長(zhǎng)久以來(lái)，中國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司仿佛都只能是芯片行業(yè)的追隨者，但2015年11月發(fā)布的華為麒麟950卻實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)業(yè)界第一，做到了技術(shù)上的超越。例如ARMA72的首商用，ARMMaliT880的首商用，業(yè)內(nèi)首個(gè)商用16nmFinFET+頂尖生產(chǎn)工藝的SoC芯片等。如今，搭載麒麟950的華為Mate8手機(jī)發(fā)布并大賣(mài)，業(yè)界和消費(fèi)者更是對(duì)麒麟950充分肯定。但麒麟芯片是如何做到超越的呢？前幾日，有位KOL大佬解讀了華為芯片的發(fā)展歷程，他認(rèn)為華為芯片之所以能夠從28nm跳過(guò)20nm，成功商用目前最先進(jìn)的16nmFinFET+芯片設(shè)計(jì)工藝，是因?yàn)槿A為運(yùn)氣好、賭對(duì)了。但筆者經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研和訪談，卻有不一樣的看法。今天筆者就試圖解密華為麒麟芯片是如何進(jìn)行核和工藝的選擇的。
暗硅陷阱何其“暗”？
用戶在選擇手機(jī)時(shí)，往往會(huì)去比較一些顯性規(guī)格如CPU、GPU的主頻、核心數(shù)等，然而CPU規(guī)格并不是越高越好，盲目低追求高規(guī)格、高性能就會(huì)誤入摩爾定律的誤區(qū)。根據(jù)摩爾定律，芯片每18個(gè)月到24個(gè)月，芯片性能會(huì)提升一倍，那就意味著同樣的面積下，晶體管數(shù)目會(huì)增加一倍。性能越高，晶體管數(shù)目就越多，現(xiàn)在的智能手機(jī)芯片上集成的晶體管數(shù)目已經(jīng)達(dá)到20億到30億個(gè)。過(guò)去，芯片行業(yè)要考慮的是怎么把這些更多的晶體管放到芯片里面去；而現(xiàn)在的矛盾焦點(diǎn)，不只是在芯片內(nèi)部放進(jìn)更多的晶體管，還要考慮芯片外部的工作環(huán)境、是否有足夠的電力、足夠的散熱條件。
一個(gè)極限的情況是芯片里所有的電路同時(shí)工作，那么芯片里所有的晶體管就可能同時(shí)翻轉(zhuǎn)，而晶體管翻轉(zhuǎn)是需要消耗電能的，同時(shí)所有的電都變成熱量散發(fā)出來(lái)。如果外部條件不足以供應(yīng)這么多電能，或散掉這么多熱量的話，就會(huì)導(dǎo)致芯片因?yàn)楣╇姴蛔慊蛘哌^(guò)熱不能工作。這種情況下，只能被動(dòng)地限制部分電路和晶體管的運(yùn)行，這部分被限制的、永遠(yuǎn)無(wú)法發(fā)揮性能的電路就是暗硅。
高通驍龍810就“掉進(jìn)”了暗硅的陷阱，采用20nm的驍龍810因發(fā)熱問(wèn)題而不得己采取限頻策略，基本達(dá)不到其宣稱的最高頻率4A57@2.0G，無(wú)法獲得持續(xù)性能。引用網(wǎng)絡(luò)上某知名極客炮神測(cè)試的數(shù)據(jù)：“驍龍810標(biāo)稱的2.0GHz主頻的A57只有在跑分白名單才能達(dá)到。2GHz的A57，在1分多鐘的滿載后，不降頻，會(huì)達(dá)到105度以上，然后手機(jī)過(guò)熱重啟；如果是2個(gè)A57滿載，5s核心就會(huì)超過(guò)105度，然后過(guò)熱重啟。在非跑分應(yīng)用中，單線程（注意只是單線程）負(fù)載A57也只能跑到1.5-1.6GHz，并最終因?yàn)檫^(guò)熱降頻到1-1.2GHz。”在手機(jī)芯片有限的空間，過(guò)于追求性能，就會(huì)導(dǎo)致功耗和發(fā)熱問(wèn)題，并且功耗會(huì)隨著溫度增加而增加。功耗和熱，互相影響，最終會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)。
暗硅陷阱如何解？先進(jìn)工藝是關(guān)鍵
然而，暗硅陷阱并非無(wú)解，想要使用最先進(jìn)的CPU、獲得更高的性能，關(guān)鍵是需要配合先進(jìn)的工藝制程。我們?cè)賮?lái)看一看華為麒麟芯片的選擇。從當(dāng)時(shí)可選擇的工藝看，2015年能夠穩(wěn)定成熟商用的還是28HPM，而20HPM、14/16FinFET等新工藝也有廠商選擇，但還不夠成熟。華為芯片上半年推出的是28HPM工藝搭配8核A53的芯片麒麟930。以28納米為基礎(chǔ)，20納米用傳統(tǒng)的晶體管架構(gòu)走下去，集成度還OK，是28納米的1.9倍，但是功耗只能降到75%，不夠理想。這意味著同樣的die面積，放進(jìn)去將接近兩倍數(shù)目的晶體管，功耗會(huì)上升42.5%。如果選20納米，當(dāng)時(shí)還是可以宣稱業(yè)界領(lǐng)先的工藝，但可能無(wú)法提升用戶體驗(yàn)，因?yàn)榘凑赵瓉?lái)架構(gòu)方式選擇新工藝、增加更多的功能，卻沒(méi)有辦法很短時(shí)間讓手機(jī)散熱能力提升40%，在熱敏感、熱保護(hù)情況下，芯片性能被限制住，性能有可能比上一代還要差。站在消費(fèi)者角度，用戶需要的是一個(gè)能帶來(lái)好的體驗(yàn)的芯片和手機(jī)，并不在乎你選擇的是什么樣的工藝，這不僅僅是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，更要從用戶體驗(yàn)的角度去做選擇。
由此看來(lái)，16nmFinFET+工藝是最佳選擇。
CPU核心如何選擇？重點(diǎn)看能效比，并踩準(zhǔn)時(shí)間節(jié)奏
前面說(shuō)完了工藝的選擇，下面再來(lái)看一看2015年上半年，可以選擇的的CPU核心。ARM在同一時(shí)期推出了A57和A53兩個(gè)64位新架構(gòu)的處理器核心，A57主打高性能，A53主打高能效。然而A57雖然有著強(qiáng)大的性能，卻并不是專門(mén)針對(duì)移動(dòng)終端設(shè)備設(shè)計(jì)的處理器核心，只有高通和三星兩家公司選擇將A57用在手機(jī)上。高通驍龍810采用A57核心，搭配20nm工藝，大大超出3.5W的熱設(shè)計(jì)功耗上限，出現(xiàn)了嚴(yán)重的發(fā)熱問(wèn)題，導(dǎo)致A57的高性能完全發(fā)揮不出來(lái)。同樣采用A57核心的三星Exynos7420卻沒(méi)有這樣的問(wèn)題，7420使用自家14nmFinFET工藝，在性能和功耗上比20nm工藝都有提升，彌補(bǔ)了A57架構(gòu)能效上的差距。相同的故事，結(jié)局卻不同，原因就是高通急于推出產(chǎn)品，做出了錯(cuò)誤的選擇，讓不該發(fā)生的錯(cuò)誤發(fā)生，A57@20nm用在手機(jī)上就是一個(gè)悲劇。而三星選擇了正確的工藝來(lái)搭配先進(jìn)的CPU。2015年上半年，在14/16nm先進(jìn)工藝尚未成熟商用的情況下，除了高通和三星兩家使用A57核心，其他的手機(jī)方案基本全部選擇了能效比更好的A53架構(gòu)。
性能與功耗完美平衡，帶來(lái)更好體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)彎道超越
由此，我們可以看出，不論是在先進(jìn)工藝上，還是CPU核的選擇的上，筆者認(rèn)為華為的麒麟芯片都很好地遵循了從用戶體驗(yàn)的角度做選擇和做設(shè)計(jì)的思路，選擇最佳能效比的工藝搭配最先進(jìn)的CPU核心。16nmFinFET技術(shù)能夠大大提升手機(jī)芯片的能效比，目前全球僅有2家公司率先實(shí)現(xiàn)16nm新技術(shù)的在手機(jī)上的商用：一家是蘋(píng)果，使用自家的蘋(píng)果A9在iPhone6S上商用；另一家就是華為，使用自家的麒麟950芯片，在Mate8上實(shí)現(xiàn)商用。其他使用16nm技術(shù)的芯片如高通和MTK等同類芯片的手機(jī)大約要半年左右才能上市了。但和蘋(píng)果A9相比，實(shí)際上，麒麟950面臨的挑戰(zhàn)還更大一些，麒麟950SoC中除了集成了主要的CPU、GPU、Camera、ISP、audio、video、memory等子系統(tǒng)外，跟蘋(píng)果最大的區(qū)別是，麒麟950還集成了Modem通信處理器模塊，這意味著設(shè)計(jì)難度的增加、晶體管數(shù)目的增加、功耗控制難度的增加。麒麟950里放入了30億的晶體管，30億的晶體管放在一起，之間會(huì)互相干擾，設(shè)計(jì)規(guī)格更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)規(guī)則多達(dá)4萬(wàn)條。華為芯片是第一家把16nmFinFET技術(shù)真正做到成熟商用的中國(guó)公司，在基礎(chǔ)工藝上第一次跟業(yè)界同步——同步量產(chǎn)、同步提升良率，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，這是很大的考驗(yàn)和挑戰(zhàn)。
隨著手機(jī)芯片性能大戰(zhàn)的升級(jí)，我們可以看到，不同的芯片廠商設(shè)計(jì)思路不一樣，有些廠商一味追求最強(qiáng)性能，卻忽視了這些最強(qiáng)性能對(duì)用戶是否有意義、需要犧牲多少功耗代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)、是否會(huì)影響用戶的實(shí)際體驗(yàn)。而華為麒麟芯片，從第一代開(kāi)始就一直遵循性能與功耗最佳平衡的設(shè)計(jì)思路，值得稱頌。用戶不該為過(guò)剩的性能和發(fā)燒的手機(jī)買(mǎi)單，我們更希望看到，手機(jī)芯片廠商能夠減少?zèng)]有實(shí)際價(jià)值的比拼，把規(guī)格和性能比拼引導(dǎo)到用戶實(shí)際體驗(yàn)上來(lái)。
華為手機(jī)芯片的快速發(fā)展和超越確實(shí)讓人吃驚，從2006年開(kāi)始研發(fā)手機(jī)芯片，2009年推出第一代智能機(jī)應(yīng)用處理器K3，初探市場(chǎng)；2012年推出第二代應(yīng)用處理器K3V2，在高端手機(jī)市場(chǎng)獲得了初步成功；2013年將通信處理器集成到應(yīng)用處理器中，推出手機(jī)SoC芯片麒麟。經(jīng)過(guò)幾年的快速迭代，華為在2015年11月發(fā)布麒麟950，終于站到了頂級(jí)手機(jī)芯片的行列，完成了不可能完成的任務(wù)。
