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深入剖析5nm芯片

lC49_半導(dǎo)體 ? 來(lái)源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察 ? 作者:半導(dǎo)體行業(yè)觀察 ? 2021-05-29 16:34 ? 次閱讀

蘋(píng)果公司于2020年10月發(fā)布了新型智能手機(jī)iPhone 12”系列,搭載的是采用5納米工藝的全球首個(gè)名為“A14 BIONIC芯片。蘋(píng)果公司將“A14 BIONIC”芯片應(yīng)用到了iPhone 12、新款“iPad Air”。

2020年11月蘋(píng)果公司又發(fā)布了搭載“Apple Silicon M1(采用5納米工藝)”的“MacBook Pro”、“MacBook Air”、“Mac mini”。蘋(píng)果2020年秋季至冬季的新品都搭載了采用尖端5納米工藝的處理器。

同一時(shí)期,中國(guó)的華為/海思也發(fā)布了搭載5納米“Kirin 9000”的尖端智能手機(jī)---“Mate 40 Pro”。

截止到2020年年末時(shí)間點(diǎn),發(fā)布搭載5納米處理器的智能手機(jī)的廠家僅有蘋(píng)果和華為兩家公司,其處理器都是臺(tái)灣TSMC生產(chǎn)的。就這樣,TSMC率先開(kāi)啟了5納米時(shí)代。

三星連續(xù)發(fā)布數(shù)款采用5納米工藝的產(chǎn)品

2021年初,Samsung Electronics(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“三星”)為了追趕TSMC,連續(xù)發(fā)布了數(shù)款搭載5納米工藝處理的產(chǎn)品。下面進(jìn)行詳細(xì)解說(shuō)。

下圖1是中國(guó)小米發(fā)布的高端智能手機(jī)“Mi 11”的分解圖片。拆下背面蓋板和主板后,放大的處理器照片。處理器采取疊層封裝技術(shù)(Package On Package,POP),上部封裝為DRAM,下部封裝為處理器。

圖1:2021年1月發(fā)售的小米“Mi 11”。(圖片出自:Technology Analyze Everything)

“Mi 11”在攝像頭上也十分出色,搭載108M(1億800萬(wàn))像素的CMOS圖像處理器。DRAM為8GB的LPDDR5,處理器為美國(guó)高通最新“Snapdragon 888”。也有12GB的DRAM,但此次分解的為8GB產(chǎn)品。

下圖2為2021年1月發(fā)布并開(kāi)始銷(xiāo)售的三星的高端智能手機(jī)“Galaxy S21 Ultra 5G”,下圖2為拆下蓋板后,放大了主板和處理器部分的圖片。

圖2:2021年1月三星發(fā)布的高端智能手機(jī)“Galaxy S21 Ultra 5G”。(圖片出自:Technology Analyze Everything)

處理器與圖1中小米的“Mi 11”一樣,都是高通的“Snapdragon 888”,但DRAM為12GB的LPDDR5。攝像頭與小米一樣為108M像素的CMOS圖像傳感器,且為四眼攝像頭。

與小米“Mi 11”最大的差異是三星的基板為兩層,即小米采用了一封基板,三星采用了兩層基板。

第一層為用于通信收發(fā)器(Transiver)、功率放大器(Power Amplifier),第二層為處理器、存儲(chǔ)器。就高端智能手機(jī)而言,蘋(píng)果和華為都采用的是兩層基板結(jié)構(gòu)。而且三星的5G手機(jī)都是兩層基板構(gòu)造。“Mi 11”雖然也是高端機(jī)型,卻采用了單層基板。此外,小米的基板在降噪方面做了很大努力(本文不做詳細(xì)說(shuō)明)。

歷代“Galaxy”上搭載的“Exynos”系列

圖3與圖2 一樣,是三星于2021年1月發(fā)布并發(fā)售的中高端機(jī)型“Galaxy S21 5G”的分解圖。圖3為取下背面蓋板、無(wú)線充電線圈、主板后,放大后的處理器圖片。處理器與以上兩種不同,而是三星自己生產(chǎn)的高端處理器-—“Exynos 2100”。

圖3:2021年1月三星發(fā)布的“Galaxy S21 5G”。(圖片出自:Technology Analyze Everything)

“Exynos 2100”是三星于2010年自主研發(fā)的處理器,被應(yīng)用于各款Galaxy手機(jī)。圖3中雖然是被應(yīng)用于中高端機(jī)型,但也有應(yīng)用于高端機(jī)型的情況。其關(guān)系并不是高通>三星,而是Snapdragon 888 = Exynos 2100。就搭載了“Exynos 2100”的機(jī)型而言,在“Galaxy S21”中,有8GB LPDDR5,也有12GB版本。Galaxy S21和Galaxy S21 Ultra都是雙層基板結(jié)構(gòu)。就Galaxy S21的攝像頭像素而言,比以上兩款稍差一些,為64M。

三星將Exynos和Snapdragon分開(kāi)使用

下表1是圖1到圖3的匯總圖。小米為一層板,三星的兩款機(jī)型都是雙層板,就攝像頭而言,高端機(jī)型為108M像素,中端機(jī)型為64M像素,雖然DRAM都采用了LPDDR5,但是容量分別為8GB和12GB。處理器也分為高通的Snapdragon 888和三星的Exynos 2100。雖然本文不會(huì)涉及過(guò)多,三星也對(duì)外發(fā)售了處理器“Exynos 1080”,其性能略遜于Exynos 2100。

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表1:三種機(jī)型所搭載的處理器和存儲(chǔ)器的對(duì)比。(表格出自:Technology Analyze Everything)

Exynos 1080已經(jīng)被中國(guó)的智能手機(jī)所采用。

下表2比較了三星的“Exynos 2100”和高通的“Snapdragon 888”,Technology Analyze Everything株式會(huì)社分別對(duì)兩款芯片進(jìn)行了拆解和分析,芯片面積的測(cè)量精確到0.01mm(本文不涉及具體數(shù)值)。

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

兩款芯片都是由三星的5納米制程制造的。蘋(píng)果和華為的芯片由TSMC制造,而高通和三星這兩家強(qiáng)勢(shì)企業(yè)使用的是三星的5納米制程。

兩種芯片的規(guī)格極其類(lèi)似。將高、中、低三個(gè)階層的CPU設(shè)計(jì)為八核(高規(guī)格為1核、中規(guī)格為3核、低規(guī)格為四核),也將5G模式匯集于此。5G模式的頂峰速度幾乎相等。此外,AI加速計(jì)算性能為26TOPS,幾乎相等。GPUDSP雖然不一樣,但是性能幾乎同等。

比較Snapdragon和Exynos的面積

下圖4是過(guò)往七年內(nèi)高通的Snapdragon 和三星的 Exynos的面積比較圖。Snapdragon(表示為SD)為藍(lán)色,Exynos(表示為E)為橙色。

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圖4:過(guò)去七年內(nèi)Snapdragon和Exynos的面積比較圖。(圖片出自:Technology Analyze Everything)

高通和三星不一定在同一年份使用同一款處理器。最左邊的“Snapdragon 810”采用的是20納米工藝,同年的“Exynos 7420”為14納米。由于制造工藝不同,因此面積也不同,“Snapdragon 810”的面積是“Exynos 7420”的1.7倍。

對(duì)于一直致力于尖端規(guī)格的高通而言,這種差異是一大打擊。如果使工藝微縮化,就可以下調(diào)電壓,從而縮小芯片面積,最終也更易于降低功耗。由于選擇了20納米工藝,因此在各方面都落后于同年使用了14納米的三星。

后來(lái),高通一直在堅(jiān)持制作比“Exynos”面積小的芯片。并不是降低性能,而是進(jìn)一步強(qiáng)化封裝、軟件和硬件的協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)。

2021年三星推出了采用5納米工藝的大型處理器。與TSMC一樣,其5納米工藝的主要用途是手機(jī)。有不少讀者向Technology Analyze Everything 株式會(huì)社詢(xún)問(wèn):TSMC和三星,誰(shuí)更出色?誰(shuí)的速度更快?誰(shuí)更小型化?

比較TSMC的5納米芯片和三星的5納米芯片

下圖5是比較了用TSMC的5納米工藝制造的華為/海思的Kirin9000和三星5納米工藝制造的“Exynos 2100”。我們的測(cè)量單位還是精確到0.01mm。

圖5:TSMC的5納米工藝制造的華為/海思的Kirin9000 和三星5納米工藝制造的“Exynos 2100”的比較圖。(圖片出自:Technology Analyze Everything)

一般情況下,很難比較兩種同樣的產(chǎn)品。但是,兩款處理器都搭載了同樣規(guī)格的運(yùn)算器。且GPU都是Arm “Mali G78”。三星為14核,海思為24核,核數(shù)不一樣,但是“核”的單位是一樣的。

也可以計(jì)算出采用TSMC 5納米工藝制造的芯片的面積與三星5納米工藝制造的芯片面積之差。同樣,CPU核都搭載了4核的Arm“Cortex-A55”,因此,可以計(jì)算出A55的單個(gè)核的差。就周波數(shù)性能、面積差異等而言,Technology Analyze Everything株式會(huì)社已經(jīng)在別處公布。

2021年還會(huì)相繼發(fā)布采用5納米工藝、6納米工藝的產(chǎn)品,未來(lái)Technology Analyze Everything株式會(huì)社還會(huì)繼續(xù)拆解芯片,比較各家公司的產(chǎn)品差異。

編輯:jq

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原文標(biāo)題:深入分析5nm芯片

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