深入分析5nm芯片
2021-05-16
14:00:02
来源: 半导体行业观察
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。
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最新“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”最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）。
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。
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。
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？
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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