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深入分析5nm芯片

2021-5-17 09:37| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 44521| 评论: 0|原作者: Tekanarie|来自: 半导体行业观察

摘要: 苹果公司于2020年10月发布了新型智能手机“iPhone 12”系列,搭载的是采用5纳米工艺的全球首个名为“A14 BIONIC”芯片。苹果公司将“A14 BIONIC”芯片应用到了iPhone 12、新款“iPad Air”。2020年11月苹果公司又发 ...
苹果公司于2020年10月发布了新型智能手机“iPhone 12”系列,搭载的是采用5纳米工艺的全球较早的名为“A14 BIONIC”芯片。苹果公司将“A14 BIONIC”芯片应用到了iPhone 12、新款“iPad Air”。2020年11月苹果公司又发布了搭载“Apple Silicon M1(采用5纳米工艺)”的“MacBook Pro”、“MacBook Air”、“Mac mini”。苹果2020年秋季至冬季的新品都搭载了采用尖端5纳米工艺的处理器。

同一时期,中国的华为/海思也发布了搭载5纳米“Kirin 9000”的尖端智能手机---“Mate 40 Pro”。

截止到2020年年末时间点,发布搭载5纳米处理器的智能手机的厂家仅有苹果和华为两家公司,其处理器都是台湾TSMC生产的。就这样,TSMC率先开启了5纳米时代。

三星连续发布数款采用5纳米工艺的产品
2021年初,Samsung Electronics(以下简称为“三星”)为了追赶TSMC,连续发布了数款搭载5纳米工艺处理的产品。下面进行详细解说。

下图1是中国小米发布的高端智能手机“Mi 11”的分解图片。拆下背面盖板和主板后,放大的处理器照片。处理器采取叠层封装技术(Package On Package,POP),上部封装为DRAM,下部封装为处理器。

图1:2021年1月发售的小米“Mi 11”。(图片出自:Technology Analyze Everything)

“Mi 11”在摄像头上也十分出色,搭载108M(1亿800万)像素的CMOS图像处理器。DRAM为8GB的LPDDR5,处理器为美国高通的“Snapdragon 888”。也有12GB的DRAM,但此次分解的为8GB产品。

下图2为2021年1月发布并开始销售的三星的高端智能手机“Galaxy S21 Ultra 5G”,下图2为拆下盖板后,放大了主板和处理器部分的图片。

图2:2021年1月三星发布的高端智能手机“Galaxy S21 Ultra 5G”。(图片出自:Technology Analyze Everything)

处理器与图1中小米的“Mi 11”一样,都是高通的“Snapdragon 888”,但DRAM为12GB的LPDDR5。摄像头与小米一样为108M像素的CMOS图像传感器,且为四眼摄像头。

与小米“Mi 11”较大的差异是三星的基板为两层,即小米采用了一封基板,三星采用了两层基板。

第一层为用于通信的收发器(Transiver)、功率放大器(Power Amplifier),第二层为处理器、存储器。就高端智能手机而言,苹果和华为都采用的是两层基板结构。而且三星的5G手机都是两层基板构造。“Mi 11”虽然也是高端机型,却采用了单层基板。此外,小米的基板在降噪方面做了很大努力(本文不做详细说明)。

历代“Galaxy”上搭载的“Exynos”系列
图3与图2 一样,是三星于2021年1月发布并发售的中高端机型“Galaxy S21 5G”的分解图。图3为取下背面盖板、无线充电线圈、主板后,放大后的处理器图片。处理器与以上两种不同,而是三星自己生产的高端处理器-—“Exynos 2100”。

图3:2021年1月三星发布的“Galaxy S21 5G”。(图片出自:Technology Analyze Everything)

“Exynos 2100”是三星于2010年自主研发的处理器,被应用于各款Galaxy手机。图3中虽然是被应用于中高端机型,但也有应用于高端机型的情况。其关系并不是高通>三星,而是Snapdragon 888 = Exynos 2100。就搭载了“Exynos 2100”的机型而言,在“Galaxy S21”中,有8GB LPDDR5,也有12GB版本。Galaxy S21和Galaxy S21 Ultra都是双层基板结构。就Galaxy S21的摄像头像素而言,比以上两款稍差一些,为64M。

三星将Exynos和Snapdragon分开使用
下表1是图1到图3的汇总图。小米为一层板,三星的两款机型都是双层板,就摄像头而言,高端机型为108M像素,中端机型为64M像素,虽然DRAM都采用了LPDDR5,但是容量分别为8GB和12GB。处理器也分为高通的Snapdragon 888和三星的Exynos 2100。虽然本文不会涉及过多,三星也对外发售了处理器“Exynos 1080”,其性能略逊于Exynos 2100。

表1:三种机型所搭载的处理器和存储器的对比。(表格出自:Technology Analyze Everything)

Exynos 1080已经被中国的智能手机所采用。

下表2比较了三星的“Exynos 2100”和高通的“Snapdragon 888”,Technology Analyze Everything株式会社分别对两款芯片进行了拆解和分析,芯片面积的测量较精确到0.01mm(本文不涉及具体数值)。

表2:三星的“Exynos 2100”和高通的“Snapdragon 888”的比较图。(表格出自:Technology Analyze Everything)

两款芯片都是由三星的5纳米制程制造的。苹果和华为的芯片由TSMC制造,而高通和三星这两家强势企业使用的是三星的5纳米制程。

两种芯片的规格极其类似。将高、中、低三个阶层的CPU设计为八核(高规格为1核、中规格为3核、低规格为四核),也将5G模式汇集于此。5G模式的顶峰速度几乎相等。此外,AI加速计算性能为26TOPS,几乎相等。GPU和DSP虽然不一样,但是性能几乎同等。

比较Snapdragon和Exynos的面积
下图4是过往七年内高通的Snapdragon 和三星的 Exynos的面积比较图。Snapdragon(表示为SD)为蓝色,Exynos(表示为E)为橙色。

图4:过去七年内Snapdragon和Exynos的面积比较图。(图片出自:Technology Analyze Everything)

高通和三星不一定在同一年份使用同一款处理器。最左边的“Snapdragon 810”采用的是20纳米工艺,同年的“Exynos 7420”为14纳米。由于制造工艺不同,因此面积也不同,“Snapdragon 810”的面积是“Exynos 7420”的1.7倍。

对于一直致力于尖端规格的高通而言,这种差异是一大打击。如果使工艺微缩化,就可以下调电压,从而缩小芯片面积,最终也更易于降低功耗。由于选择了20纳米工艺,因此在各方面都落后于同年使用了14纳米的三星。

后来,高通一直在坚持制作比“Exynos”面积小的芯片。并不是降低性能,而是进一步强化封装、软件和硬件的协调性设计。

2021年三星推出了采用5纳米工艺的大型处理器。与TSMC一样,其5纳米工艺的主要用途是手机。有不少读者向Technology Analyze Everything 株式会社询问:TSMC和三星,谁更出色?谁的速度更快?谁更小型化?

比较TSMC的5纳米芯片和三星的5纳米芯片
下图5是比较了用TSMC的5纳米工艺制造的华为/海思的Kirin9000和三星5纳米工艺制造的“Exynos 2100”。我们的测量单位还是较精确到0.01mm。

图5:TSMC的5纳米工艺制造的华为/海思的Kirin9000 和三星5纳米工艺制造的“Exynos 2100”的比较图。(图片出自:Technology Analyze Everything)

一般情况下,很难比较两种同样的产品。但是,两款处理器都搭载了同样规格的运算器。且GPU都是Arm “Mali G78”。三星为14核,海思为24核,核数不一样,但是“核”的单位是一样的。

也可以计算出采用TSMC  5纳米工艺制造的芯片的面积与三星5纳米工艺制造的芯片面积之差。同样,CPU核都搭载了4核的Arm“Cortex-A55”,因此,可以计算出A55的单个核的差。就周波数性能、面积差异等而言,Technology Analyze Everything株式会社已经在别处公布。

2021年还会相继发布采用5纳米工艺、6纳米工艺的产品,未来Technology Analyze Everything株式会社还会继续拆解芯片,比较各家公司的产品差异。

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