓廠，能夠一手包辦IC設(shè)計(jì)、芯片制造、芯片封裝、測(cè)試、投向消費(fèi)者市場(chǎng)五個(gè)環(huán)節(jié)的廠商。Fabless則是指有能力設(shè)計(jì)芯片架構(gòu)，但是卻沒有晶圓廠生產(chǎn)芯片，需要找代工廠代為生產(chǎn)的廠商，知名的有Qualcomm、蘋果和華為。代工廠(Foundry)則是大名鼎鼎的臺(tái)積電和GlobalFoundries。

預(yù)備知識(shí)聊完了，接著我們看看從55nm開始一直回顧到如今的14/16nm節(jié)點(diǎn)，看看都有哪些經(jīng)典的處理器工藝分類出現(xiàn)過。PS：由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工藝分類都比較多，所以下文以智能手機(jī)處理器為主。

55nm

在55nm節(jié)點(diǎn)，對(duì)智能手機(jī)而言，臺(tái)積電ULP(Ultra low power)工藝分類值得一說，在40/45nm和28nm，臺(tái)積電都有保留這種工藝分類。

采用55nm的ULP工藝，代表作有Nvidia顯卡中GPU核心：G200b和G92b

40/45nm

在40/45nm節(jié)點(diǎn)，臺(tái)積電三種比較常見工藝分類，分別為L(zhǎng)P(低耗電)、G(通用)和ULP(Ultra low power)。LP工藝我們放在下面28/32nm中一起講，因?yàn)樵摴に嚬?jié)點(diǎn)的處理器會(huì)多一點(diǎn)。

在工藝改進(jìn) 驍龍820比驍龍810提升了啥一文中我們已經(jīng)說過，臺(tái)積電在40/45nm工藝節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)生產(chǎn)出同一代兩種制程的芯片，這是比較特別的。

45nm代表處理器：驍龍S2和驍龍S3

40nm代表處理器：MT657x和Tegra2(全球首顆雙核手機(jī)處理器)、Tegra3(全球首顆四核手機(jī)處理器)

當(dāng)年發(fā)熱厲害的HTC One X被Tegra 3坑了

在45nm節(jié)點(diǎn)，還有Intel和三星處理器也是值得一提的，這兩家IDM巨頭廠商很少向外界公布每一代節(jié)點(diǎn)工藝分類，只是簡(jiǎn)單地統(tǒng)稱為HKMG，當(dāng)然HKMG也是一個(gè)可以展開來說的關(guān)鍵術(shù)語，下文會(huì)介紹。

Intel在45nm的代表有兩代不同架構(gòu)的PC處理器：Penryn和Nehalem，Penryn是Core架構(gòu)的工藝改進(jìn)版，Nehalem則是全新的架構(gòu)，這也是符合Tick-Tock定律的演進(jìn)。Nehalem架構(gòu)進(jìn)一步對(duì)Core Microarchitecture進(jìn)行了擴(kuò)展，這一代架構(gòu)歷史低位相比Core架構(gòu)同樣重要，引入第三級(jí)緩存(L3 Cache)和QPI總線提高CPU整體工作效率，同時(shí)將內(nèi)存控制器(IMC)整合到CPU，提高CPU集成度，當(dāng)然還有重新回歸的超線程(多線程)技術(shù)，配合Intel歷史上首次出現(xiàn)四核心處理器，定位最高的i7處理器能夠?qū)崿F(xiàn)四核心八線程的運(yùn)算能力。

三星在45nm的代表作則有Exynos 3110、Exynos 4210、蘋果A4和蘋果A5/A5X。

一代經(jīng)典iPhone 4(蘋果A4處理器)

28/32nm

時(shí)間來到了移動(dòng)處理器(特指手機(jī)處理器)最為經(jīng)典的一代制程節(jié)點(diǎn)——28/32nm。主要是整個(gè)行業(yè)負(fù)責(zé)生產(chǎn)手機(jī)處理器的廠商停留在28nm節(jié)點(diǎn)的時(shí)間過長(zhǎng)，除了Intel在PC處理器上率先越過28/32nm節(jié)點(diǎn)，GlobalFoundries、三星、臺(tái)積電等廠商基本上都受制于技術(shù)瓶頸，將28/32nm工藝制程連用了幾代處理器。

GlobalFoundries由于縮寫為“GF”，所以被業(yè)界戲稱“女朋友”，“女朋友”和AMD一直走得比較近，加上和AMD曾經(jīng)有著血緣關(guān)系，導(dǎo)致如今主要客戶基本上都是AMD，在28/32nm節(jié)點(diǎn)上，“女朋友”一共出現(xiàn)了HPP、HP、SLP(都是28nm)和SHP(32nm)四種主要工藝分類。由于和手機(jī)處理器關(guān)系不大，這里不展開介紹了。

臺(tái)積電方面，在這一代制程節(jié)點(diǎn)，出現(xiàn)了HP和LP兩大類的工藝分類。

HP(High Performance)：主打高性能應(yīng)用范疇。

LP(Low Power)：主打低功耗應(yīng)用范疇。

為了滿足不同客戶需求，HP內(nèi)部再細(xì)分HPL、HPC、HPC+、HP和HPM五種分類，下面小編將它們的縮寫還原成全稱，看到全稱之后，讀者應(yīng)該不難理解它們的含義。

先來插入一條備注，在工藝制程領(lǐng)域，我們常常討論“漏電”一詞，簡(jiǎn)單來說，就是指伴隨著工藝制程提高，CPU集成更多的晶體管，二氧化硅絕緣層變得更薄，從而導(dǎo)致電流泄漏。

電流泄漏最大問題就是增加了芯片的功耗，為晶體管本身帶來額外的發(fā)熱量，還會(huì)導(dǎo)致電路錯(cuò)誤，CPU為了解決信號(hào)模糊問題，又不得不提高核心電壓，綜上所述，漏電率越低，對(duì)CPU整體性能表現(xiàn)和功耗控制更加有利。下面我們看看HP這五種工藝分類在性能和漏電上表現(xiàn)如何?

HPL(High-Perf Low-Leakage)：漏電率雖然低，但是性能上表現(xiàn)卻不高。當(dāng)年Nvidia的Tegra 4處理器，為了控制驚人的功耗和發(fā)熱，不得不使用HPL這種工藝分類，無奈最終還是壓制不住自身的發(fā)熱，被迫將主頻限制在比較低的運(yùn)行狀態(tài)，搭載了高頻版Tegra 4的Nvidia Shield掌機(jī)只能夠通過主動(dòng)散熱(內(nèi)部安裝風(fēng)扇)解決問題。

小米手機(jī)3率先開售的移動(dòng)版(采用Tegra 4處理器)

HP(High Performance)：雖然性能比較強(qiáng)，但是漏電率不低，僅限生產(chǎn)PC上處理器和顯卡中CPU/GPU等高性能部件，對(duì)于手機(jī)處理器并不適合。

HPM(High-Perf Mobile)：為了更好地優(yōu)化HP這種工藝，將其移植到手機(jī)處理器上，臺(tái)積電推出了HP工藝升級(jí)版——HPM，漏電率稍微比HPL高一點(diǎn)，但是性能上卻超越了HP，成為目前臺(tái)積電在28nm制程節(jié)點(diǎn)上最受歡迎的工藝分類。代表作有：驍龍800系列，主要是驍龍800、驍龍801和驍龍805，還有最新的驍龍600系列兩款新品——驍龍652和驍龍650。聯(lián)發(fā)科方面則有Helio X10、MT6752、MT6732、MT6592、MT6588經(jīng)典產(chǎn)品。華為P8上面的麒麟930和Nvidia的Tegra K1也是采用了HPM工藝分類。

華為P8(麒麟930)

上文提到的LP工藝分類，雖然在漏電率和性能上都不占優(yōu)勢(shì)，但是卻因?yàn)槌杀镜停页霈F(xiàn)時(shí)間比較早，技術(shù)比較成熟，所以驍龍400和驍龍600系列的中低端處理器都十分喜歡使用這種工藝分類，包括昔日的驍龍615、驍龍410，現(xiàn)在唱主角的驍龍616和驍龍617以及即將到來的驍龍425、驍龍430和驍龍435。聯(lián)發(fā)科方面也是，MT6753和MT6735這兩顆全網(wǎng)通的芯片采用了LP這種工藝打造。特別說明的是，它們倆的上一代產(chǎn)品MT6752和MT6732則是采用了HPM這種更高等級(jí)的工藝分類，不過不支持全網(wǎng)通。相比之下，上述提到的驍龍400和驍龍600系列處理器基本上已經(jīng)全面普及三網(wǎng)通吃。

HPC(High Performance Compact)和HPC+(High Performance Compact Plus)則是臺(tái)積電最近兩三年才興起的兩種新工藝，后者代表作為聯(lián)發(fā)科最新中端級(jí)別處理器Helio P10。 HPC+相比HPC在同等漏電率下性能提升15%，換句話說，在同等性能下功耗降低30-50%。

金立S8(Helio P10)

20/22nm

無論是PC還是手機(jī)處理器，這個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的芯片很快就退出了歷史舞臺(tái)，被14/16nm處理器搶占市場(chǎng)。PC領(lǐng)域的Intel雖然很早就量產(chǎn)了這個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理器，但是因?yàn)門ick-Tock定律的驅(qū)使，使用了兩代處理器(IvyBridge和Haswell)就開始進(jìn)入14/16nm時(shí)代。由于對(duì)手AMD的工藝制程(28/32nm)停滯不前，加上光刻技術(shù)并沒有取得重大突破，同時(shí)如今PC市場(chǎng)也并不需要換代換得那么頻繁，多方面因素作用下，最終讓Intel的“Tick-Tock”定律在14/16nm這一代節(jié)點(diǎn)上慢下來，更加襯托出20/22nm這一代產(chǎn)品持續(xù)時(shí)間并不長(zhǎng)。

手機(jī)處理器方面也一樣，20/22nm制程節(jié)點(diǎn)上，臺(tái)積電用了足足幾年時(shí)間才克服漏電率和產(chǎn)能的問題，直到如今還依然不能夠全面供貨給Nvidia、AMD、Qualcomm、聯(lián)發(fā)科這些昔日的合作伙伴，據(jù)外媒報(bào)道，臺(tái)積電對(duì)外宣傳指20nm的SoC并不適合用在PC領(lǐng)域的芯片上，所以顯卡領(lǐng)域才那么久沒有更新20nm制程，停留在28nm那么多年。事實(shí)是否如此?誰知道呢?Qualcomm和聯(lián)發(fā)科能夠用上20nm的處理器也屈指可數(shù)，驍龍810、驍龍808和命途多舛的Helio X20。外界也有聲音稱20nm的SoC漏電率一直很嚴(yán)重，導(dǎo)致Qualcomm和聯(lián)發(fā)科兩位客戶一直都不太滿意，但是蘋果A8和蘋果A8X很早就用上了臺(tái)積電20nm SoC工藝，也沒見iPhone 6和iPhone 6 Plus上面出現(xiàn)什么致命的功耗發(fā)熱問題，別有內(nèi)情吧，呵呵!

全球首款搭載驍龍808智能機(jī)——LG G4

三星在20/22nm上兩款經(jīng)典處理器為Exynos 5430和Exynos 7(7410)，也就是分別搭載在三星Galaxy Alpha和三星Note 4上面的兩顆處理器，三星也是從這個(gè)時(shí)候開始趕上臺(tái)積電和Intel，不久后和臺(tái)積電、Intel同時(shí)邁進(jìn)14/16nm工藝制程節(jié)點(diǎn)。

三星Note 4(Exynos 7系處理器)

值得一提的是，在20/22nm工藝節(jié)點(diǎn)上，Intel引入了3D FinFET這種技術(shù)，三星和臺(tái)積電在14/16nm節(jié)點(diǎn)上也大范圍用上了類似的FinFET技術(shù)。下面我們統(tǒng)稱為FinFET。

FinFET(Fin Field-Effect Transistor)根據(jù)百度百科定義，稱為鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種新的互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體(CMOS)晶體管。以前也和各位讀者介紹過，其實(shí)就是把芯片內(nèi)部平面的結(jié)構(gòu)變成了3D，降低漏電率同時(shí)又能夠增加晶體管空間利用率，當(dāng)然，實(shí)際情況比較復(fù)雜，這里不詳細(xì)展開了。

14/16nm

由于上文提到的歷史原因，20/22nm并沒有什么工藝分類，很快就被14/16nm取代了，臺(tái)積電采用了16nm，三星和Intel采用了14nm。

Intel的Broadwell、Skylake和Kaby Lake(將會(huì)延期上市)三代PC處理器架構(gòu)都采用了14nm工藝。

三星已經(jīng)發(fā)展了兩代14nm工藝，第一代就是用在Exynos 7420和蘋果A9上面的FinFET LPE(Low Power Early)，第二代則是用在Exynos 8890、驍龍820和發(fā)布不久的驍龍625上面的FinFET LPP(Low Power Plus)。

樂Max Pro(全球首款搭載驍龍820手機(jī))

臺(tái)積電經(jīng)歷了20/22nm的挫折之后，在16nm節(jié)點(diǎn)雄起，不知不覺發(fā)布了三種工藝分類，最早出現(xiàn)在蘋果A9上面的是第一代FinFET，接著就是麒麟950上面FF+(FinFET Plus)和近日發(fā)布的Helio P20上面搭載的FFC(FinFET Plus Compact)。

華為Mate 8(麒麟950)

至此，本文關(guān)于工藝分類的內(nèi)容已經(jīng)介紹完畢，接著解決一下上文的一些尾巴，簡(jiǎn)單補(bǔ)充說明一些術(shù)語。

HKMG和poly/SiON

HKMG全稱：金屬柵極+高介電常數(shù)絕緣層(High-k)柵結(jié)構(gòu)

poly/SiON全稱：多晶硅柵+氮氧化碳絕緣層的柵極結(jié)構(gòu)

我們可以簡(jiǎn)單地理解為HKMG技術(shù)更加先進(jìn)，而poly/SiON技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了很久，技術(shù)上相對(duì)落后。臺(tái)積電在40nm節(jié)點(diǎn)的G(通用)工藝分類上就是采用了這種柵極結(jié)構(gòu)。40nm和28nm節(jié)點(diǎn)下的LP工藝(主打低功耗)分類也是采用了這種柵極結(jié)構(gòu)。

上文提及臺(tái)積電目前處于28nm那些(5種)HP工藝(主打高性能)分類基本上全面普及了更為先進(jìn)的HKMG柵極結(jié)構(gòu)。

前柵極工藝和后柵極工藝

前柵極工藝和后柵極工藝，其實(shí)是制造HKMG柵極結(jié)構(gòu)的兩種分支工藝，前者由IBM做主導(dǎo)，三星和GlobalFoundries兩家廠商采用HKMG柵極結(jié)構(gòu)制造的芯片，一般都會(huì)選擇前柵極工藝。后者則由Intel主導(dǎo)，臺(tái)積電那些一大波的28nm工藝技術(shù)基本上都是這個(gè)分支。最簡(jiǎn)單區(qū)分就是，臺(tái)積電28nm節(jié)點(diǎn)的芯片分為HP和LP兩種不同的大類型，HP再細(xì)分其它小類型。HP(主打高性能)這個(gè)大類的芯片基本上都是采用后柵極工藝制造的HKMG柵極結(jié)構(gòu)，LP(主打低功耗)這個(gè)大類的芯片則是采用了前柵極工藝制造的HKMG柵極結(jié)構(gòu)。

前柵極工藝和后柵極工藝對(duì)應(yīng)工藝分類有哪些

那么兩種柵極工藝之間有什么區(qū)別呢?由于不是本文重點(diǎn)，為了節(jié)省篇幅，我們不去探究原理，只記住結(jié)論，擁有用后柵極工藝制造的HKMG柵極結(jié)構(gòu)的芯片，具有功耗更低和漏電更少的優(yōu)勢(shì)，從而讓高頻運(yùn)行狀態(tài)更加穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行一段時(shí)間后降頻這種現(xiàn)象。相比前柵極工藝無疑更加先進(jìn)，但是生產(chǎn)制造技術(shù)復(fù)雜、良品率又低，技術(shù)誕生初期很難做到大規(guī)模量產(chǎn)，還需要客戶廠商(例如聯(lián)發(fā)科、Qualcomm、蘋果、華為等)根據(jù)需求配合修改電路設(shè)計(jì)，所以前柵極工藝在早期更受IDM和Foundry歡迎，后來隨著Intel和臺(tái)積電工藝逐漸成熟，克服了后柵極工藝的種種問題之后，近幾年逐漸取代前柵極工藝成為HKMG柵極結(jié)構(gòu)的主要制造工藝。

總結(jié)：普通消費(fèi)者對(duì)手機(jī)產(chǎn)品本身比較感興趣，關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行速度，游戲卡不卡，程序兼容性，發(fā)熱和續(xù)航等淺層次用戶體驗(yàn)。

對(duì)數(shù)碼產(chǎn)品比較感興趣的用戶則會(huì)進(jìn)一步研究為什么系統(tǒng)運(yùn)行速度會(huì)慢，為什么我需要經(jīng)常重啟手機(jī)，為什么不清理后臺(tái)系統(tǒng)就會(huì)卡，為什么iOS用起來就是比Android流暢?

iOS依然是公認(rèn)的流暢性優(yōu)化得比較好的系統(tǒng)

而對(duì)科技的沉迷早已“病入膏肓”的技術(shù)宅來說，在得知處理器、RAM、ROM是影響系統(tǒng)運(yùn)行速度的三項(xiàng)關(guān)鍵要素之后，我們就會(huì)進(jìn)一步研究這三種硬件是如何配合，并共同發(fā)揮作用的。在研究期間，技術(shù)宅就會(huì)發(fā)現(xiàn)PC領(lǐng)域和手機(jī)領(lǐng)域很多知識(shí)是共同的，從而方便我們用以往學(xué)到的知識(shí)解釋手機(jī)處理器上的原理。

舉個(gè)例子，普通消費(fèi)者、數(shù)碼愛好者和技術(shù)宅一起來到售后服務(wù)中心，消費(fèi)者和客服經(jīng)理投訴這臺(tái)手機(jī)非常不好用，吵得面紅耳赤之際，來來去去就是吐槽系統(tǒng)卡、游戲載入慢、重啟次數(shù)多、經(jīng)常清后臺(tái)這些表層現(xiàn)象。

數(shù)碼愛好者就會(huì)分析其實(shí)和處理器、RAM和ROM這些參數(shù)有關(guān)，不說還好，聽完數(shù)碼愛好者的分析，消費(fèi)者吵得更厲害了，當(dāng)初買這臺(tái)手機(jī)的時(shí)候，宣傳參數(shù)上那豪華的真8核處理器，3GB RAM，64GB ROM都是假的?旗艦級(jí)別的配置就是這種表現(xiàn)?

數(shù)碼愛好者進(jìn)一步解釋真8核的定義，這種真8核和另外一款旗艦機(jī)的真8核是不同的，主要是架構(gòu)和工藝制程、工藝分類不同。好吧，數(shù)碼愛好者本以為能夠平息這場(chǎng)紛爭(zhēng)，誰知道消費(fèi)者還在糾結(jié)都是28nm，為什么HPM和LP工藝的處理器會(huì)有不同的表現(xiàn)?

技術(shù)宅是時(shí)候登場(chǎng)了，HPM和LP之間最重要區(qū)別就在性能和漏電率上，HPM在性能上更優(yōu)，漏電率也更低，LP則更適合中低端處理器使用，因?yàn)槌杀镜?。接著還會(huì)通過硬件監(jiān)控的App進(jìn)一步解釋類似問題，同樣是8核處理器，運(yùn)行大型游戲的時(shí)候，有的處理器受制于架構(gòu)、工藝制程、工藝分類落后，在玩得興高采烈之際突然降頻、關(guān)閉部分核心，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)自然就開始卡了。監(jiān)控軟件還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控其溫度變化，進(jìn)一步告知消費(fèi)者為什么手機(jī)會(huì)自動(dòng)重啟或者通過死機(jī)方式讓手機(jī)內(nèi)部溫度降下來。