技术分析第55期:手机Soc工艺你知多少?

2016-02-17 00:15 出处:PConline原创 作者:黄瓜君 责任编辑:huangjiawei

  【PConline 杂谈】对于选购一台手机而言,我们除了注重外观,设计,屏幕大小之外,性能当然是必然着重考虑的因素,就像一般用户买汽车,并不会选择用30万去买一个0.6排量的车子(非混/电动),所以硬件配置是根基,良好的体验需要基于强大的硬件性能。而手机的综合性能由处理器、RAM、ROM以及软件上的驱动/系统优化所决定,其中手机处理器则扮演着一个举足轻重的角色。处理器我们听得多,但这里面又有什么学问呢?

手机Soc制造工艺
技术分析第55期:Soc制造工艺你知多少?

  关于手机处理器(Soc)是什么东东笔者就不过多阐述了,今天只聊聊半导体生产代工、处理器的诞生过程以及2016年热门处理器制程工艺的使用、性能对比。

一.半导体公司有哪几种

  半导体公司按业务可分为3个类别,1.IDM,这一模式的特点是半导体制造的关键环节都由自己完成,例如内核的开发与制造,自己同时具备设计以及生产的能力,例如Intel、意法半导体、现代等等。2.Fab,这种模式只专注于工艺的研发以及代工,就像台积电,它们不设计芯片,仅帮代工芯片。3.Fabless,Fabless企业仅专注于IC的设计,它们把设计出来的“芯片”给Fab企业进行生产,形成产品,而随着物联网的发展,电子产品更贴近于个人的需求,这便从Fabless衍生出Chipless模式,Chipless模式下的企业既不生产芯片也不销售芯片,它们只提供IP的授权,像是ARM和Imagination。

Soc生产工艺

二.挖一下全球晶圆生产/代工商

  如今全球范围规模较大的晶圆代工厂商有:台积电(TSMC)、三星、英特尔(Intel)、Globalfoundries(GF)、台联电(UMC)、中芯国际(SMIC)、意法半导体(ST)等等,但它们并不是全部都代工生产手机Soc芯片的,生产手机处理器Soc的基本集中在台积电、三星、Intel、GF这四家。

  2015年+2016年初热门手机处理器生产/代工商:

  台积电:骁龙615/617/652/808/810、联发科全系列、苹果A9(16nm)、麒麟950/930、苹果A10(10nm)

  三星:骁龙820、Exynos 7420/8890、苹果A9(14nm)

  英特尔:Atom全系列

  Globalfoundries:瑞芯微系列

三.一颗Soc如何诞生

  指令集/IP核的授权+核心的设计

  我们经常接触的高通骁龙XXX,联发科MTXXXX,麒麟XXX之类的Soc,他们没有自己的晶圆生产线,通过从ARM、Imagination中购入IP授权或是指令集授权(其中高通像骁龙820则是通过获得ARM的指令集授权,再自行研发Kryo核心,而联发科/麒麟则是直接获取A72/A53一类的IP核授权),然后把这些Soc交给台积电或三星进行代工生产。

Soc生产工艺

  而三星Exynos则比较特殊,例如最新的Exynos 8890既有自主研发的核心,也有ARM的公版核心,则它的授权费用主要来源于ARM的指令集+IP核,费用自然比全是公版核心的联发科/麒麟要低,但Exynos也不像高通骁龙,三星有自己的晶圆生产线,无需找台积电进行代工生产。

  既然内核方案有了,代工商也找到了,那么就是时候进入具体的生产环节。

  Soc的生产

  一颗处理器(Soc)如何诞生这个过程相当复杂,难以用简单的话语表述出来,但某几个重要的步骤还是可以说一下的:1.硅的提纯与熔炼,制成硅锭→2.硅锭切割,形成晶圆(wafer),渗入其他元素并进行氧化→3.上光阻剂,通过掩膜(mask)进行光刻→4.清除溶解的光阻剂并用化学试剂溶解曝光部分的晶圆,再清除掩膜区域的光阻剂→5.重复步骤3,形成多层立体的晶体管雏形→6.注入离子束,完成掺杂,形成P井或N井→7.表面覆盖绝缘层,留出需要通电的开孔,进行电镀铜用以填充开孔(完成晶体管的制造)→8.在晶体管之间用复合金属层进行连接,形成复杂的立体电路→9.功能性测试→10.晶圆切片,形成单个内核→11.内核封装,为内核提供电气与机械界面→12.性能测试,并进行等级分类,定义ID→13.出售

Soc生产工艺
手机Soc生产

  当然,一颗Soc的诞生从设计到生产环节不会如上诉的那么简单,笔者只是想让大家简单了解一下其中的重要步骤。

四.2016年初晶圆代工商的产能状况

  台积电:28nm工艺已经相当成熟早已量产,而16nm FinFET、FinFET Plus也陆续完成产能的爬坡,16nm FinFET Compact(面向低功耗Soc)也将在本季度进入量产,传说中的Helio P20采用的就是这个制程工艺。而10nm方面,台积电将在今年的第一季度完成流片,并在第四季度进入量产。(但最新消息指iPhone 7的A10处理器将会全面由台积电的10nm工艺生产线生产,相信在第二季度便迈进量产阶段)而7nm预计在2018年的上半年量产、5nm工艺也已经研发了一段时间,不知道英特尔那边有什么想法呢。

Soc生产工艺
台积电

  三星:14nm早已量产,而10nm方面则预计在2017年初量产,而7nm制程则没有任何消息传出。

  英特尔:Intel在上年11月时表示在14nm的工艺上遇到了一点困难,但现在已经恢复,而10nm的处理器预计在2017年下半年推出。反正Intel自给自足,也不为其他厂商代工,所以我们就好好等待下一代Atom处理器就行了。

手机Soc制造工艺
英特尔

  Globalfoundries:14nm FinFET量产相信仍要等到今年的6月份。10nm/7nm工艺方面,Globalfoundries表示将会和IBM合作,但暂时没有量产的消息。但Globalfoundries精于制造高性能大核心,例如PC领域的AMD CPU以及GPU,所以手机Soc和Intel那样,我们纠结不来。

  总的来说,在2016年14/16nm的量产不是问题,最近更有消息指定位中端的骁龙625也用上了14nm制程。

五.热门处理器制程工艺一览表

  笔者汇总了一下2015年至2016年初热门手机处理器的制程节点以及工艺分布。

热门处理器制程工艺一览表
 制程工艺
高通  
骁龙82014nmFinFET(LPP)
骁龙81020nm(HKMG)单一工艺
骁龙80820nm(HKMG)单一工艺
骁龙650/65228nmHKMG(HPM)
骁龙61728nmPoly/SION(LP)
骁龙61528nmPoly/SION(LP)
联发科  
Helio X2020nmHKMG(HPM)
Helio P2016nmFinFET Compact(FFC)
Helio X1028nmHKMG(HPM)
Helio P1028nmHKMG(HPC+)
MT675328nmPoly/SION(LP)
三星  
Exynos 889014nmFinFET(LPP版本)
Exynos 742014nmFinFET(LPE版本)
苹果  
A916/14nmFinFET(LPP/LPE双版本)
海思  
麒麟95016nmFinFET Plus(FF+)
麒麟93028nmHKMG(HPM)

  *其中28nm HKMG也有分为gate first(前栅极、三星)与gate last(后栅极、台积电)两种工艺,它们的性能表现有所不同,这里不过多阐述。

六.热门Soc工艺简析

  28nm:三星方面有HKMG的LP(Low Power)、LPP(Low Power Plus)以及最强的LPH。而台积电有Poly/SION的LP(Low Power)、HKMG的HPM(High Performance Mobile)、HKMG的HPC+(High Performance Compact Plus)。在手机Soc领域,以上6种性能最强的是三星LPH,接下来是台积电的HPM。28nm不同工艺的定位分别为:高性能:LPH、HPM,主流:LP、HPC、HPC+。

手机Soc制造工艺
28nm LP制程工艺的MT6753

  20nm:在这个制程节点上仅有台积电正在使用(三星也有,只是用在DDR3内存制造上),而且工艺单一。在今年的Soc列表当中定位高性能的早已使用上16/14nm FinFET工艺,而兼顾性能与功耗的主流Soc依然采用良品率高,性能稳定的28nm HPM/HPC工艺(关键是A72核心使用28nm HPM也能较好地压住功耗),所以20nm制程相信不会在2016年出现在手机Soc领域。

手机Soc制造工艺
20nm HPM的MT6795

  16/14nm:三星/台积电的FinFET(FF)、台积电的FinFET compact(FFC)以及FinFET Plus(FF+),其中FinFET包含早期的LPE(Low Power Early)以及LPP(Low Power Plus,高级低功耗)两种工艺版本。16/14nm不同工艺的定位分别为:高性能:FF、FF+,主流(着重功耗表现的设备):FFC。

手机Soc制造工艺
14nm FinFET LPE的Exynos 7420

总结

  2016年相信会是28nm+14/16nm共存的一年,28nm依然成为主流处理器的制程节点,而旗舰处理器则会普片采用16/14nm制程,10nm制程节点的处理器预计最快要到2017年初才会亮相。另外,由于智能穿戴设备等微型便携终端的普及,不少处理器厂商已经推出专门针对这类设备的Soc,它们都会使用制程更新,主打低功耗的工艺,例如16nm FinFET Compact。

  一颗好的手机处理器,并不只决定于核心架构、核心数量、主频高低、集成GPU的强弱,其发热,功耗也是我们值得考虑的问题,毕竟没人希望自己的手机是暖宝宝或者玩半天就没电的玩意,而制程工艺也决定着核心主频的高低,从而影响性能。但在相同制程节点,相同工艺的条件下,不同处理器生厂商生产出来的Soc也有一定的差异,因为原料的污染,加工工艺的波动,成本/淘汰率的控制都会让同制程节点/同工艺的最终产品在性能上有着较大的差异。

  所以,买手机纠结那么多没用,哪个喜欢买哪个。

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