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从设计到生产看一颗SOC的诞生 - 全文_JJB竞技宝全站app平台

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从设计到生产看一颗SOC的诞生 - 全文

  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。

  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公司进行生产,形成产品,而随着物联网的发展,电子科技类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。

  如今全世界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。

  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。

  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自于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。

  一颗处理器(Soc)如何诞生这样的一个过程相当复杂,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

  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。

  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。(但一手消息指iPhone7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。

  三星:14nm早已量产,而10nm方面则预计在2017年初量产,而7nm制程则没有一点消息传出。

  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。

  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。

  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,稳定性很高的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。

  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,进而影响性能。但在相同制程节点,相同工艺的条件下,不同处理器生厂商产出的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。

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