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华为麒麟980首发玩的是“时间差”,手机“核”主战场转至7nm

手机芯片制程工艺,从10nm向7nm的跨步实属不易。而随着摩尔定律接近尾声,制程工艺进一步跨越愈加困难,任何一步对桎梏的突破都历经着艰辛。正因此,对科技的进步我们怀以敬佩与敬畏之心。

正文共 550126 图;预计阅读时间 15 分钟

8月31日,华为在IFA 2018上,正式发布全球首款商用台积电7nm制程工艺SoC——麒麟980。一时间,7nm成为新闻标题中的关键词,刷爆科技圈。

实际上,早在今年上半年,三星宣布“7nm智能手机芯片将于下半年完成量产”,与台积电正式开战时,7nm制程工艺的竞争就已进入白热化阶段。此外,苹果、华为和高通都已对外宣布,其下一代手机芯片均为7nm制程工艺。

那么,7nm制程工艺是什么?好在哪?又有哪些手机已经采用,或即将采用该工艺级别的芯片呢?

何为7nm制程工艺?

三星与台积电,手机芯片制程工艺的“赛跑”

在全球半导体行业,一直存在着一场半导体制造的“纳米”之争。这一点体现在智能手机芯片领域,即是台积电和三星两大晶圆代工企业硝烟四起的“争夺战”。

其中,台积电又处于领先地位。从二者手机芯片制程工艺的演绎可见一二。

2011年,旗舰机芯片的制程工艺尚停留在40nm级别,直到台积电宣布其28nm制程工艺正式量产,手机芯片制程工艺跨越一大步。

台积电手机芯片制程工艺的发展历程大致如下:

2011年10月,28nm制程工艺正式量产;

2014年1月,20nm制程工艺已大规模量产;

2015年8月,16nm制程工艺实现量产;

2017年下半年,10nm制程工艺实现量产;

2018年8月底,首发7nm制程工艺SoC。

而三星一直在与台积电“赛跑”,其手机芯片制程工艺发展历程大致如下:

2010年6月,宣布32nm制程工艺的SOC芯片产线已通过验证;

2011年5月,28nm相关制程工艺验证也完成;

2015年初,宣布14nm制程工艺开始量产;

2016年10月,10nm制程工艺开始量产;

2017年10月,8nm制程工艺已经通过验证,准备量产;

截至目前,其7nm制程工艺加持的三星Exynos 9820芯片已投产。

其中,2016年是手机芯片制程工艺发展的关键节点,手机“核”战争愈演愈烈。而10nm制程一直是这两年的主战场。

在麒麟980未正式发布前,诸如中兴新旗舰Axon9Pro、三星S9、魅族16、小米MIX 2S等智能手机,均搭载高通骁龙845芯片,即均为三星10nm制程工艺打造。而华为荣耀Play、华为P20等手机搭载麒麟970芯片;iPhoneX、iPhone8/iPhone8 Plus等手机搭载A11芯片,这两种芯片均采用台积电10nm制程工艺。

Digitimes的报告截图

而如今,战火已烧到7nm制程工艺。

Digitimes日前发表的《DIGITIMES Research智能手机AP关键报告》报告指出,全球Q3的AP应用芯片出货量将从Q2的3.787亿增长到4.494亿,环比增长18.7%。其中10nm制程工艺的芯片占比从13.2%降至11.2%,而当季7nm制程工艺芯片占比将达到10.5%。

那么,7nm制程到底是什么?

概念上来讲,所谓10nm、7nm指的均是半导体的“线宽”指标,即集成电路的精细度。生产工艺越先进、线宽越窄,单位面积的芯片中,就可以整合越多的晶体管,芯片的处理性能也随之增强,而能耗则随之降低。此外,芯片体积也可在原来基础上进行缩小,以满足更轻薄化的需求。

各制程工艺对应的晶体管数量与密度

就当前的半导体制程工艺而言,“7nm”代表着最先进的一代。

据悉,华为Mate 20系列、华为荣耀Magic2将搭载7nm制程工艺的麒麟980芯片;联想5G手机、MOTO Z3将搭载7nm制程工艺的高通骁龙855芯片;苹果新机也将搭载7nm制程工艺的A12芯片;而7nm制程工艺加持的三星Exynos 9820芯片也已投产。

7nm制程芯片的优势所在

正如上文所述,当前即将发布的旗舰机芯片华为麒麟980、苹果A12以及高通骁龙855等均基于7nm制程工艺。无疑,2018年下半年,移动芯片升级换代,将迎来7nm制程工艺。那么相较前一代的10nm而言,7nm制程工艺的优势在哪?

据悉,7nm制程工艺将比10nm省电40%、性能提升20%。反映在芯片上,正如上文提到过的,即功耗更低发热量减少、性能更强,以及芯片体积更小可腾出空间容纳更大的电池、提升续航能力。

具体而言,结合相关案例、跑分等数据,或可更方便理解。

麒麟980/970/960规格对比

就华为麒麟系列芯片本身来说,麒麟960基于16nm制程工艺、麒麟970基于10nm制程工艺、最新的麒麟980基于7nm制程工艺。

三种规格对比图

  • 麒麟970与麒麟960相比

其中,麒麟970较麒麟960综合来说,CPU能效提升20%、GPU性能提升20%、功耗降低50%。

具体而言,就此前用户上传的Geekbench跑分来看,麒麟970的单核跑分突破2000,多核跑分突破6500;而麒麟960的单核跑分为1941,多核跑分为5996。可见,麒麟970 CPU跑分的提升幅度并不大,主要应该还是因为其仍然采用与麒麟960相同的CPU架构。不过得益于10nm制程工艺,麒麟970 CPU能效提升约20%,功耗降低约20%。

麒麟970 Geekbench跑分

麒麟960 Geekbench跑分

GPU方面,麒麟970采用ARMMali-G72 MP12(12个核心)。相比麒麟960,其性能提升约20%,能耗降低约50%。

此外,麒麟970有NPU加成,在HiAI架构下其AI性能密度大幅优于CPU和GPU,芯片的运算效率被大幅提升,图像识别与处理的效率提高。并且,麒麟970采用4.5G LTE技术,支持最高LTE Cat.18通信规格。下行峰值速率最高可以达到1.2Gbps,也远高于麒麟960的600Mbps。

  • 麒麟980综合性能提升明显

在此基础上,再看下麒麟980与麒麟970、麒麟960拉开的是怎样的差距。

目前,麒麟980的完整参数和跑分已曝光。根据此前流出的安兔兔跑分图显示,华为Mate 20跑分高达35万,相比安兔兔跑分20万左右的麒麟970,拉开的差距可谓很大。

麒麟980安兔兔跑分

而从完整参数来看,麒麟980和970之间的差距,又可以说是全方位的。

麒麟980和麒麟970参数对比

与上一代麒麟970相比,小编结合参数将麒麟980的进步之处,总结如下:

1.得益于7nm制程工艺,麒麟980在芯片面积与麒麟970相近的前提下,还增加约25%的晶体管(达69亿个),晶体管密度也同时增加约55%。

2.首发A76+A55+双NPU,CPU提升约75%,在能效上提升约58%。

麒麟970使用A73+A53+NPU,2M二级缓存规格;而麒麟980首发A76+A55+双NPU,128kB二级缓存+4MB三级缓存方案,CPU性能提升明显。

麒麟980架构

CPU方面,麒麟980还借鉴联发科HelioX20/X30三簇集架构的策略,推出智能调度机制。即采用2超大核(2.6GHz的Cortex-A76)+2大核(1.92GHz的Cortex-A76)+4小核(1.8GHz的Cortex-A55)的全新能效架构。在能效比方面更加平衡,不会造成性能浪费,又降低功耗。

3.采用Mali-G76GPU,性能提升约46%的,能效大幅提升178%。

麒麟980采用ARM今年6月最新推出的Mali-G76 GPU,Mali-G76 GPU底层架构具备以下优势:首先,性能密度提高约30%,即在GPU面积不变的前提下,性能提高约30%;或是在性能相同的情况下,可缩小约24%的GPU面积。其次,得益于架构内功能块的整合,Mali G76的微架构效率得以提升约30%。此外,ARM还特地为Mali G76添加全新的专用8位点积指令,使其机器学习推理性能提高2.7倍

虽然麒麟980的Mali-G76 MP10的GPU计算核心数量,少于麒麟970的Mali-G72 MP12;且GPU频率也有所降低(由上一代的746Mhz主频降为现在的720Mhz主频),但得益于Mali-G76 GPU在底层架构上的优势,麒麟980依旧可提升约46%的性能,以及约178%的能效。

4.配备双NPU单元,AI算力更强。

麒麟970、骁龙845和Exynos 9810都主打AI,但从终端AI性能来看,还是集成独立NPU单元的麒麟970占优。而麒麟980的独立NPU相比麒麟970也有所升级,且搭载双NPU单元,AI算力显然更强,将支持更多AI场景,并有更高精度的深度网络,具备更佳的实时性。

据悉,麒麟980每分钟图像识别4500张,识别速度相比上一代提升120%。

5.标配基带支持准5G(或4.5G),速度达Cat.21(1.4Gbps)。

麒麟980标配的基带仅支持准5G(或4.5G),速度可达Cat.21(1.4Gbps)。比麒麟970的1.2Gbps快很多。

另外,5G网络在国内将于明年开启试商用(韩国今年12月1日正式开启5G商用化),华为表示,麒麟980未来可选配(应该是外挂的形式)Balong 5000这款真5G基带,实现对5G网络的支持。

6.LPDDR4X-2133内存,有利于进一步提升内存性能。

内存方面,麒麟980和麒麟970一样,均支持LPDDR4X内存。不过,麒麟980支持的是目前最高的LPDDR4X-2133高频内存,带宽可达34.1GB/s,相比麒麟970其内存性能有所提升。

不过,可惜的是,麒麟980目前未支持UFS3.0闪存标准。否则的话,性能和体验相信将会得到更明显的提升。

7.配备全新双ISP,解码速度提升约46%。

视频解码方面,麒麟980配备新的第四代ISP,且是双单元配置。相比麒麟970,据说解码速度提升约46%,同时支持4K60fps视频解码、4K30fps视频编码(帧数未知)。

麒麟980的“六个世界第一”

综上可见,与麒麟970相比,麒麟980在制造工艺、晶体管数量、CPU(主频/缓存)、GPU、基带版本以及5G网络支持等方面都有明显升级。

华为麒麟980/高通骁龙855

/苹果A12规格对比

上文小编也有提到,华为、高通、苹果等数十家芯片设计方,都在盯着台积电的7nm制程工艺。那么,对比完麒麟980/970/960系列本身后,不妨再来看下,麒麟980和别家芯片的PK吧。(由于其他7nm制程工艺手机芯片尚未正式发布,因而本文的分析基于已曝光数据及部分预测)

  • 麒麟980赶超高通骁龙845

此前,由于发布周期的原因,麒麟970常常和骁龙845对标。而实际上,麒麟970应该是和骁龙835对标。

因此,麒麟980的发布很大程度上是要赶超骁龙845。而就当前的数据来看,麒麟980十分有望超越骁龙845。

上文提到,麒麟980被爆出安兔兔跑分约35万,而骁龙845此前比较好的分数是30万左右。就跑分来看,麒麟980胜出。

CPU方面,骁龙845是由Cortex-A75魔改,胜过此前麒麟970采用原生Cortex-A73。而麒麟980跳过Cortex-A75直接采用Cortex-A76,实现对骁龙845的技术压制,且具备更为节能省电的优势。

麒麟980 VS 骁龙845游戏性能对比

GPU方面,在麒麟980的发布会上,华为已列出和骁龙845的游戏性能对比。以玩NBA 2K游戏为例,麒麟980的帧率为59,骁龙845的帧率为31。而在吃鸡游戏中,麒麟980的帧率为60帧,而骁龙845则为48帧。

此外,由麒麟980驱动的智能手机还将配备GPU Turbo图形加速技术。因而,与Adreno 630 GPU相比,Mali-G76 GPU将更具性能优势(就游戏表现来说)。

通信规格方面,麒麟980内置准5G基带(4.5G),速度可达Cat.21(1.4Gbps),比骁龙845的1.2Gbps要快。

  • 麒麟980可能不敌骁龙855

据悉,骁龙855在6月初已开始试产,到今年第四季度将由台积电代工大规模量产,将于年末或明年年初发布。

而近日,Geekbench4上疑似出现“骁龙855”的跑分。该测试手机被识别为高通msmnile的设备,基于Android9系统、搭载6GB运行内存、八核CPU、小核频率1.78GHz。

华为公布的麒麟980 Geekbench4跑分

设备跑分单核3697、多核10469。与骁龙845在Geekbench4中的平均成绩(单核2400/双核8900)相比,增幅分别约54%和20%。而与华为在IFA上公布的麒麟980在Geekbench4上的跑分(单核3360)相比,高出10%左右。

骁龙855跑分

CPU方面,高通骁龙855的CPU核心还是未知数(或带来基于Cortex-A76魔改的CPU核心也说不定;此前还有消息称,骁龙855大核主频速度为2.8GHz)。目前仅确定CPU为8核,大核、小核架构及频率还不确定。

GPU方面,GPU性能一直是麒麟芯片的瓶颈,所以其通常借助首发ARM最新架构的方式,实现GPU性能的暂时领先。麒麟980首发ARM最新发布的Mali-G76 GPU亦是如此。

不过,其性能优势可能最多保持6个月,骁龙855或实现反超。

因麒麟980的GPU本身与骁龙845相比仍旧略弱,在GPU Turbo的加速加持下,才在游戏性能上得到弥补。而骁龙855的GPU很可能在骁龙845的基础上进行升级。此前有消息称,骁龙855集成的Adreno 640 GPU性能会比骁龙845高出20%以上。

此外,高通已宣布骁龙855可提供外挂5G基带,相关技术正在开发中。骁龙855也将集成NPU神经网络单元,以支持AI人工智能加速。

值得一提的是,有消息传,骁龙855闪存或将升级到UFS3.0。如果这是真的,那么手机的性能将得到明显提升。现在的旗舰手机一般都支持UFS2.1,而3.0在速度上要比2.1快一倍,可允许手机更轻松地支持4K或8K视频的拍摄。

  • 苹果A12,不可忽视的存在

从目前的数据来看,骁龙855以及麒麟980爆出的单核跑分,都尚且低于苹果A11的4000+,而近日被曝光的A12跑分,更是遥遥领先。

据了解,苹果A12在Geekbench4上的跑分,单核性能4673,多核性能10912。而其在安兔兔上的跑分也被曝出达到35万+的高分,相比A11的23万,整体提升50%左右。

苹果A12跑分

CPU方面,从曝光的细节来看,A12将继续采用2大核+4小核的设计。得益于7nm制程工艺的加持,A12的芯片密度较A11将提升1.6倍,芯片的体积尺寸会减小40%。并且,性能上将比A11提升20%-25%。

GPU方面,单从测试数据来看,A12的GPU性能超过骁龙845近一半,较A11也提升不少。根据近日曝光的数据,A12在曼哈顿3.0项目中达到130 fps(A11是88 fps);在霸王龙项目中达到254 fps(A11是173 fps)。

另外,A12的多线程相比A11也做出大调整,内置全新的第二代性能控制器,允许2大核和4小核同时工作,可提升多核处理速度,同时也能改善能耗比。

综合以上信息来看,苹果A12或许还将是今年最强的芯片。

华为首发7nm制程工艺SoC的“蝴蝶效应”

此次,华为首发7nm制程工艺芯片,对其本身来说,有利于保持半年多的性能优势,有利于抢占市场份额。而7nm作为突破10nm效能极限的先进制程工艺,在IFA 2018上得到首发,也意味着2018下半年,智能手机进入7nm制程工艺时代。随之而来的是各芯片厂商和手机厂商之间的激烈争夺战。

对于消费者来说,制程工艺的进步,使得大家将能获得更加省电、轻薄,性能也更强的手机。而更具体来说,屏幕分辨率、镜头像素等提升,也都与手机性能的提升息息相关。

此外,华为作为国产手机厂商率先推出7nm制程工艺的麒麟980,也一定程度上可提升国产芯片的形象。

7nm之后,5nm、3nm还远么?

而对于“7nm之后,5nm、3nm甚至更加先进的制程工艺,还会远么”的话题,小编认为,科技的进步需要稳扎稳打。在台积电与三星等大厂的“你追我赶”中,更加先进的制程工艺肯定会到来,但绝非易事。

10nm向7nm的跨步已实属不易,而随着摩尔定律接近尾声,制程工艺进一步的跨越愈加难。5nm、3nm甚至更加先进的制程工艺的成功商用,将需要更强大的工具、更好的材料(半导体材料的变革)、更多的资本(台积电宣布将投资250亿美元研发5nm制程工艺)、更开放的创新等,种种问题需要逐一解决。

华为 Mate20

例如,台积电CEO魏哲家表示在2019年底或者2020年初,5nm也会投入量产。不过,并未宣布具体细节,包括预计何时完成研发,何时商用5nm制程工艺等。小编对此想说,对科技的进步我们怀以敬佩与敬畏之心,任何一步对桎梏的突破都历经艰辛。

但也真心希望,手机芯片的制程命名是名副其实,而非因一味追求销量而让产品性能“被注水”,让消费者为“不当的言语”买单。

或许,等下个月的Mate20正式发布后,大家心中自有定论。

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原始发表时间:2018-09-05

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