深入分析5nm芯片

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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。

三星连续发布数款采用 5 纳米工艺的产品

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。

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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。

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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)。

历代“Galaxy”上搭载的“Exynos”系列

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”。

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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。

三星将 Exynos 和 Snapdragon 分开使用

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。

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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)。

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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。

比较 Snapdragon 和 Exynos 的面积

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。

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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?

比较 TSMC 的 5 纳米芯片和三星的 5 纳米芯片

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。

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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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原文链接:http://m.chinaaet.com/article/3000132023

正文完
 
追风者
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