深入剖析5nm芯片

蘋果公司于2020年10月發(fā)布了新型智能手機“iPhone 12”系列，搭載的是采用5納米工藝的全球首個名為“A14 BIONIC”芯片。蘋果公司將“A14 BIONIC”芯片應(yīng)用到了iPhone 12、新款“iPad Air”。

2020年11月蘋果公司又發(fā)布了搭載“Apple Silicon M1（采用5納米工藝）”的“MacBook Pro”、“MacBook Air”、“Mac mini”。蘋果2020年秋季至冬季的新品都搭載了采用尖端5納米工藝的處理器。

同一時期，中國的華為/海思也發(fā)布了搭載5納米“Kirin 9000”的尖端智能手機---“Mate 40 Pro”。

截止到2020年年末時間點，發(fā)布搭載5納米處理器的智能手機的廠家僅有蘋果和華為兩家公司，其處理器都是臺灣TSMC生產(chǎn)的。就這樣，TSMC率先開啟了5納米時代。

三星連續(xù)發(fā)布數(shù)款采用5納米工藝的產(chǎn)品

2021年初，Samsung Electronics（以下簡稱為“三星”）為了追趕TSMC，連續(xù)發(fā)布了數(shù)款搭載5納米工藝處理的產(chǎn)品。下面進行詳細解說。

下圖1是中國小米發(fā)布的高端智能手機“Mi 11”的分解圖片。拆下背面蓋板和主板后，放大的處理器照片。處理器采取疊層封裝技術(shù)（Package On Package，POP），上部封裝為DRAM，下部封裝為處理器。

圖1：2021年1月發(fā)售的小米“Mi 11”。（圖片出自：Technology Analyze Everything）

“Mi 11”在攝像頭上也十分出色，搭載108M（1億800萬）像素的CMOS圖像處理器。DRAM為8GB的LPDDR5，處理器為美國高通的最新“Snapdragon 888”。也有12GB的DRAM，但此次分解的為8GB產(chǎn)品。

下圖2為2021年1月發(fā)布并開始銷售的三星的高端智能手機“Galaxy S21 Ultra 5G”，下圖2為拆下蓋板后，放大了主板和處理器部分的圖片。

圖2:2021年1月三星發(fā)布的高端智能手機“Galaxy S21 Ultra 5G”。（圖片出自：Technology Analyze Everything）

處理器與圖1中小米的“Mi 11”一樣，都是高通的“Snapdragon 888”，但DRAM為12GB的LPDDR5。攝像頭與小米一樣為108M像素的CMOS圖像傳感器，且為四眼攝像頭。

與小米“Mi 11”最大的差異是三星的基板為兩層，即小米采用了一封基板，三星采用了兩層基板。

第一層為用于通信的收發(fā)器（Transiver）、功率放大器（Power Amplifier），第二層為處理器、存儲器。就高端智能手機而言，蘋果和華為都采用的是兩層基板結(jié)構(gòu)。而且三星的5G手機都是兩層基板構(gòu)造?！癕i 11”雖然也是高端機型，卻采用了單層基板。此外，小米的基板在降噪方面做了很大努力（本文不做詳細說明）。

歷代“Galaxy”上搭載的“Exynos”系列

圖3與圖2 一樣，是三星于2021年1月發(fā)布并發(fā)售的中高端機型“Galaxy S21 5G”的分解圖。圖3為取下背面蓋板、無線充電線圈、主板后，放大后的處理器圖片。處理器與以上兩種不同，而是三星自己生產(chǎn)的高端處理器-—“Exynos 2100”。

圖3：2021年1月三星發(fā)布的“Galaxy S21 5G”。（圖片出自：Technology Analyze Everything）

“Exynos 2100”是三星于2010年自主研發(fā)的處理器，被應(yīng)用于各款Galaxy手機。圖3中雖然是被應(yīng)用于中高端機型，但也有應(yīng)用于高端機型的情況。其關(guān)系并不是高通＞三星，而是Snapdragon 888 = Exynos 2100。就搭載了“Exynos 2100”的機型而言，在“Galaxy S21”中，有8GB LPDDR5，也有12GB版本。Galaxy S21和Galaxy S21 Ultra都是雙層基板結(jié)構(gòu)。就Galaxy S21的攝像頭像素而言，比以上兩款稍差一些，為64M。

三星將Exynos和Snapdragon分開使用

下表1是圖1到圖3的匯總圖。小米為一層板，三星的兩款機型都是雙層板，就攝像頭而言，高端機型為108M像素，中端機型為64M像素，雖然DRAM都采用了LPDDR5，但是容量分別為8GB和12GB。處理器也分為高通的Snapdragon 888和三星的Exynos 2100。雖然本文不會涉及過多，三星也對外發(fā)售了處理器“Exynos 1080”，其性能略遜于Exynos 2100。

表1：三種機型所搭載的處理器和存儲器的對比。（表格出自：Technology Analyze Everything）

Exynos 1080已經(jīng)被中國的智能手機所采用。

下表2比較了三星的“Exynos 2100”和高通的“Snapdragon 888”，Technology Analyze Everything株式會社分別對兩款芯片進行了拆解和分析，芯片面積的測量精確到0.01mm（本文不涉及具體數(shù)值）。

表2：三星的“Exynos 2100”和高通的“Snapdragon 888”的比較圖。（表格出自：Technology Analyze Everything）

兩款芯片都是由三星的5納米制程制造的。蘋果和華為的芯片由TSMC制造，而高通和三星這兩家強勢企業(yè)使用的是三星的5納米制程。

兩種芯片的規(guī)格極其類似。將高、中、低三個階層的CPU設(shè)計為八核（高規(guī)格為1核、中規(guī)格為3核、低規(guī)格為四核），也將5G模式匯集于此。5G模式的頂峰速度幾乎相等。此外，AI加速計算性能為26TOPS，幾乎相等。GPU和DSP雖然不一樣，但是性能幾乎同等。

比較Snapdragon和Exynos的面積

下圖4是過往七年內(nèi)高通的Snapdragon 和三星的 Exynos的面積比較圖。Snapdragon（表示為SD）為藍色，Exynos（表示為E）為橙色。

圖4：過去七年內(nèi)Snapdragon和Exynos的面積比較圖。（圖片出自：Technology Analyze Everything）

高通和三星不一定在同一年份使用同一款處理器。最左邊的“Snapdragon 810”采用的是20納米工藝，同年的“Exynos 7420”為14納米。由于制造工藝不同，因此面積也不同，“Snapdragon 810”的面積是“Exynos 7420”的1.7倍。

對于一直致力于尖端規(guī)格的高通而言，這種差異是一大打擊。如果使工藝微縮化，就可以下調(diào)電壓，從而縮小芯片面積，最終也更易于降低功耗。由于選擇了20納米工藝，因此在各方面都落后于同年使用了14納米的三星。

后來，高通一直在堅持制作比“Exynos”面積小的芯片。并不是降低性能，而是進一步強化封裝、軟件和硬件的協(xié)調(diào)性設(shè)計。

2021年三星推出了采用5納米工藝的大型處理器。與TSMC一樣，其5納米工藝的主要用途是手機。有不少讀者向Technology Analyze Everything 株式會社詢問：TSMC和三星，誰更出色？誰的速度更快？誰更小型化？

比較TSMC的5納米芯片和三星的5納米芯片

下圖5是比較了用TSMC的5納米工藝制造的華為/海思的Kirin9000和三星5納米工藝制造的“Exynos 2100”。我們的測量單位還是精確到0.01mm。

圖5：TSMC的5納米工藝制造的華為/海思的Kirin9000 和三星5納米工藝制造的“Exynos 2100”的比較圖。（圖片出自：Technology Analyze Everything）

一般情況下，很難比較兩種同樣的產(chǎn)品。但是，兩款處理器都搭載了同樣規(guī)格的運算器。且GPU都是Arm “Mali G78”。三星為14核，海思為24核，核數(shù)不一樣，但是“核”的單位是一樣的。

也可以計算出采用TSMC 5納米工藝制造的芯片的面積與三星5納米工藝制造的芯片面積之差。同樣，CPU核都搭載了4核的Arm“Cortex-A55”，因此，可以計算出A55的單個核的差。就周波數(shù)性能、面積差異等而言，Technology Analyze Everything株式會社已經(jīng)在別處公布。

2021年還會相繼發(fā)布采用5納米工藝、6納米工藝的產(chǎn)品，未來Technology Analyze Everything株式會社還會繼續(xù)拆解芯片，比較各家公司的產(chǎn)品差異。

編輯：jq