長久以來，中國芯片設計公司仿佛都只能是芯片行業(yè)的追隨者，但2015年11月發(fā)布的華為麒麟950卻實現(xiàn)了多項業(yè)界第一，做到了技術上的超越。例如ARMA72的首商用，ARMMaliT880的首商用，業(yè)內(nèi)首個商用16nmFinFET+頂尖生產(chǎn)工藝的SoC芯片等。如今，搭載麒麟950的華為Mate8手機發(fā)布并大賣，業(yè)界和消費者更是對麒麟950充分肯定。但麒麟芯片是如何做到超越的呢？前幾日，有位KOL大佬解讀了華為芯片的發(fā)展歷程，他認為華為芯片之所以能夠從28nm跳過20nm，成功商用目前最先進的16nmFinFET+芯片設計工藝，是因為華為運氣好、賭對了。但筆者經(jīng)過大量的調(diào)研和訪談，卻有不一樣的看法。今天筆者就試圖解密華為麒麟芯片是如何進行核和工藝的選擇的。
暗硅陷阱何其“暗”？
用戶在選擇手機時，往往會去比較一些顯性規(guī)格如CPU、GPU的主頻、核心數(shù)等，然而CPU規(guī)格并不是越高越好，盲目低追求高規(guī)格、高性能就會誤入摩爾定律的誤區(qū)。根據(jù)摩爾定律，芯片每18個月到24個月，芯片性能會提升一倍，那就意味著同樣的面積下，晶體管數(shù)目會增加一倍。性能越高，晶體管數(shù)目就越多，現(xiàn)在的智能手機芯片上集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)達到20億到30億個。過去，芯片行業(yè)要考慮的是怎么把這些更多的晶體管放到芯片里面去；而現(xiàn)在的矛盾焦點，不只是在芯片內(nèi)部放進更多的晶體管，還要考慮芯片外部的工作環(huán)境、是否有足夠的電力、足夠的散熱條件。
一個極限的情況是芯片里所有的電路同時工作，那么芯片里所有的晶體管就可能同時翻轉，而晶體管翻轉是需要消耗電能的，同時所有的電都變成熱量散發(fā)出來。如果外部條件不足以供應這么多電能，或散掉這么多熱量的話，就會導致芯片因為供電不足或者過熱不能工作。這種情況下，只能被動地限制部分電路和晶體管的運行，這部分被限制的、永遠無法發(fā)揮性能的電路就是暗硅。
高通驍龍810就“掉進”了暗硅的陷阱，采用20nm的驍龍810因發(fā)熱問題而不得己采取限頻策略，基本達不到其宣稱的最高頻率4A57@2.0G，無法獲得持續(xù)性能。引用網(wǎng)絡上某知名極客炮神測試的數(shù)據(jù)：“驍龍810標稱的2.0GHz主頻的A57只有在跑分白名單才能達到。2GHz的A57，在1分多鐘的滿載后，不降頻，會達到105度以上，然后手機過熱重啟；如果是2個A57滿載，5s核心就會超過105度，然后過熱重啟。在非跑分應用中，單線程（注意只是單線程）負載A57也只能跑到1.5-1.6GHz，并最終因為過熱降頻到1-1.2GHz。”在手機芯片有限的空間，過于追求性能，就會導致功耗和發(fā)熱問題，并且功耗會隨著溫度增加而增加。功耗和熱，互相影響，最終會產(chǎn)生惡性循環(huán)。
暗硅陷阱如何解？先進工藝是關鍵
然而，暗硅陷阱并非無解，想要使用最先進的CPU、獲得更高的性能，關鍵是需要配合先進的工藝制程。我們再來看一看華為麒麟芯片的選擇。從當時可選擇的工藝看，2015年能夠穩(wěn)定成熟商用的還是28HPM，而20HPM、14/16FinFET等新工藝也有廠商選擇，但還不夠成熟。華為芯片上半年推出的是28HPM工藝搭配8核A53的芯片麒麟930。以28納米為基礎，20納米用傳統(tǒng)的晶體管架構走下去，集成度還OK，是28納米的1.9倍，但是功耗只能降到75%，不夠理想。這意味著同樣的die面積，放進去將接近兩倍數(shù)目的晶體管，功耗會上升42.5%。如果選20納米，當時還是可以宣稱業(yè)界領先的工藝，但可能無法提升用戶體驗，因為按照原來架構方式選擇新工藝、增加更多的功能，卻沒有辦法很短時間讓手機散熱能力提升40%，在熱敏感、熱保護情況下，芯片性能被限制住，性能有可能比上一代還要差。站在消費者角度，用戶需要的是一個能帶來好的體驗的芯片和手機，并不在乎你選擇的是什么樣的工藝，這不僅僅是一個技術問題，更要從用戶體驗的角度去做選擇。
由此看來，16nmFinFET+工藝是最佳選擇。
CPU核心如何選擇？重點看能效比，并踩準時間節(jié)奏
前面說完了工藝的選擇，下面再來看一看2015年上半年，可以選擇的的CPU核心。ARM在同一時期推出了A57和A53兩個64位新架構的處理器核心，A57主打高性能，A53主打高能效。然而A57雖然有著強大的性能，卻并不是專門針對移動終端設備設計的處理器核心，只有高通和三星兩家公司選擇將A57用在手機上。高通驍龍810采用A57核心，搭配20nm工藝，大大超出3.5W的熱設計功耗上限，出現(xiàn)了嚴重的發(fā)熱問題，導致A57的高性能完全發(fā)揮不出來。同樣采用A57核心的三星Exynos7420卻沒有這樣的問題，7420使用自家14nmFinFET工藝，在性能和功耗上比20nm工藝都有提升，彌補了A57架構能效上的差距。相同的故事，結局卻不同，原因就是高通急于推出產(chǎn)品，做出了錯誤的選擇，讓不該發(fā)生的錯誤發(fā)生，A57@20nm用在手機上就是一個悲劇。而三星選擇了正確的工藝來搭配先進的CPU。2015年上半年，在14/16nm先進工藝尚未成熟商用的情況下，除了高通和三星兩家使用A57核心，其他的手機方案基本全部選擇了能效比更好的A53架構。
性能與功耗完美平衡，帶來更好體驗，實現(xiàn)彎道超越
由此，我們可以看出，不論是在先進工藝上，還是CPU核的選擇的上，筆者認為華為的麒麟芯片都很好地遵循了從用戶體驗的角度做選擇和做設計的思路，選擇最佳能效比的工藝搭配最先進的CPU核心。16nmFinFET技術能夠大大提升手機芯片的能效比，目前全球僅有2家公司率先實現(xiàn)16nm新技術的在手機上的商用：一家是蘋果，使用自家的蘋果A9在iPhone6S上商用；另一家就是華為，使用自家的麒麟950芯片，在Mate8上實現(xiàn)商用。其他使用16nm技術的芯片如高通和MTK等同類芯片的手機大約要半年左右才能上市了。但和蘋果A9相比，實際上，麒麟950面臨的挑戰(zhàn)還更大一些，麒麟950SoC中除了集成了主要的CPU、GPU、Camera、ISP、audio、video、memory等子系統(tǒng)外，跟蘋果最大的區(qū)別是，麒麟950還集成了Modem通信處理器模塊，這意味著設計難度的增加、晶體管數(shù)目的增加、功耗控制難度的增加。麒麟950里放入了30億的晶體管，30億的晶體管放在一起，之間會互相干擾，設計規(guī)格更加復雜，設計規(guī)則多達4萬條。華為芯片是第一家把16nmFinFET技術真正做到成熟商用的中國公司，在基礎工藝上第一次跟業(yè)界同步——同步量產(chǎn)、同步提升良率，沒有經(jīng)驗可以借鑒，這是很大的考驗和挑戰(zhàn)。
隨著手機芯片性能大戰(zhàn)的升級，我們可以看到，不同的芯片廠商設計思路不一樣，有些廠商一味追求最強性能，卻忽視了這些最強性能對用戶是否有意義、需要犧牲多少功耗代價來實現(xiàn)、是否會影響用戶的實際體驗。而華為麒麟芯片，從第一代開始就一直遵循性能與功耗最佳平衡的設計思路，值得稱頌。用戶不該為過剩的性能和發(fā)燒的手機買單，我們更希望看到，手機芯片廠商能夠減少沒有實際價值的比拼，把規(guī)格和性能比拼引導到用戶實際體驗上來。
華為手機芯片的快速發(fā)展和超越確實讓人吃驚，從2006年開始研發(fā)手機芯片，2009年推出第一代智能機應用處理器K3，初探市場；2012年推出第二代應用處理器K3V2，在高端手機市場獲得了初步成功；2013年將通信處理器集成到應用處理器中，推出手機SoC芯片麒麟。經(jīng)過幾年的快速迭代，華為在2015年11月發(fā)布麒麟950，終于站到了頂級手機芯片的行列，完成了不可能完成的任務。
01月07日 18:14
