手机厂商：本年再不上5nm 出门都欠好意思打招呼

　　本文来自中国电子报、电子信息财产网

　　作者： 张心怡

　　在刚刚已往的2020年，5nm处置惩罚器只在苹果iPhone12系列、华为Mate40以及年末发布的vivo X60、小米11（至截稿日处于预购状态）等少数机型搭载。而2021年，5nm处置惩罚器将应用于更多5G机型。无论是新近推出第二款5nm处置惩罚器和首发机型Galaxy S21的三星，确认搭载高通骁龙888的IQOO7，照旧支持高通骁龙888平台的 OPPO、魅族、黑鲨等十几家OEM厂商，皆对5nm工艺跃跃欲试。5G叠加5nm，为手机处置惩罚器带来了哪些改变，各大芯片厂商如安在该范畴睁开比赛？在新技能与新制程的碰撞下，手机芯片计划又面对哪些新的挑衅？

　　入局玩家越来越多

　　在CES2021上，三星发布了旗舰芯片Exynos 2100，这也是继麒麟9000、苹果A14、三星Exynos 1080和高通骁龙888之后的第5款5nm 5G处置惩罚器。

　　一样平常来说，手机芯片可以分别为AP（应用处置惩罚器）和BP（基带芯片）。对于新一代旗舰芯片，各大芯片厂商既夸大5nm带给AP的性能提拔，也看重其为5G开辟的BP本领。

　　提拔制程很烧钱，因此制程的提拔必须带来芯片性能的提拔，才算“贵得其所”。直观地从晶体管数目来看，麒麟9000的晶体管数目到达了153亿，比起接纳台积电7nm增强版工艺制程的麒麟990（5G版），足足多出50亿。而苹果A14则内置了118亿个晶体管，晶体管数目相较7nm芯片增长了近40%。在性能数据方面，5nm工艺带来的提拔也很显着。相较上一代旗舰芯片，骁龙888的CPU团体性能提拔25%，GPU的图形渲染速率较前代平台提拔了35%。Exynos2100处置惩罚器性能较上一代单核提拔了19%，多核提拔了33%，图形性能相较于前代提拔了40%。

　　由于手机处置惩罚的数据量呈指数级上升，且数据范例更加多元，AI已成为高端手机处置惩罚器的必备技能，AP也从“CPU+GPU”走向了“CPU+GPU+NPU/AI引擎”这一方向。在AI算力增援上，苹果NPU（神经网络处置惩罚器）的内核翻倍，算力到达了11.8TOPS。骁龙888和Exynos2100的算力均提拔至26 TOPS。麒麟9000搭载的新一代NPU，接纳双大核+微核NPU架构，性能相对麒麟990（5G）提拔了100%。

　　对5G本领的夸大，也是5nm处置惩罚器的一大特性。多模多频段的毗连本领是各家厂商最夸大的设置，支持5G且向下兼容4G LTE（恒久演进），支持SA（独立组网）/NSA（非独立组网）双组网，兼容FDD（频分双工）/TDD（时分双工），并具备载波聚合、DSS、双SIM乃至多SIM卡功能，已成各产物的标配。在5G提拔用户室外体验的同时，各家厂商的产物还广泛支持Wifi6功能，并保障用户的室内毗连，塑造了5G期间的移动新体验。

　　同样值得留意的是，紫光展锐和联发科先后推出了6nm制程的5G SoC（体系级芯片），与5nm制程的芯片产物仅有“一线之隔”。联发科在1月20日发布了6nm制程的全新5G处置惩罚器天玑1200。据相干报道，联发科代号为“天玑2000”的5nm芯片已经满意OPPO、vivo、光彩等客户的开案需求，预计于2022年第一季度正式推出。在2022年，市场有望看到更多的5nm处置惩罚器计划玩家。

　　怎样构建差别化竞争

　　芯片计划属于创新麋集型、技能麋集型的轻资产行业，因此5nm 5G芯片的竞争，可谓是环球顶尖厂商的顶峰之战。

　　TrendForce集邦咨询分析师姚嘉洋向《中国电子报》表现，5G手机处置惩罚器可以细分成几个要素，分别为CPU、GPU、DSP（数字信号处置惩罚）/NPU/APU（加快处置惩罚器）、5G Modem（调制解调器）、ISP（图像信号处置惩罚）与先辈制程的搭配。

　　以CPU为例，Cortex-X1、A78CPU的搭载，已经出如今高通、三星的产物里，以此来提拔处置惩罚器团体的运算能效。

　　以5G Modem为例，就能看到毫米波与sub-6GHz（频段）增援上的差别。制程方面，固然都接纳5nm制程，但究竟台积电与三星在良率、性能与功耗等根本要素上照旧略有差异，这也导致了5G手机处置惩罚器之间的差别。

　　从CPU的研发模式中可以看出各个厂商的研发重点。固然几家芯片厂商都接纳了Arm架构研发CPU，但苹果为了更好地整合软硬件本领，A系列处置惩罚器多基于Arm的指令集举行自研，单核性能较为突出。骁龙888则基于Cortex内核举行了二次开辟，打造了Kryo 680架构，以提拔产物的团体性能和稳固性。其他厂商大多利用公版Arm焦点。

　　除了单核布局，各家的多核架构也有所差别，华为、三星、高通在性能提拔上的跨度更大。

　　三星代工的骁龙888和Exynos2100，都接纳了“Cortex-X1超大核+3个A78大核+4个A55小核”构成的3丛集8焦点架构。但纵然是接纳了雷同的布局，三星在性能提拔方面做得更为激进，将超大核的主频做到了2.9GHz，略高于骁龙888的2.84GHz。

　　麒麟9000接纳“A77大焦点+三个A77中焦点+四个A55小焦点”构成的3丛8焦点架构，将A77主频做到了3.13GHz，是现在频率最高的手机处置惩罚器之一。

　　而苹果更注意性能与能效的均衡，接纳了2个性能焦点、4个能效焦点的6焦点架构。

　　根据苹果公布的A13和A14分别相对A12的提拔数据可知，比起A13，A14的CPU性能提拔幅度为16.7%，GPU性能提拔8.3%，提拔幅度并不是太大。但在能效方面，尤其是低功耗模式下的性能体现，苹果仍具上风。前魅族科技高管李楠称，苹果低功耗模式能最大化5nm的制程上风。

　　GPU的环境亦是云云。苹果、高通都接纳了自研GPU，华为、三星则接纳了Mali G78，华为堆了24核，三星堆了14核。

　　从外媒客岁12月发布的GFXBench图形基准测试来看，搭载苹果A14的iPhone12系列图像处置惩罚的跑分在业界处于领先职位，高通参考测试机和Mate40紧随厥后，在视觉处置惩罚本领方面皆有提拔。

　　5G方面，华为、高通、三星都推出并在SoC上集成了自研的基带芯片。

　　从大的频段范围来看，华为的巴龙5000，高通的X60与外挂在苹果A14的X55，以及三星的Exynos 5123都具备同时支持Sub-6Hz和毫米波的本领。

　　巴龙5000在Sub-6Hz的体现较为突出，通过支持5GSA双载波聚合，Sub-6G下行理论峰值速率达4.6Gbps，上行理论峰值速率达2.5Gbps，且支持11个5G TDD、FDD频段。

　　骁龙888集成的X60基带可以或许提供7.5Gbps的毫米波下行峰值速率，居于行业领先职位，而外挂骁龙X55基带的苹果A14也享此报酬，且苹果iPhone支持的5G重要频段高达20个，Exynos5123的毫米波下行峰值也到达了7.35Gbps。

　　研发门槛越来越高

　　来到5nm的档口，能制造芯片的代工厂商只剩两家，能计划高端制程芯片的厂商更是寥若晨星。对于旗舰智能手机处置惩罚器这种既要第一时间用上先辈制程工艺，还要具备5G和AI本领的芯片品类，计划门槛之高显而易见。

　　一方面，5G基带计划难度大，要与网络侧和终端侧保持精良互通，实现通讯技能尺度，在实行室和外场测试得到验证，还要向下兼容3G、4G；另一方面，先辈制程让芯片可以或许集成更多元器件和相应功能，提拔了芯片的集成度和复杂性，因此处置惩罚器计划的难度水涨船高，研发、计划工具升级、晶圆购买等各项的付出也直线上升。

　　“随着制程的提拔，手机处置惩罚器投入的研发金额愈来愈大。巨额的研发资金必要大量产物来支持，以分摊研发经费。而制程越小，代表晶体管密度越高，这加大了计划的难度。EDA工具的升级必要投入更多的研发经费，而晶圆代工厂方面所必要的研发经费与晶圆片的购买代价也会有所提拔。”姚嘉洋表现。

　　对于芯片计划巨头来说，每一次制程的提拔，都会带来新的挑衅。

　　“制程越小，计划越难。由于后端的制程工艺升级了，前端的计划方法、计划工具都必要升级，模块库、后端库都不充实。到了计划阶段，不但是计划一个主处置惩罚器，还必要AD（模仿-数字信号转换）/DA（数字-模仿信号转换）等四周IP的支持。计划出来之后，另有验证阶段。计划的芯片可否有用地控制功耗，可否正常运行，可否流片乐成，这些都必要很长时间去验证。这个周期是漫长而复杂的。顶级的芯片计划厂商有技能、财力去争先走这个流程，因此更轻易抢得市场先机。”赛迪顾问高级分析师李秧向《中国电子报》表现。

　　研发门槛极高，且每隔一年或两年就要再啃一遍硬骨头，对于小米、OPPO等故意自研处置惩罚器的手机大厂来说，是一个不小的挑衅。但手机大厂的应对计谋也较为多元。小米通过“投资+自研”构建了半导体生态；OPPO通过建立芯片研发中央和半导体计划子公司以及自研并收购相干专利等方式，连续提拔研发气力，现在已经具备了协处置惩罚器的计划本领。vivo则与三星互助研发处置惩罚器，Exynos1080、Exynos 980都是两边的互助结果。vivo方面表现，在共研Exynos 980的过程中，vivo投入了500多位专业研发工程师到场定制研发，团结办理了100多个硬件题目。可以说，这种基于终端用户数据资助芯片厂商优化计划，并得到相对定制化且可以或许优先搭载首发的处置惩罚器，也是一种提拔品控本领的方式，有助于手机企业增强品牌话语权，并连续积聚研发履历。