5G疊加5nm為手機(jī)處理器帶來(lái)哪些改變?手機(jī)芯片設(shè)計(jì)又面臨哪些新挑戰(zhàn)?

在剛剛過(guò)去的2020年，5nm處理器只在蘋(píng)果iPhone12系列、華為Mate40以及年末發(fā)布的vivo X60、小米11（至截稿日處于預(yù)購(gòu)狀態(tài)）等少數(shù)機(jī)型搭載。而2021年，5nm處理器將應(yīng)用于更多5G機(jī)型。無(wú)論是新近推出第二款5nm處理器和首發(fā)機(jī)型Galaxy S21的三星，確認(rèn)搭載高通驍龍888的IQOO7，還是支持高通驍龍888平臺(tái)的 OPPO、魅族、黑鯊等十幾家OEM廠商，皆對(duì)5nm工藝躍躍欲試。5G疊加5nm，為手機(jī)處理器帶來(lái)了哪些改變，各大芯片廠商如何在該領(lǐng)域展開(kāi)角逐？在新技術(shù)與新制程的碰撞下，手機(jī)芯片設(shè)計(jì)又面臨哪些新的挑戰(zhàn)？

入局玩家越來(lái)越多

在CES2021上，三星發(fā)布了旗艦芯片Exynos 2100，這也是繼麒麟9000、蘋(píng)果A14、三星Exynos 1080和高通驍龍888之后的第5款5nm 5G處理器。

一般來(lái)說(shuō)，手機(jī)芯片可以劃分為AP（應(yīng)用處理器）和BP（基帶芯片）。對(duì)于新一代旗艦芯片，各大芯片廠商既強(qiáng)調(diào)5nm帶給AP的性能提升，也看重其為5G開(kāi)發(fā)的BP能力。

提升制程很燒錢(qián)，因此制程的提升必須帶來(lái)芯片性能的提升，才算“貴得其所”。直觀地從晶體管數(shù)量來(lái)看，麒麟9000的晶體管數(shù)量達(dá)到了153億，比起采用臺(tái)積電7nm加強(qiáng)版工藝制程的麒麟990（5G版），足足多出50億。而蘋(píng)果A14則內(nèi)置了118億個(gè)晶體管，晶體管數(shù)量相較7nm芯片增加了近40%。在性能數(shù)據(jù)方面，5nm工藝帶來(lái)的提升也很明顯。相較上一代旗艦芯片，驍龍888的CPU整體性能提升25%，GPU的圖形渲染速度較前代平臺(tái)提升了35%。Exynos2100處理器性能較上一代單核提升了19%，多核提升了33%，圖形性能相較于前代提升了40%。

由于手機(jī)處理的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)上升，且數(shù)據(jù)類型更加多元，AI已成為高端手機(jī)處理器的必備技能，AP也從“CPU+GPU”走向了“CPU+GPU+NPU/AI引擎”這一方向。在AI算力支援上，蘋(píng)果NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器）的內(nèi)核翻倍，算力達(dá)到了11.8TOPS。驍龍888和Exynos2100的算力均提升至26 TOPS。麒麟9000搭載的新一代NPU，采用雙大核+微核NPU架構(gòu)，性能相對(duì)麒麟990（5G）提升了100%。

對(duì)5G能力的強(qiáng)調(diào)，也是5nm處理器的一大特性。多模多頻段的連接能力是各家廠商最強(qiáng)調(diào)的配置，支持5G且向下兼容4G LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)），支持SA（獨(dú)立組網(wǎng)）/NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）雙組網(wǎng)，兼容FDD（頻分雙工）/TDD（時(shí)分雙工），并具備載波聚合、DSS、雙SIM甚至多SIM卡功能，已成各產(chǎn)品的標(biāo)配。在5G提升用戶室外體驗(yàn)的同時(shí)，各家廠商的產(chǎn)品還普遍支持Wifi6功能，并保障用戶的室內(nèi)連接，塑造了5G時(shí)代的移動(dòng)新體驗(yàn)。

同樣值得注意的是，紫光展銳和聯(lián)發(fā)科先后推出了6nm制程的5G SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片），與5nm制程的芯片產(chǎn)品僅有“一線之隔”。聯(lián)發(fā)科在1月20日發(fā)布了6nm制程的全新5G處理器天璣1200。據(jù)相關(guān)報(bào)道，聯(lián)發(fā)科代號(hào)為“天璣2000”的5nm芯片已經(jīng)滿足OPPO、vivo、榮耀等客戶的開(kāi)案需求，預(yù)計(jì)于2022年第一季度正式推出。在2022年，市場(chǎng)有望看到更多的5nm處理器設(shè)計(jì)玩家。

如何構(gòu)建差異化競(jìng)爭(zhēng)

芯片設(shè)計(jì)屬于創(chuàng)新密集型、技術(shù)密集型的輕資產(chǎn)行業(yè)，因此5nm 5G芯片的競(jìng)爭(zhēng)，可謂是全球頂尖廠商的巔峰之戰(zhàn)。

TrendForce集邦咨詢分析師姚嘉洋表示，5G手機(jī)處理器可以細(xì)分成幾個(gè)要素，分別為CPU、GPU、DSP（數(shù)字信號(hào)處理）/NPU/APU（加速處理器）、5G Modem（調(diào)制解調(diào)器）、ISP（圖像信號(hào)處理）與先進(jìn)制程的搭配。

以CPU為例，Cortex-X1、A78CPU的搭載，已經(jīng)出現(xiàn)在高通、三星的產(chǎn)品里，以此來(lái)提升處理器整體的運(yùn)算能效。

以5G Modem為例，就能看到毫米波與sub-6GHz（頻段）支援上的差異。制程方面，雖然都采用5nm制程，但畢竟臺(tái)積電與三星在良率、性能與功耗等基本要素上還是略有差別，這也導(dǎo)致了5G手機(jī)處理器之間的差異。

從CPU的研發(fā)模式中可以看出各個(gè)廠商的研發(fā)重點(diǎn)。雖然幾家芯片廠商都采用了Arm架構(gòu)研發(fā)CPU，但蘋(píng)果為了更好地整合軟硬件能力，A系列處理器多基于Arm的指令集進(jìn)行自研，單核性能較為突出。驍龍888則基于Cortex內(nèi)核進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，打造了Kryo 680架構(gòu)，以提升產(chǎn)品的整體性能和穩(wěn)定性。其他廠商大多使用公版Arm核心。

除了單核結(jié)構(gòu)，各家的多核架構(gòu)也有所不同，華為、三星、高通在性能提升上的跨度更大。

三星代工的驍龍888和Exynos2100，都采用了“Cortex-X1超大核+3個(gè)A78大核+4個(gè)A55小核”組成的3叢集8核心架構(gòu)。但即使是采用了相同的結(jié)構(gòu)，三星在性能提升方面做得更為激進(jìn)，將超大核的主頻做到了2.9GHz，略高于驍龍888的2.84GHz。

麒麟9000采用“A77大核心+三個(gè)A77中核心+四個(gè)A55小核心”組成的3叢8核心架構(gòu)，將A77主頻做到了3.13GHz，是目前頻率最高的手機(jī)處理器之一。

而蘋(píng)果更注重性能與能效的平衡，采用了2個(gè)性能核心、4個(gè)能效核心的6核心架構(gòu)。

根據(jù)蘋(píng)果公布的A13和A14分別相對(duì)A12的提升數(shù)據(jù)可知，比起A13，A14的CPU性能提升幅度為16.7%，GPU性能提升8.3%，提升幅度并不是太大。但在能效方面，尤其是低功耗模式下的性能表現(xiàn)，蘋(píng)果仍具優(yōu)勢(shì)。前魅族科技高管李楠稱，蘋(píng)果低功耗模式能最大化5nm的制程優(yōu)勢(shì)。

GPU的情況亦是如此。蘋(píng)果、高通都采用了自研GPU，華為、三星則采用了Mali G78，華為堆了24核，三星堆了14核。

從外媒去年12月發(fā)布的GFXBench圖形基準(zhǔn)測(cè)試來(lái)看，搭載蘋(píng)果A14的iPhone12系列圖像處理的跑分在業(yè)界處于領(lǐng)先地位，高通參考測(cè)試機(jī)和Mate40緊隨其后，在視覺(jué)處理能力方面皆有提升。

5G方面，華為、高通、三星都推出并在SoC上集成了自研的基帶芯片。

從大的頻段范圍來(lái)看，華為的巴龍5000，高通的X60與外掛在蘋(píng)果A14的X55，以及三星的Exynos 5123都具備同時(shí)支持Sub-6Hz和毫米波的能力。

巴龍5000在Sub-6Hz的表現(xiàn)較為突出，通過(guò)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，且支持11個(gè)5G TDD、FDD頻段。

驍龍888集成的X60基帶能夠提供7.5Gbps的毫米波下行峰值速率，居于行業(yè)領(lǐng)先地位，而外掛驍龍X55基帶的蘋(píng)果A14也享此待遇，且蘋(píng)果iPhone支持的5G主要頻段高達(dá)20個(gè)，Exynos5123的毫米波下行峰值也達(dá)到了7.35Gbps。

研發(fā)門(mén)檻越來(lái)越高

來(lái)到5nm的檔口，能制造芯片的代工廠商只剩兩家，能設(shè)計(jì)高端制程芯片的廠商更是寥寥無(wú)幾。對(duì)于旗艦智能手機(jī)處理器這種既要第一時(shí)間用上先進(jìn)制程工藝，還要具備5G和AI能力的芯片品類，設(shè)計(jì)門(mén)檻之高顯而易見(jiàn)。

一方面，5G基帶設(shè)計(jì)難度大，要與網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)保持良好互通，實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)測(cè)試得到驗(yàn)證，還要向下兼容3G、4G;另一方面，先進(jìn)制程讓芯片能夠集成更多元器件和相應(yīng)功能，提升了芯片的集成度和復(fù)雜性，因此處理器設(shè)計(jì)的難度水漲船高，研發(fā)、設(shè)計(jì)工具升級(jí)、晶圓購(gòu)買等各項(xiàng)的支出也直線上升。

“隨著制程的提升，手機(jī)處理器投入的研發(fā)金額愈來(lái)愈大。巨額的研發(fā)資金需要大量產(chǎn)品來(lái)支撐，以分?jǐn)傃邪l(fā)經(jīng)費(fèi)。而制程越小，代表晶體管密度越高，這加大了設(shè)計(jì)的難度。EDA工具的升級(jí)需要投入更多的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，而晶圓代工廠方面所需要的研發(fā)經(jīng)費(fèi)與晶圓片的購(gòu)買價(jià)格也會(huì)有所提升?！币窝蟊硎?。

對(duì)于芯片設(shè)計(jì)巨頭來(lái)說(shuō)，每一次制程的提升，都會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

“制程越小，設(shè)計(jì)越難。因?yàn)楹蠖说闹瞥坦に嚿?jí)了，前端的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)工具都需要升級(jí)，模塊庫(kù)、后端庫(kù)都不充實(shí)。到了設(shè)計(jì)階段，不僅是設(shè)計(jì)一個(gè)主處理器，還需要AD（模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換）/DA（數(shù)字-模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換）等周圍IP的支持。設(shè)計(jì)出來(lái)之后，還有驗(yàn)證階段。設(shè)計(jì)的芯片能否有效地控制功耗，能否正常運(yùn)行，能否流片成功，這些都需要很長(zhǎng)時(shí)間去驗(yàn)證。這個(gè)周期是漫長(zhǎng)而復(fù)雜的。頂級(jí)的芯片設(shè)計(jì)廠商有技術(shù)、財(cái)力去搶先走這個(gè)流程，因此更容易搶得市場(chǎng)先機(jī)?！辟惖项檰?wèn)高級(jí)分析師李秧表示。

研發(fā)門(mén)檻極高，且每隔一年或兩年就要再啃一遍硬骨頭，對(duì)于小米、OPPO等有心自研處理器的手機(jī)大廠來(lái)說(shuō)，是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。但手機(jī)大廠的應(yīng)對(duì)策略也較為多元。小米通過(guò)“投資+自研”構(gòu)建了半導(dǎo)體生態(tài);OPPO通過(guò)成立芯片研發(fā)中心和半導(dǎo)體設(shè)計(jì)子公司以及自研并收購(gòu)相關(guān)專利等方式，持續(xù)提升研發(fā)實(shí)力，目前已經(jīng)具備了協(xié)處理器的設(shè)計(jì)能力。vivo則與三星合作研發(fā)處理器，Exynos1080、Exynos 980都是雙方的合作成果。vivo方面表示，在共研Exynos 980的過(guò)程中，vivo投入了500多位專業(yè)研發(fā)工程師參與定制研發(fā)，聯(lián)合解決了100多個(gè)硬件問(wèn)題?？梢哉f(shuō)，這種基于終端用戶數(shù)據(jù)幫助芯片廠商優(yōu)化設(shè)計(jì)，并獲得相對(duì)定制化且能夠優(yōu)先搭載首發(fā)的處理器，也是一種提升品控能力的方式，有助于手機(jī)企業(yè)加強(qiáng)品牌話語(yǔ)權(quán)，并持續(xù)積累研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
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