浅谈手机处理器SoC的制造工艺以及构成和工作原理

手机芯片名为SoC(System on Chip)，中文意为系统级芯片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路是一个“片上系统”，一颗手机处理器包括了CPU、GPU、基带、ISP等众多单元，这些单元集成在一起叫做SoC

1. CPU架构

     CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标示。手机SoC中的CPU使用的是ARM公司开发的cortex架构，属于精简指令集架构，特点是低功耗，而电脑上的CPU基本使用的是x86架构 属于复杂指令集架构，特点是高性能。

     ARM架构由ARM公司研发，ARM公司会将ARM公版架构授权给芯片设计公司，由芯片设计公司对公版架构进行定制、改进（高通的kryo CPU核心就是基于公版cortex架构魔改而来）。

     上面提到 arm 处理器的命名分为 A、R、M 三个系列，这三个系列分别代表三种不同的应用领域：

   这里主要介绍  cortex-A 系列，指的是 Application，主要高性能的处理器。

cortex架构的近代史

     手机SoC中的CPU部分采用cortex-A 系列架构，2012年后ARM v8架构发布，首次在移动设备上提供了64位指令集的支持，性能得到巨大提升。ARM v8中最为出名的能效、性能最佳ARM处理器的核心为：Cortex-A73，也就是骁龙835中的Kryo 280 CPU的蓝本，性能相比14nm工艺的制造的前代A72高出30%，功耗大幅降低。

     从此以后的A75 A76等架构的性能和功耗都不尽如人意，如骁龙845中成为Adreno 630 GPU瓶颈的A75核心和骁龙855中功耗失控的A76核心

     骁龙865中的的A78核心经历了短暂的好评后，从第二年的新系列cortex X1核心到第三年的X2核心，连续两年CPU性能提升微乎其微，但是功耗大幅增长，这来源于两个因素，一是ARM在架构设计上摆烂，二是高通为了缩减工艺成本采用了良品率更低的三星工艺，这造成了骁龙888和骁龙8gen1的严重失败，采用了骁龙888和骁龙8gen1的手机，曾出现过大面积wifi虚焊事件，厂商为了控制soc的功耗，使用降频、锁帧等暴力方式，严重影响了用户体验。

     谷歌Tensor处理器，CPU部分包含了2个X1超大核心，不仅未得到性能的提升，还造成了功耗翻倍的尴尬，直到高通在2022下半年推出了采用台积电工艺的骁龙8+ gen 1，使得CPU功耗被有效控制

     而苹果的A系列soc采用ARM指令集，自研CPU架构，这为A系列芯片的CPU带来了比公版架构更强的性能和比公版架构更小的功耗，苹果在2019年发布的A13芯片（iPhone11系列所使用）依然能以碾压之势胜于2020发布的骁龙888，骁龙888以极高的功耗，换取接近到A13的性能。苹果在iPhone14的发布会说到“直到2022年，我们的竞争对手还在苦苦追赶我们三年前芯片的性能” 

     高通骁龙，海思麒麟，三星猎户座等等手机soc中的CPU部分，均采用了ARM授权的公版架构，所以苹果完全自研的CPU架构在一众使用公版架构的CPU中具有绝对优势。

2.制程工艺

     制程指的是芯片中每个电路之间的距离，制程越小，芯片集成度越高，可容纳的晶体管越多，在提高芯片性能的同时能缩小芯片面积，且因为晶体管之间距离缩小，电能损耗减小，发热也会降低，近几十年来，芯片制程一路从μm(微米)提升到了nm(纳米)，过程漫长且艰辛

     1963年，仙童公司的弗兰克.万拉斯和华人萨支唐首次提出CMOS电路技术。CMOS技术对芯片制造业未来几十年的发展起到了重大作用。今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺制造。

     但是CMOS工艺技术有一个非常大的缺陷，那就是当半导体栅极长度逼近20nm大关时，对电流控制能力急剧下降，出现电子隧穿效应，晶体管不再能够束缚电子的运动，漏电率相应提高，也就是说利用CMOS工艺技术生产的半导体，其制程极限为20nm

     1970年代，芯片制程还在μm阶段，2000年代，制程已经达到100nm，到了2010年左右，芯片制程逐步逼近20nm，CMOS工艺即将迎来极限，为了进一步提高晶体管的集成密度，胡正明教授在美国加州大学领导着一个研究小组开始研究如何让CMOS技术拓展到20nm及以下领域

     于是，一种新的晶体管结构FinFET（鳍式场效应晶体管）诞生了，FinFET是由胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授发明，实现了两点突破，一是把晶体做薄后解决了漏电问题，二是向上发展，晶片内构从水平变成垂直即二维变成三维，源极被三面环绕，增强了晶体管对电子的束缚能力

      20nm制造工艺的突破为手机soc的制造带来了极大的便利，因为手机soc的面积比PC端CPU面积小得多，并且soc中集成了包括CPU等单元，所以如果要在手机上获得较高的性能，只有增大晶体管的集成密度

     从2015年到如今，soc的制造工艺从20nm进步到了5nm以下，由于晶体管中栅极长度的进一步缩小，FinFET技术也即将到达极限，为了让晶体管拥有更强的束缚电子能力，GAA（全环绕栅极晶体管）技术随之诞生，GAA技术，它克服了FinFET晶体管的尺寸和性能限制，在通道的各个侧面都有四个栅极，以提供全面覆盖，进一步增强晶体管对电子的束缚能力

      2022年6月30日，三星电子宣布正式量产3nm GAA工艺，全球另一大半导体制造公司:台积电，在3nm工艺节点仍然使用FinFET晶体管技术，但是其也将在2nm节点引入GAA技术，商用高性能芯片在未来几年里，GAA技术将逐步取代目前主流的FinFET技术

工艺的命名

     常能听到某手机厂商宣传某某芯片采用了多少nm工艺，在探讨工艺前，首先仍需明确一个概念。即现在的“几nm”工艺这样的称谓，顶多就是个营销概念。不管是7nm还是5nm，晶体管或者芯片微观层面，都不存在哪个几何参数是7nm或5nm。如此一来，5nm也就名副其实地成为了一个虚指，它仅能用于表达一个工艺节点，“5”不存在实际意义，其实早在cmos时期，以nm单位来衡量晶体管的集成密度就已不完全准确，2012年22nm节点问世时，随之而来的FinFET晶体管结构，这种3D结构要用一个数字来衡量晶体管尺寸也更难了。一颗芯片上，晶体管并不是只有逻辑电路，更非仅采用高密度单元，晶体管也不是均匀分布。具体的仍要看芯片本身的设计。如今“老实”的英特尔已经放弃和台积电 三星玩xx nm的数字游戏，改用了全新的工艺命名方式，如“Intel 4”，“Intel 3”，“20a”，“18a”等

3.时钟频率

     CPU频率，即CPU的时钟频率，是指CPU运算时的工作的频率，单位是Hz，简单来说，频率就是CPU每秒钟计算次数，常用单位有Mhz(百万次)，Ghz(十亿次)，比如说一款处理器的CPU频率为2.8Ghz，即为CPU最高每秒钟可计算28亿次，所以频率是决定CPU性能的参数之一

4.核心数量

     手机soc的CPU一般会有6个或8个核心，分为性能核心和能效核心，性能核心频率较高，架构较先进，主要应对手机需要处理大型任务的时候，同时耗电较多。能效核心一般频率较低，架构较低级，主要用于日常的用户使用，同时耗电较少，CPU常用的丛集为1+3+4或者4+4或者2+6或者2+4，以下是两组CPU丛集组合

骁龙888(三星5nm工艺):

1个cortex-X1超大核心  2.8GHZ

3个cortex-A78大核心 2.4GHZ

4个cortex-A55小核心  1.8GHZ

骁龙845(三星10nm工艺):

4个cortex-A75大核心  2.8GHZ

4个cortex-A55小核心  1.7GHZ

     但为什么845和888的大核心频率一样，性能却相差如此之多？原因是CPU的性能由架构，制程共同决定，从845到888的CPU架构经历了三次迭代，制程从10nm提升到了5nm，架构和制程的迭代带来的就是性能的提升

     CPU主要负责逻辑指令的执行和处理，但是当CPU遇到大量的简单计算时，复杂的逻辑处理反而会降低运行效率，那这大量的简单计算究竟交给谁呢，那就是GPU了，GPU主要负责图形渲染等计算工作，减轻CPU负担，增强游戏体验

1.架构

     手机soc中的公版GPU架构为ARM的mali架构，目前华为的海思麒麟和联发科的天玑芯片正在使用公版mali架构，也有像高通的Adreno架构和苹果这样的自研GPU架构

2.频率

     手机soc的GPU频率一般明显低于CPU频率，一般不超过1GHZ，因为GPU内拥有大量的计算核心-流处理器单元，大批量的数据构成的矩阵，同时在不同流处理器单元内经过几步，便可以完成全部计算，因而大大缩短了延迟，不需要过高的频率

     手机拍照，录像的图像信号都会由ISP进行处理，目前ISP芯片分为两种，一种是集成式，就是这篇文章所讲的一样，它跟CPU，GPU，基带等一起集成在soc中。另一种是独立式，其拥有明显的优势，在图像处理能力和成像质量上都更加优秀，而且独立ISP一般是手机厂商根据不同机型的摄像硬件定制，也能更好的发挥出手机相机的实力，但高通似乎很有信心在未来用集成ISP干翻独立ISP

     手机中通常由两大部分电路组成，一部分是高层处理部分，另一部分就是基带/调制解调器/猫，基带英文全称Baseband，也可以翻译为“信源”（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带。简单来说，手机处理器负责处理信息，基带将处理后的数据转换成无线电信号发出，当手机接受无线电信号时，基带将无线电信号转换为CPU能处理的数字信号，而我们上网，通话时的无线信号的收发均由基带完成。同时，基带也分为集成式和外挂式

     骁龙865采用外挂基带是因为处理器内部寸土寸金，如果要保证soc的面积大小不变把基带集成进soc，必然会带来性能的牺牲。骁龙888使用了5nm制程，使得soc在相同面积内能容纳下更多的晶体管，所以高通这一次把x60基带集成进了soc。

     DSP即数字信号处理器，它原本主要用于处理音频信号，比如语音降噪、数模转换和实现特殊音效等。

   但是在高通的改进中，赋予了dsp更多的意义，骁龙888中的Hexagon 780不仅用来处理数字信号，同时其具有强大的AI运算能力，在高通的分布式AI引擎系统中起着关键作用，详情参见下文NPU部分

     neural-network process units(NPU)，翻译成中文叫“嵌入式神经网络处理器”。这个名字听起来很高端，简单来说，它主要负责处理涉及神经网络算法和机器学习的海量数据，因为神经网络算法及机器学习需要涉及海量的信息处理，而当下的 CPU／GPU 都无法达到如此高效的处理能力，也就是AI能力，需要一个独立的处理芯片来做这个事，才有NPU的诞生。

高通的创新：分布式“NPU”

     然而高通在这一方面走出了另一条路，不只是内含NPU的Hexagon 780协处理器具备AI计算能力，包括我们前文中所提到的CPU，以及Adreno GPU都有针对AI计算进行特别设计，高通使用soc内部分布的多个单元组成了一个强大的AI引擎系统

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