解密数字游戏

郑子瑜

谁在影响性能体验

我们都知道，对手机SoC而言，决定其性能底蕴的就是CPU和GPU的架构。

比如ARM Cortex A76/A75就注定比Cortex A73/A72强，而Cortex A55就肯定比Cortex A53棒（图1）；GPU方面则是Mali-G72MP4（后缀的MP+“x”代表拥有多少个计算核心）优于MaliG71MP4，而Adreno 630也肯定要比Adreno 540强。问题来了，当手机处理器的CPU和GPU单元一定时，其能否发挥出80%、100%甚至120%的实力，就要看生产工艺是否匹配了（图2）。

有关工艺和架构之间“闹矛盾”的最典型案例，就要数2015年高通骁龙810和三星Exynos 7420这两款旗舰SoC之争了。这两颗SoC都基于当年最先进的四核Cortex A57+四核Cortex A53架构，只是高通采用台积电最成熟的20nm HPM工艺来设计骁龙810，而三星则使用自家最新的14nm FinFET工艺来研发Exynos 7420。

最终结果就是骁龙810“翻车”，20nm HPM工艺根本镇压不了Cortex A57架构的满负载运行，过热和降频问题，严重影响了当时搭载驍龙810旗舰手机的体验，坑苦了一大批合作伙伴。可以说，一款SoC，它选用的工艺越先进，往往意味着可以适当调高主频、降低发热量和功耗，从而不易降频，运行更强更稳定。

问题又来了，咱们怎么知道谁的工艺更强？

工艺决定战斗力

在PC领域，处理器之所以可以长时间紧跟“摩尔定律”的节奏，就是源于制程工艺层面的迭代更新，在手机SoC领域同样如此。以高通第一代10nm旗舰骁龙835为例，它在集成超过30亿个晶体管的情况下，芯片封装面积却比骁龙820（14nm）小了35%，性能大涨27%，而功耗反而还降低了40%！

ARM每一次更新Cortex A系列架构，往往也是伴随着制程工艺的更新节点。比如Cortex A57/A72对应16nm/14nm，Cortex A73/A75对应10nm，Cortex A76则是专为7nm/8nm定制。换句话说，想100%发挥Cortex A架构的性能，就必须搭配ARM推荐的制程工艺，否则就需要在主频或GPU规格上加以缩水才能确保稳定性和体验。

手机SoC制程以“纳米”（nm）为单位。从晶体管的结构图来看，电流从Source（源极）流入Drain（漏级），Gate（栅极）充当闸门的角色（图3）。其中，栅极的宽度决定了电流流经时的耗损，栅极越宽，漏电率越高，意味着更高的发热和功耗。而栅极的最小宽度（栅长），也就是我们说的“xx”nm工艺中的数值。

当制程工艺接近20nm时，栅极对电流的控制能力会急剧下降，从而出现严重的漏电问题。因此，英特尔从22nm开始，台积电和三星则分别从16nm和14nm开始，引入了FinFET技术（Fin FieldEffect Transistor，鳍式场效应晶体管），它将芯片内部从2D平面变成了3D（图4），把栅极形状改制从而增大接触面积，减少栅极宽度的同时降低漏电率，而晶体管空间利用率大大增加。

因此，无论是16nm、14nm、12nm还是10nm，在工艺数字的背后都会紧跟着FinFET，如16nm FinFET或10nm FinFET。未来，当制程工艺突破8nm大关时，FinFET技术也无法堵住漏电现象，此时就需要FD-SOI（全耗尽绝缘体硅）工艺、硅光子技术、3D堆叠技术等技术的帮忙了。

问题又来了，14nm就一定比16nm强吗？相同的10nm工艺之间有没有差异？

工艺数字不等同于性能

首先，工艺数字并不代表绝对的性能。2015年，iPhone 6s搭载的苹果A9处理器存在使用台积电16nm和三星14nm两种工艺制造的版本。理论上来讲，14nm比16nm领先2nm优势，所以应该是三星14nm版本的A9处理器更好吧？

答案却令人大跌眼镜。通过无数用户的反馈和测试，台积电代工的A9比三星代工的A9更好，续航更久。

英特尔的现身说法，更是引出了制程工艺缺乏统一标准的现状。英特尔每次都在遵循按前一代制程工艺缩小约0.7倍来对新制程节点命名，从90nm→65nm→45nm→32nm→22nm→14n m→10nm→7nm（图5），每一代制程节点都能在单位面积上容纳比前一代多一倍的晶体管。然而，竞争对手却不遵守这个“游戏规则”，人家从45nm一下跳到了28nm，然后就是20nm，再后就是全面领先英特尔。

如今台积电和三星早已普及10nm，今年年底就有望量产7nm，而英特尔量产7nm的时间节点则是2019年初。

但是，从英特尔的资料来看，哪怕是英特尔在2014年推出的第一代14nm工艺，都有着媲美竞争对手10nm的表现，伴随H系列八代酷睿处理器而来的14nm++工艺表现更好。同样的，英特尔第一代10nm工艺，也会具备媲美7nm工艺的表现（图6）。

换句话说，当工艺迈过某个门槛后，将其称为xx工艺，完全取决于晶圆厂自己的标准。比如进入20nm时代后，新工艺是叫16nm、14nm还是12nm？都可以！

来自工艺后缀的秘密

目前手机SoC厂商主要以高通骁龙、三星猎户座、海思麒麟和联发科曦力为主，而它们选择的代工厂不是台积电就是三星。因此，想了解手机SoC工艺哪家强，只要了解这两大代工厂的主流工艺即可。

细心的读者不难发现，当某款手机新SoC发布时，厂商总会格外突出其采用了第“X”代工艺（图7），而工艺的后面也会加上一组后缀，比如14nm LPE、10nm LPP等。

对台积电而言，目前最主流的工艺就是16nm，其至今已经进化了三代，分别为第一代16nm FinFET（16nm FF）、第二代 16nm FinFET Plus（16nm FF+）以及第三代16nm FinFET Compact（16nm FFC）。我们熟悉的麒麟950、950和659，就都是台积电第二代16nm FF+的客户，而联发科自2017年后推出的Helio P20/P30/P23，以及展讯SC9860则都升级到了台积电第三代16nm FFC（图8）。

实际上，台积电已经推出了第四代16nm工艺，只是它被改名为“12nm”，属于现有16nm工艺的第四代缩微改良版本。台积电改用全新名字的目的是反击三星等对手的14nm工艺优势，牢牢控制10nm到28nm之间的代工市场。目前，台积电的12nm已经被联发科Helio P60/P22以及高通骁龙439/429所猎装。

如今台积电最新的工艺为10nm FinFET，麒麟970和联发科Helio X30就是基于它设计的。由于台积电已经将全部精力放在了下一代7nm工艺身上，所以未来是否还会推出第二代的10nm FinFET Plus还存在不确定性。

对三星而言，目前最主流的工艺就是14nm，至今已衍化出四代，分别是第一代14nm Low Power Early（14nm LPE）、第二代14nm Low Power Plus（14nm LPP）、第三代14nm Low Power Compac（14nm LPC）、第四代14nm LPU。可惜，哪怕是最新上市的骁龙636和骁龙632，它们采用的也是14nm LPP，至于第三代和第四代14nm工艺，现在也是只闻其声未见其人。

三星目前最高端工艺为10nm，现已经拥有第一代10nm LPE、第二代10nm LPP和第三代10nm LPU。同样，无论是骁龙845、骁龙710还是麒麟710（暂不确定），它们用的还都是第二代10nm LPP，第三代10nm LPU也没被具体的芯片猎装。

不要小看相同工艺的优化升级哦，以三星14nm工艺为例，其第二代14nm LPP较第一代14nm LPE能在性能上提升14%（圖9），功耗方面反而还能降低15%。因此，采用最新工艺设计的SoC，往往才能获得更好看的跑分和续航数据。

最后，笔者汇总了时下高通、联发科和海思麒麟主流SoC的工艺和CPU/GPU架构表，仅供大家参考。