從K3V1到麒麟9000，華為海思麒麟芯片的進(jìn)化史

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/程文智） 2020年5月份時(shí)，IC Insights發(fā)布了2020年第一季度的McClean報(bào)告，華為旗下的芯片設(shè)計(jì)公司海思半導(dǎo)體（HiSilicon）憑借26.7億美元的銷售額，擠掉英飛凌，首度進(jìn)入半導(dǎo)體銷售額排行榜前10大排名，這也是中國半導(dǎo)體廠商首次進(jìn)入前10大半導(dǎo)體廠商排名。

2020年8月12日，IC Insights再次發(fā)布2020年上半年前10大半導(dǎo)體廠商排名，海思半導(dǎo)體以52.2億美元的銷售額守住了第10的位置。不過，由于美國對華為的打壓，海思作為華為旗下的公司也在打壓之列，根據(jù)美國對華為的禁令，晶圓代工廠從9月15日起將不能再為華為制造芯片。

圖：IC Insights發(fā)布的2020年上半年前10大半導(dǎo)體廠商排名。（數(shù)據(jù)來源：IC Insights）

在美國禁令持續(xù)升級的影響，海思未來將可能有一段時(shí)間無法使用涉及美國技術(shù)的產(chǎn)品和代工方案。比如芯片設(shè)計(jì)需要的EDA軟件供應(yīng)商基本都是隸屬于美國，給華為代工先進(jìn)芯片的臺積電也用到了美國的技術(shù)，目前臺積電已經(jīng)明確表示美國禁令不取消將不能為海思代工5nm及以下工藝的麒麟芯片。這些限制給海思未來的發(fā)展蒙上了一層陰影。

也就是說，華為目前最先進(jìn)的5nm工藝芯片麒麟9000處理器將成為麒麟芯片的絕唱?，F(xiàn)在就讓我們一起回顧以下，華為麒麟芯片的十年“攀登史”。

圖：華為麒麟系列芯片發(fā)展史。（數(shù)據(jù)來源：華為）

第一代手機(jī)AP------K3V1
海思半導(dǎo)體的前身是1991年成立的華為集成電路設(shè)計(jì)中心，在做手機(jī)芯片之前，海思做過SIM卡芯片、視頻監(jiān)控芯片、機(jī)頂盒芯片等。

在2006年，聯(lián)發(fā)科技推出了GSM的Turn-Key解決方案，幫助GSM功能機(jī)產(chǎn)業(yè)迅速崛起，當(dāng)時(shí)的海思也希望能夠復(fù)制聯(lián)發(fā)科技的模式，同年啟動了GSM智能手機(jī)Turn-Key解決方案的開發(fā)。

歷時(shí)3年后的2009年，海思推出了第一個(gè)GSM低端智能手機(jī)解決方案，采用了Windows Mobile操作系統(tǒng)。其中基帶處理器（BP）技術(shù)是自研的，技術(shù)源自華為GSM基站。應(yīng)用處理器（AP）芯片名為K3V1，采用110nm制程，當(dāng)時(shí)競爭對手的工藝制程已經(jīng)達(dá)到65nm、55nm，甚至是45nm。

圖：華為手機(jī)芯片的起點(diǎn)K3V1。

由于K3V1的110nm制程相對于45nm制程來說，功耗和性能都落后于競爭對手，再加上WindowsMobile操作系統(tǒng)市場份額太低，方案是做出來了，但是少有客戶接受，海思第一代GSM處理器戰(zhàn)績慘烈，淪為試錯(cuò)產(chǎn)品。

采用Arm內(nèi)核，支持安卓的K3V2
有了K3V1的失敗，2009年移動終端芯片從海思半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移到了華為的移動終端公司內(nèi)，華為內(nèi)部稱之為“大海思”，并由有“拼命三郎”之稱的王勁負(fù)責(zé)移動終端芯片的研發(fā)。

2012年，王勁團(tuán)隊(duì)推出了第二款手機(jī)SoC芯片K3V2，該芯片采用了Arm架構(gòu)，并且支持安卓操作系統(tǒng)。K3V2是當(dāng)時(shí)業(yè)界最小的手機(jī)SoC芯片，也是繼英偉達(dá)Tegra3之后的第二顆四核A9處理器。

不過K3V2采用了非主流公司Vivante公司的GC4000GPU，兼容性不夠好，導(dǎo)致最終體驗(yàn)并不好。而且該芯片也沒有用上當(dāng)時(shí)先進(jìn)的28nm制程，只采用了臺積電的40nm制程，相比高通的APQ8064和三星的Exynos4412，K3V2功耗依然偏高，發(fā)熱量大。

雖然K3V2飽受詬病，但華為依然把這顆芯片用在了自家手機(jī)上，不斷從軟件側(cè)和硬件側(cè)對其進(jìn)行改進(jìn)，當(dāng)時(shí)這款芯片用在了華為D2、P2、和Mate1手機(jī)上，這是華為第一次把自家的海思芯片用在華為自家手機(jī)上。

2013年6月，華為拼盡全力打造了一款經(jīng)典的超薄旗艦手機(jī)P6，厚度僅為6.18毫米，采用了大量前沿工藝，并搭載了K3V2改進(jìn)版K3V2E。雖然P6仍然有許多Bug需要靠軟件補(bǔ)丁來彌補(bǔ)，但P6以當(dāng)時(shí)最薄的機(jī)身和優(yōu)秀的外觀設(shè)計(jì)，加上華為不遺余力地推廣，最終贏得了市場的認(rèn)可，銷量高達(dá)400萬部。這份成績單在當(dāng)時(shí)來看是相當(dāng)不錯(cuò)的了。

不幸的是，王勁在此時(shí)由于勞累過度，因病逝世，但幸運(yùn)的是，華為的手機(jī)芯片開始了正式攀登之路。

麒麟登場------麒麟910
2014年初，華為推出了麒麟910，這是華為首款以“麒麟”為名的芯片。該芯片采用了1.6GHz主頻的四核Cortex-A9架構(gòu)和Mali-450MP4的GPU，采用了28nm HPM制程。

值得一提的是，麒麟910首次集成了華為自研的巴龍710基帶，這讓麒麟910可以支持LTE 4G網(wǎng)絡(luò)，在TD LTE網(wǎng)絡(luò)下最高可帶來112Mbps下行速度。麒麟910也是全球首款四核SoC芯片。

麒麟910的首發(fā)放在了華為P6的升級版P6s上，隨后這款芯片還用在了華為Mate2、榮耀3C 4G版、MediaPad M1平板、榮耀X1平板，惠普Slate 7 VoiceTab Ultra和Slate 8 Plus等終端上面。

里程碑芯片------麒麟920
真正讓海思的手機(jī)處理器走向成熟的是麒麟920芯片，該芯片是2014年6月發(fā)布的，采用了業(yè)界領(lǐng)先的big.LITTLE結(jié)構(gòu)，采用4×A15 1.7GHz+4×A7 1.3GHz和Mali-T628MP4 GPU，采用28nmHPM工藝制造，集成了音頻芯片、視頻芯片、ISP，集成自研全球第一款LTE Cat.6的Balong720基帶，可支持TD-LTE/LTE FDD/TD-SCDMA/WCDMA/GSM共5種制式，支持峰值300M極速下載。使得首次搭載麒麟920的榮耀6成為全球第一款支持LTE Cat.6的手機(jī)。

當(dāng)年搭載麒麟920的榮耀6一出來，就飆升到各跑分軟件的第一名，使海思麒麟芯片第一次達(dá)到與行業(yè)領(lǐng)袖高通對飆的地位。

也是從麒麟920開始，麒麟芯片真正開始成熟了，受到的肯定開始大于質(zhì)疑。

2014年9月，海思還發(fā)布了麒麟925 SoC芯片，相較于麒麟920，大核主頻從1.7GHz提升到1.8GHz，并首次集成了命名為“i3”的協(xié)處理器。這款芯片用在華為Mate 7和榮耀6 Plus上，創(chuàng)造了華為Mate 7在國產(chǎn)3000價(jià)位上高端旗艦的歷史，全球銷量超750萬。

隨后的2014年10月，海思還推出了麒麟920的另一個(gè)升級版------麒麟928 SoC芯片，相較于麒麟925，大核主頻從1.8GHz提升到2.0GHz。該款芯片隨榮耀6至尊版一起發(fā)布，到這時(shí)，海思開始試著提升主頻來提高自己駕馭芯片發(fā)熱的能力。

中規(guī)中矩的麒麟930
在麒麟920之后，海思在2015年3月快速推出了麒麟930/935 SoC芯片。其中麒麟930采用4×A53 2.0GHz+4×A53 1.5GHz+Mali-T628MP4 GPU+微智核i3；麒麟935采用了4×A53 2.2GHz+4×A53 1.5GHz+Mali-T628MP4 GPU+微智核i3。兩顆芯片均采用28nm制程制造，且都集成了自研的Balong720基帶，集成音視頻解碼、ISP等組件，集成i3協(xié)處理器。

其實(shí)麒麟930只能算是常規(guī)升級，并沒有過多的亮點(diǎn)，但在未能獲得14/16nm制程的前提下，海思巧妙避開發(fā)熱不成熟的A57架構(gòu)，轉(zhuǎn)而使用提升主頻的能耗比高的A53架構(gòu)。而高通驍龍810因?yàn)檫x擇了A57大核，造成功耗過大，發(fā)熱嚴(yán)重，在2014年遭遇滑鐵盧，海思麒麟930/935則憑借散熱小和優(yōu)秀的能耗比打了一個(gè)翻身仗。麒麟930陸續(xù)用在榮耀X2、P8標(biāo)準(zhǔn)版、M2 8.0平板和M2 10.0平板上，麒麟935則用在P8高配版、榮耀7和Mate S上。

首款采用16nm制程的手機(jī)SoC------麒麟950
2015年11月，海思推出的麒麟950，是業(yè)界首款采用16nm FinFET制程的旗艦SoC，這代表著麒麟正式進(jìn)入全球手機(jī)芯片第一陣營。

從麒麟950開始，海思從制程追趕者成為了領(lǐng)先者，率先選擇了當(dāng)時(shí)業(yè)界最領(lǐng)先的16nmFinFET Plus制程。該芯片采用了4×Cortex A72 2.3GHz + 4×Cortex A53 1.8GHz + Mali-T880MP4+ 微智核i5架構(gòu)，集成了自研的巴龍720基帶，并且首次集成了自研雙核14-bitISP，首次支持LPDDR4內(nèi)存，集成了自研的音視頻解碼芯片，是一款集成度非常高的手機(jī)SoC芯片。

麒麟950也是全球首款采用A72架構(gòu)和采用Mali-T880 GPU的芯片，該芯片的綜合性能再次飆至第一，憑借性能優(yōu)勢和工藝優(yōu)勢，麒麟950的成績優(yōu)秀，除了GPU體驗(yàn)，其它各方面受到消費(fèi)者眾多的好評。

該款芯片陸續(xù)用在華為旗下的Mate 8、榮耀8、榮耀V8運(yùn)營商定制版和標(biāo)配全網(wǎng)通版等手機(jī)上。

2016年4月，海思發(fā)布了麒麟955 SoC芯片，把A72架構(gòu)從2.3GHz提升到2.5GHz，集成自研的雙核ISP，給了徠卡雙攝加持的P9和P9Plus、榮耀V8頂配版和榮耀 NOTE 8手機(jī)很好的助力。在徠卡雙鏡頭及麒麟955的加持下，P9系列成為華為旗下第一款銷量破千萬的旗艦機(jī)。

去除所有短板的麒麟960
如果說麒麟950還有GPU短板的話，麒麟960則將這個(gè)短板也補(bǔ)全了，2016年發(fā)布的麒麟960大幅提升了GPU性能，同時(shí)還解決了之前集成基帶不支持CDMA的問題，成為當(dāng)時(shí)第一款集成了全網(wǎng)通基帶的手機(jī)SoC芯片。

麒麟960采用的是四個(gè)A73（大核最高頻率2.4GHz）+四個(gè)A53(小核1.5GHz)的大小核架構(gòu) ，GPU是Arm最新的MaliG71 MP8。在存儲方面，支持UFS2.1；基帶方面，直接在SoC中集成了支持LTE Cat12/Cat13的巴龍750基帶，可實(shí)現(xiàn)四載波600Mbps的下行速率，上行速率也可達(dá)150Mbps，并且支持CDMA網(wǎng)絡(luò)。稍微遺憾的是依然采用的16nm制程工藝。

也就是在這一年，海思憑借麒麟960各方面綜合性能表現(xiàn)，麒麟9系列芯片正式躋身行業(yè)頂級芯片市場，與高通、蘋果形成三足鼎立的態(tài)勢。

AI加持的麒麟970
2017年9月發(fā)布的麒麟970，海思首次在SoC中集成了人工智能計(jì)算平臺NPU，開創(chuàng)了端側(cè)AI行業(yè)先河。從麒麟970開始，海思正式開啟了AI探索前進(jìn)之路，為華為的全場景智慧戰(zhàn)略打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在CPU方面，麒麟970采用的仍然是ARM公版A73架構(gòu)+A53架構(gòu)大小核心搭配，4個(gè)A73大核最高主頻為2.4GHz，4個(gè)A53小核最高主頻1.8GHz。在GPU方面，采用了Arm的Mali-G72架構(gòu)，在核心數(shù)方面，增加到了12核。通信基帶方面，支持LTE Cat.18，最高下載速率達(dá)到了1.2Gbps（4x4 MIMO，3CC CA，256QAM）。制造工藝方面，采用了臺積電的10nm制程。

麒麟970還支持同時(shí)使用兩張SIM卡時(shí)，主副卡同時(shí)用4G。此外，麒麟970還特別針對高鐵時(shí)的使用做了優(yōu)化，信號更穩(wěn)定。

值得一提的是，麒麟970里面多了一顆NPU。傳統(tǒng)的CPU（包括 x86 和 ARM）和 GPU 也是可以用來做深度學(xué)習(xí)計(jì)算的，但由于它們本身并不是專門為深度學(xué)習(xí)定制的，效率并不高。而麒麟 970 的這顆 NPU 采用了來自寒武紀(jì)（Cambricon）的 IP，專門為深度學(xué)習(xí)而定制，F(xiàn)P16 性能達(dá)到了 1.92 TFLOP，差不多是麒麟 960 的 3 倍（0.6 TFLOP 左右）。從此以后，手機(jī)全面進(jìn)入了AI時(shí)代。

加了“嚇人”技術(shù)的麒麟980
2018年9月初，在德國柏林舉行的消費(fèi)電子展IFA 2018上，海思推出了麒麟980，該芯片為業(yè)界首次采用7nm制程，集成了雙核NPU，集成了69億個(gè)晶體管，且具有GPU增強(qiáng)功能“GPU Turbo”，也就是余承東之前在微博上透露的“嚇人”技術(shù)。

在麒麟980上，海思與眾不同地采用了2+2+4 的大中小核形式，其中兩個(gè)頻率為 2.6GHz 的 A76 大核負(fù)責(zé)高負(fù)載任務(wù)，兩個(gè)頻率 1.92GHz 的 A76“中核”負(fù)責(zé)日常任務(wù)。四個(gè) A76 大核之外，還有四個(gè) A55 小核（1.8GHz）負(fù)責(zé)輕度運(yùn)算。值得一提的是，相比前幾代的公版設(shè)計(jì)，麒麟 980 的 CPU 部分采用了半定制架構(gòu)，可見華為海思已經(jīng)在充分利用 Arm的新 DSU 集群以及異步 CPU 配置了。

在GPU 方面，這次麒麟 980 采用了 Mali G76，這是 ARM 重新設(shè)計(jì)架構(gòu)后的新款高端 GPU，它有 4 到 20 個(gè) shader core，其紋理單元、渲染單元、計(jì)算單元管道位寬均大幅增加，為復(fù)雜圖形和機(jī)器學(xué)習(xí)的工作負(fù)載提供顯著的提升。華為宣稱，新 GPU 相比前代性能提高了 76%，這可以說彌補(bǔ)了華為一直以來 GPU 的短板。

在網(wǎng)絡(luò)方面，麒麟980 率先支持 LTE Cat.21，峰值下載速率 1.4Gbps，但遺憾的是仍然不支持 5G 網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，這款芯片也支持 2133MHz LPDDR4X 的內(nèi)存。

麒麟970 的時(shí)候首次為手機(jī)端 SoC 引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速芯片 NPU。在麒麟 980 中，華為再次引入了業(yè)內(nèi)首款雙核 NPU，NPU 核心采用了寒武紀(jì) 1H，實(shí)現(xiàn)每分鐘圖像識別 4500 張，支持人臉識別、物體識別、物體檢測等 AI 場景。

支持5G的麒麟9905G
如果說麒麟970 發(fā)布的關(guān)鍵詞是 AI 能力，麒麟 980 發(fā)布的關(guān)鍵詞是 7nm 工藝的話，那么華為麒麟 990 5G 芯片發(fā)布的關(guān)鍵詞就是5G 了。

2019年9月，華為在德國柏林消費(fèi)電子展上，推出了麒麟990系列芯片，包括麒麟990和麒麟9905G兩款芯片。其中麒麟9905G是華為首款旗艦5G SoC芯片，采用了7nm+EUV制程，首次將5G芯片巴龍5000 集成到SoC上，率先支持NSA/SA雙架構(gòu)和TDD/FDD全頻段，且集成了約103億晶體管。依舊延續(xù)采用臺積電的7納米工藝，采用四顆A76+四顆A55共八核心，在GPU和CPU方面有部分提升。

在CPU方面，麒麟990 5G配備了兩顆 2.86GHz 的 Cortex-A76 核心、兩顆 2.36GHz 的 A76 核心及四顆 1.95GHz 的 A55 核心，與此同時(shí) GPU 采用的是 Mali-G76（MP16）。另外它的 NPU 是由兩顆 Ascend D110 Lite 和一顆 Ascend D100 Tiny 核心組成，后者主要是用于一些低功耗的 AI 應(yīng)用。

而在連線能力方面，麒麟990 5G 適用于 SA / NSA 組網(wǎng)，但不支持毫米波技術(shù)。在 Sub-6GHz 環(huán)境下，它的下載和上傳速度分別能達(dá)到 2.3Gbps 和 1.25Gbps。另外，這款芯片配備有第五代ISP，官方聲稱它能帶來“單反級別”的噪點(diǎn)抑制表現(xiàn)。

麒麟990是針對4G網(wǎng)絡(luò)的芯片，它與麒麟9905G的主要分別在于兩顆 A76 中核心跟四顆 A55 小核心的頻率分別下降到了 2.09Ghz 和 1.86Ghz，另外 NPU 里也會少一顆 D100 Lite 核心。

巔峰之作------麒麟9000
2020年，麒麟9000發(fā)布，該芯片采用了5nm制程，集成了多達(dá)153億個(gè)晶體管，比蘋果A14的118億個(gè)晶體管還要多出將近30%，堪稱麒麟巔峰之作。

與麒麟990系列類似，麒麟9000系列芯片也包括兩個(gè)型號，分別是麒麟9000核麒麟9000E。這兩個(gè)型號的芯片規(guī)格相近，只是麒麟9000的性能會略高于麒麟9000E。

麒麟9000內(nèi)置了8核CPU核心，包括一個(gè)最高頻率為3.13GHz的Cortex-A77大核，3個(gè)2.54GHz的A77中核，及4個(gè)2.04GHz的A55小核；大核主頻突破3.1GHz，爆發(fā)性能強(qiáng)，是目前頻率最高的手機(jī)處理器。同時(shí)集成24核心的Mali-G78GPU，圖像處理能力升級，架構(gòu)超過麒麟990Mali-G76，核心數(shù)也多了一半，性能提升60％。

麒麟9000E 則比 9000 版少一個(gè) NPU 大核，搭載 的是22 核 Mali-G78 GPU。

麒麟9000通過支持5GSA雙載波聚合，Sub-6G下行理論峰值速率達(dá)4.6Gbps，上行理論峰值速率達(dá)2.5Gbps。此外，麒麟9000搭配麒麟W650支持Wi-Fi6+，理論峰值速率達(dá)2.4Gbps。無論使用5G還是Wi-Fi，麒麟9000及其配套的麒麟W650成為迄今為止最快的手機(jī)SoC解決方案。

結(jié)語
從當(dāng)前麒麟9000的表現(xiàn)來看，其實(shí)力已經(jīng)快接近蘋果和高通的水準(zhǔn)，假以時(shí)日，超過他們并不是沒有可能，但令人扼腕的是，在美國禁令逐步收緊的影響下，海思追趕的腳步戛然而止，只能眼看著差距被進(jìn)一步拉大。