SuVolta:迎接SoC技術(shù)時代來臨 - 全文

硅電晶體仍然是智慧型手機(jī)和平板電腦等后PC時代產(chǎn)品的核心。然而，對于這些行動消費(fèi)產(chǎn)品來說，電晶體是否成功的衡量指標(biāo)與過去已經(jīng)有很大的區(qū)別。頻率（時脈速度）是PC時代的重要指標(biāo)，中央處理單元（CPU）則是幾十年來推動半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的主要晶片。外形尺寸在過去幾乎沒什么影響力，也沒有太多動力針對晶片（SoC）或封裝（SiP）整合系統(tǒng)級功能。

而今，針對某一特定功能的外形尺寸、成本和功耗已經(jīng)是行動市場中的重要驅(qū)動因素，從而也提高了晶片上整合功能性硬體（如電源管理、運(yùn)算、音視訊、繪圖、GPS和收音機(jī)）的重要性。這種從主要以性能為中心的晶片轉(zhuǎn)向以功耗受限的晶片，以及對降低成本和提高系統(tǒng)級整合度的高度關(guān)注正動搖著傳統(tǒng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。無晶圓廠供應(yīng)商和代工企業(yè)使用SoC技術(shù)已經(jīng)有十多年時間了，直到后PC時代行動產(chǎn)品的飛速普及才使得這種技術(shù)終于發(fā)揮全部潛力。在最近5年來，SoC技術(shù)已經(jīng)從智慧手機(jī)的核心發(fā)展為實現(xiàn)平板電腦和超輕薄筆電（ultrabook）等全功能行動電腦的核心。

后PC時代

隨著智慧型手機(jī)和平板電腦的發(fā)明，電腦運(yùn)算模式已經(jīng)產(chǎn)生了根本變化，完整的用戶體驗成為獨(dú)立于基礎(chǔ)技術(shù)原始性能的重要基準(zhǔn)。蘋果的iPhone和iPad正是這種模式轉(zhuǎn)型的最佳例子。這兩種設(shè)備都提供了令人高度滿意的用戶體驗──并非因為它們能夠以最先進(jìn)的晶片提供最快的運(yùn)算速度，而是由于能以合理的運(yùn)算速度與價位實現(xiàn)豐富的功能。

表1：基于SoC（Nvidia）和CPU（英特爾）的微軟Surface平板電腦比較。采用SoC的平板電腦更利于行動使用，而採用CPU的平板電腦在作為行動設(shè)備使用時的可攜性較差。（來源：微軟Surface網(wǎng)站）。

這些設(shè)備的功能共同增強(qiáng)了用戶體驗──卓越的繪圖渲染、無線連接、快速開機(jī)、保持連線的待機(jī)狀態(tài)、更長電池壽命和觸控式屏幕應(yīng)用。它們也許無法提供最快的原始電腦性能，但可讓一般用戶感覺速度很快，并提供了優(yōu)質(zhì)的用戶體驗。iPad代表種類廣泛的后PC產(chǎn)品先驅(qū)。像華碩的Transformer、微軟的Surface、Google的Nexus、蘋果的MacBook Air和英特爾（Intel）的Ultrabook等諸多創(chuàng)新產(chǎn)品也重新定義了行動時代的電腦運(yùn)算模式。

諸如iPad等后PC早期產(chǎn)品的成功關(guān)鍵是，這些產(chǎn)品是全新設(shè)計的，完全不受傳統(tǒng)PC時代的軟體或硬體影響。傳統(tǒng)硅晶硬體技術(shù)的創(chuàng)新可能必須使用大量邏輯電晶體的更高性能獨(dú)立式處理器（CPU）以及更復(fù)雜的軟體層來使用巨大的記憶體容量。而iPad等新產(chǎn)品使用功耗極度受限的硬體和非常精益的軟體來完成特殊任務(wù)（如用視訊解碼器驅(qū)動顯示器）。為了實現(xiàn)行動領(lǐng)域要求的高功效系統(tǒng)，盡可能轉(zhuǎn)移最多的負(fù)載到硬體并同時使用精簡的軟體就顯得非常重要。直接將傳統(tǒng)PC硬體和軟體硬塞進(jìn)新的外形結(jié)構(gòu)中無法實現(xiàn)高功效，也不會帶來卓越的用戶體驗。

平板電腦和智慧手機(jī)的興起并不會完全取代傳統(tǒng)PC。在可預(yù)見的未來，PC仍將在每個桌面找到發(fā)揮空間，伺服器陣列也會在資料中心持續(xù)用于運(yùn)算密集型應(yīng)用。當(dāng)然，徵諸以往的歷史發(fā)展，我們可以預(yù)期傳統(tǒng)PC中的CPU半導(dǎo)體技術(shù)最終可能被智慧型手機(jī)的突破性SoC技術(shù)取代，或至少發(fā)生徹底改變。過去幾年來，SoC技術(shù)的快速發(fā)展對這一假設(shè)提供了有力的佐證。

回顧歷史演進(jìn)

從1980年代末至1990年代初出現(xiàn)獨(dú)立代工廠以來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)被劃分為叁大實體──整合設(shè)備制造商（IDM，如英特爾、2009年前的AMD和叁星），無晶圓廠公司（fabless，如蘋果、高通、博通、Nvidia），以及為fabless生產(chǎn)晶片的晶圓代工廠（如臺積電、聯(lián)電、叁星與GlobalFoundries）。

從歷史上看，英特爾和AMD專注于生產(chǎn)基于CPU的晶片（如Core和Athlon），而Nvidia致力于為PC和伺服器市場生產(chǎn)獨(dú)立的繪圖晶片（GPU）。在這個領(lǐng)域中的所有其它公司都采用某種形式的晶片系統(tǒng)整合（SoC）來滿足各自市場的不同需求。

SoC的一般定義是將各種功能硬體模組整合在晶片上，以滿足特定的產(chǎn)品應(yīng)用要求。最簡單的SoC可能整合一些混合訊號和數(shù)位電路的基本連接晶片。較復(fù)雜的SoC可能在晶片上整合了應(yīng)用處理器單元（APU）和GPU。功能更強(qiáng)的SoC進(jìn)一步整合各種其它硬體模組（如GPU、音視訊解碼器和數(shù)據(jù)機(jī)）。隨著這種不斷在晶片上整合各種功能的能力增加，使得SoC技術(shù)得以快速發(fā)展，從支援簡單的功能手機(jī)、智慧型手機(jī)直到平板電腦。

伴隨著行動電話和網(wǎng)際網(wǎng)路的出現(xiàn)，高通（Qualcomm）最早開始為成長中的連網(wǎng)市場設(shè)計晶片，而Nvidia最早作為GPU製造商出現(xiàn)在市玚上。隨著時間的推移，這些公司都對不斷演進(jìn)的技術(shù)趨勢作出了積極回應(yīng)，并在其晶片中實現(xiàn)越來越高的功能整合度，也為其帶來了成功。高通透過增加應(yīng)用處理器（由ARM授權(quán)取得Krait）、GPU（收購AMD Imageon取得Adreno）和電源管理單元，從獨(dú)立的連接晶片發(fā)展出豐富的產(chǎn)品線。高通的旗艦產(chǎn)品 Snapdragon系列現(xiàn)在包含所有這些模組，是一款功能非常強(qiáng)大的行動SoC產(chǎn)品。

同樣地，Nvidia從獨(dú)立的GPU制造商開始發(fā)展，其間不斷增加應(yīng)用核心（透過ARM授權(quán)）和連接模組（透過收購Icera）。Nvidia現(xiàn)在提供高度整合的行動SoC（Tegra系列）已被用于多種平板電腦中。就在幾年前，未曾涉足行動晶片設(shè)計業(yè)務(wù)的蘋果公司開始使用應(yīng)用處理器（透過ARM授權(quán)）和GPU（透過Imagination Technologies授權(quán)）設(shè)計自己的SoC晶片（A系列）。叁星也收購了各種SoC建構(gòu)模組，甚至更早就將這一趨勢擴(kuò)展到伺服器晶片。

業(yè)界的整并趨勢象徵SoC影響力的不斷增強(qiáng)。蘋果收購PA-Semi，使其能自行設(shè)計自家的應(yīng)用處理器。高通最近收購了Atheros以強(qiáng)化其無線連接套件，并收購Summit Technology，意在增強(qiáng)其電源管理能力。Nvidia收購Icera是為了增強(qiáng)其連接產(chǎn)品，英特爾也收購英飛凌無線部門期望獲得進(jìn)軍基頻連接市場的入場券。這些收購都指向一個整併中的市場，其中只有少數(shù)幾家強(qiáng)大的公司能擁有所有的功能模組，從而可在不斷成長中的行動市場作好激烈競爭的準(zhǔn)備。

智慧型手機(jī)為SoC技術(shù)展現(xiàn)無窮潛力，并為SoC得以抗衡CPU提供了首款最重要的平臺。晶片整合為智慧型手機(jī)帶來的價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過獨(dú)立的桌上型電腦。使用專用功能模組比使用通用處理核心具有更多的優(yōu)勢──這些模組可工作在更低的頻率，同時提供更高的系統(tǒng)級性能，而消耗的系統(tǒng)級功耗卻更低。

另外，透過將更多的功能轉(zhuǎn)移到硬體上實現(xiàn)，SoC可支援精簡軟體，因而實現(xiàn)更低的系統(tǒng)級功耗。使用專用核心可使智慧手機(jī)只執(zhí)行用于特定任務(wù)的特定模組，而通用核心必須一直工作，與執(zhí)行的任務(wù)無關(guān)。因此與獨(dú)立CPU相較，SoC更適合行動設(shè)備應(yīng)用。

早期的SoC技術(shù)可讓代工生態(tài)系統(tǒng)公司擁有比英特爾等老牌公司更大的優(yōu)勢，而這種技術(shù)也廣泛受益于智慧型手機(jī)出貨量的快速成長。在第一個五年（直到2012年），英特爾根本無法進(jìn)入智慧型手機(jī)市場。iPad的推出和隨后平板電腦市場的成長更進(jìn)一步鞏固了這一趨勢。

進(jìn)步神速是SoC爆發(fā)性潛能的一種最佳指標(biāo)，這不僅反映在功能性和出貨量，也表現(xiàn)在所支援的強(qiáng)韌設(shè)計與軟體生態(tài)系統(tǒng)普及上。近五年來，SoC技術(shù)從支援功能手機(jī)的基本運(yùn)算/連網(wǎng)功能迅速發(fā)展成為所有智慧型手機(jī)和早期ultrabook的核心，可支援范圍廣泛的功能，包括音視訊、游戲、通訊和生產(chǎn)等。

沖突的發(fā)生

早期的跡象顯示，SoC與CPU存在明顯的沖突。微軟的Surface平板電腦突顯出OEM廠商在在決定處理器架構(gòu)時擁有更多的選擇。這款平板電腦將做成兩種版本──其一使用基于ARM的SoC處理器（Nvidia Tegra 3），另一版本使用基于英特爾x86 CPU（Ivy Bridge）。表1對這兩種版本的相關(guān)規(guī)格作了比較，圖1顯示兩種晶片及其架構(gòu)圖。從中可明顯看出，基于SoC的設(shè)計更能有效適應(yīng)超行動裝置用戶對于外形尺寸的要求──重量輕和電池壽命長比塬始性能高顯得更有價值。

圖1：由核心/繪圖主導(dǎo)的典型CPU設(shè)計（英特爾Ivy Bridge）與高度整合的SoC（Nvidia Tegra）的比較。這種整合的SoC設(shè)計在平板電腦和ultrabook架構(gòu)中具有明顯的優(yōu)勢（來源：英特爾/Nvidia網(wǎng)站）。

基于CPU的設(shè)計需要依賴更多晶片實現(xiàn)必要的硬體整合，不僅會消耗更多功率，而且導(dǎo)致最終產(chǎn)品更重30%也更厚40%。有趣的是，基于Nvidia SoC的設(shè)計採用落后的40nm微影制程，而基于英特爾CPU的設(shè)計使用的是領(lǐng)先兩代的22nm微影製程。當(dāng)SoC公司轉(zhuǎn)向使用高k值/金屬閘電晶體的28nm技術(shù)時，上述比較將更值得玩味。Surface平板電腦將成為重要的比較標(biāo)準(zhǔn)，因為它在功能方面和成本方面都能提供目前/領(lǐng)先CPU與突破性/邊緣性SoC之間的直接比較。

SoC獨(dú)特的成本結(jié)構(gòu)具有突破半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)模式的潛力。Nvidia Tegra SoC的平均售價（ASP）在20美元左右，而處于技術(shù)前端的英特爾IvyBridge CPU晶片ASP則在150美元范圍。CPU晶片還需要其它晶片的支持才能提供單一SoC就能提供的功能。在OEM廠商進(jìn)行價格競爭時，CPU產(chǎn)品將難以保持既有的高利潤率。隨著SoC更臻于完善并持續(xù)蠶食ultrabook和筆記型電腦市場時，成本差異將造成更大的影響。低成本、低階技術(shù)SoC不斷上升的影響力以及蠶食高成本、高階技術(shù)CPU利潤率的潛力是Andy Grove提出零細(xì)分市場現(xiàn)象的最佳例子。

Nvidia Tegra 3 SoC和英特爾的Ivy Bridge CPU都是業(yè)界最佳產(chǎn)品──分別具備不同的外形尺寸、成本和價值取向。雖然可預(yù)期低利潤率的SoC能夠服務(wù)于高階筆記型電腦市場，但高利潤率CPU似乎不可能反過來服務(wù)于低階行動市場。

長期以來位居市場龍頭地位的CPU巨擘──英特爾對于這種日益成長的零細(xì)分市場威脅的反應(yīng)不應(yīng)被低估。英特爾可望解決這種威脅，并採取措施彌補(bǔ)失去的時間，贏取更多的行動市場佔有率。今年稍早，英特爾發(fā)佈了Medfield──劍指智慧型手機(jī)市場的首款SoC處理器。英特爾還發(fā)佈了首款手機(jī)參考設(shè)計，可協(xié)助OEM在英特爾技術(shù)基礎(chǔ)上快速整合智慧型手機(jī)產(chǎn)品。

32nm Medfield處理器可望被更先進(jìn)的22nm處理器（Merrifield）所取代，后者將采用雙核心的Atom CPU以實現(xiàn)更低的功耗。即使是英特爾的旗艦CPU產(chǎn)品也可看到更高的晶片整合度。英特爾在從32nm Sandy Bridge過渡到更先進(jìn)的22nm Ivy Bridge晶片時，GPU模組的成長就更顯著（增加了4億個電晶體），如圖1所示。

英特爾持續(xù)在CPU製程技術(shù)方面領(lǐng)先業(yè)界，其技術(shù)正處于摩爾定律的最前端。然而，架構(gòu)方面的根本性改變（如Tri-Gate）也許會減緩晶片上功能的整合速度。盡管2011年從英飛凌公司收購了基頻技術(shù)，但英特爾何時能在Atom核心上以Tri-Gate電晶體整合SoC技術(shù)還不清楚。英特爾的SoC產(chǎn)品供應(yīng)一般都比主流CPU落后1至2年。但這個差距可望逐漸縮小，因為英特爾正努力滿足對于晶片整合的日益成長需求，并致力于解決來自低階產(chǎn)品供應(yīng)的更多威脅──這些低階產(chǎn)品在高階領(lǐng)域正迅速變得更有競爭力且更具成本效益。

持續(xù)邁向融合

目前的十年內(nèi)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)演進(jìn)過程中的策略調(diào)整時期──接下來的五年可能見到多種技術(shù)和市場力量的匯聚，而對產(chǎn)業(yè)發(fā)展軌跡產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。這些軌跡包括：

軌跡一：SoC功能整合的優(yōu)勢可望加以延續(xù)，使SoC變得更復(fù)雜且強(qiáng)大。同時隨著從40nm微影製程到更先進(jìn)幾何尺寸的轉(zhuǎn)移，SoC還將變得功耗更低、尺寸更小。高通、Nvidia和蘋果在經(jīng)過各自旗艦SoC（Snapdragon、Tegra和AX）的持續(xù)改進(jìn)后都展現(xiàn)穩(wěn)定的性能提升。由于每家公司都試圖在各自的晶片中整合更多的功能以贏得新的行動產(chǎn)品設(shè)計，這些公司之間的競爭將日趨白熱化。SoC的優(yōu)勢將迫使傳統(tǒng)IDM成本結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)模式作出根本性的變革。

軌跡二：平板電腦和智慧型手機(jī)的GPU使用模式優(yōu)勢顯示，GPU已經(jīng)成為Tegra、Snapdragon和A5X等SoC中使用率最高的模組。由于GPU是最大的模組，而且要消耗晶片上最大的功耗，因此以最佳化GPU性能和功耗為目的設(shè)計硅電晶體具有重要意義。設(shè)計公司和代工廠可能使GPU成為電晶體設(shè)計與制造的中心元件──歷史上包括GPU在內(nèi)的所有模組都必須適應(yīng)最初為CPU設(shè)計電晶體。圖2顯示在兩年時間內(nèi)陸續(xù)發(fā)佈的叁代蘋果A系列處理器，從中可見證SoC的快速發(fā)展和GPU越來越重要的作用。在A5X處理器上的GPU幾乎佔一半的晶片面積。

圖2：在僅僅兩年內(nèi)，蘋果SoC上的GPU尺寸顯著增加，幾乎占最新晶片的一半面積。在Snapdragon和Tegra處理器中也存在同樣的趨勢（來源：Chipworks）。

軌跡叁：來自電晶體微縮的收益遞減。隨著收益遞減規(guī)律最終跟上摩爾定律，業(yè)界在微縮電晶體幾何尺寸方面幾乎沒有經(jīng)濟(jì)上的動力可言。處于摩爾定律前端的公司也許能夠在高利潤的市場（伺服器和資料中心）中有力競爭，但終究會發(fā)現(xiàn)很難在低利潤的消費(fèi)市場中為產(chǎn)品訂出具競爭力的價格。而設(shè)計公司可能會發(fā)現(xiàn)垂直微縮將更加經(jīng)濟(jì)（如利用2.5D和3D整合技術(shù)增加更多功能并降低每層功耗）。

軌跡四：加速產(chǎn)品生命週期。平板電腦和智慧手機(jī)產(chǎn)品每年都在升級換代──這比以前的PC更新周期快得多。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)需要調(diào)整其技術(shù)開發(fā)周期才能跟得上行動產(chǎn)品的生命周期。不可能每年都縮小電晶體尺寸，而將更高階功能快速整合于現(xiàn)有尺寸架構(gòu)中將更為可行。

軌跡五：降低行動消費(fèi)產(chǎn)品的平均售價。隨著Google和叁星等公司以iPad一半的價格提供平板電腦，行動市場的價格戰(zhàn)已悄然展開。隨著fabless供應(yīng)商開始從下而上競爭高階筆記型電腦和uktrabook市場，他們將以極具競爭力的產(chǎn)品價格為英特爾等公司帶來巨大的競爭壓力。

軌跡六：行動SoC出貨量的成長。據(jù)Gartner公司預(yù)測，到2015年智慧手機(jī)和平板電腦的總出貨量將超過5億臺。以這種速率來看，在今后幾年內(nèi)行動SoC的出貨量將很快就會超過CPU。

在今后五年內(nèi)所有這些軌跡的交互影響，可能將SoC技術(shù)置于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的中心。諸如蘋果、高通、Nvidia和叁星等晶片公司已經(jīng)為這種情形作好了充分準(zhǔn)備，并將繼續(xù)增強(qiáng)各自產(chǎn)品的功能。包括ARM和Imagination等IP供應(yīng)商也會廣泛受益。代工廠將善加利用這個趨勢，并受益于電晶體設(shè)計重心從以CPU為主到以GPU為中心的轉(zhuǎn)變。英特爾將繼續(xù)在行動市場競爭中面臨日益強(qiáng)大的壓力，英特爾的產(chǎn)品組合也將反應(yīng)出持續(xù)整合更多晶片功能的發(fā)展趨勢。更重要的是，英特爾將被迫在ultrabook和PC市場中與SoC技術(shù)展開競爭，除了技術(shù)以外，英特爾也將被迫在業(yè)務(wù)模式上作出必要的改變。

如果這些趨勢繼續(xù)進(jìn)展，SoC晶片將能取代高階筆記型電腦中的獨(dú)立CPU晶片。在今后幾年內(nèi)，隨著吸引更多業(yè)界青睞并發(fā)揮SoC的所有爆發(fā)式潛能，獨(dú)立CPU和SoC之間的界限也將變得模煳。