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纳米竞争:移动芯片的未来将这样发展

发布时间:2019-10-12 19:34:33

最近一段时间,关于最新一批ARMv8架构处理器的讨论相当的多,新的处理器架构可以带来更高的主频和更少的能源消耗,同时GPU也伴随着比较大的进步。不过关于移动处理器的大小已经大小的改变如何影响能源效率的使用,却很少有人关注。

虽然芯片的尺寸并不是衡量一款处理器好坏最重要的因素,但是更小的体积和更高效的节点可以带来一些额外的电池续航寿命,同时还能让芯片的造价更低。因此,很多芯片厂商在未来的几年里都会更加关注于处理器的工艺以及体积变化。

处理器制造工艺

在进一步深入讨论之前,我们可以回顾一下处理器的制造工艺。从本质上来说,处理器的制造过程和工艺代表了处理器是如何创建、以及它的大小和使用了何种技术。

当我们谈到处理器的大小和制造工艺时,总会看到nm(纳米)这个词。在这种情况下,nm这个数字代表了CPU或GPU中单个晶体管的大小。通常的规则是晶体管尺寸越小、彼此之间的距离就越短,能源消耗也就更低。另外,体积变小也会让生产成本越低。因为一旦达到了某种收益率的标准,厂商制造出每个芯片所使用的硅原料也就越少。然而,不同的处理器拥有不同的晶体管尺寸,因此这是制造商们必须要考虑的事情。

至于制造工艺的过程,首先要在晶体管里掺杂硅片,让其拥有不同的导电特性,然后晶体管逐渐通过微观电解质层(绝缘)连接到电阻层,这就是芯片的创建原理。而非照片电阻层部分(表层)则用透镜通过紫外线利用微弱的光点提高光线的亮度。

而准确的工艺都是让芯片尺寸变小必不可少的条件,新技术的突破可以让处理器变得更小、更高效。

移动芯片尺寸的演变

从早期的Android手机开始,移动芯片的体积已经大幅缩小了。2008年问世的HTCDream,也被称作T-Mobile G1,当时配备了65nm工艺的高通MSM7201A处理器,主频只有528MHz。而早期其它的Android手机则使用了德州仪器的芯片,比如摩托罗拉Droid。而HTC Nexus One当时则使用的是骁龙S1处理器,采用了比较先进的65nm工艺。

在2010年年初,NVIDIA带来了采用40nm工艺的Tegra 2芯片,而随后高通骁龙S2和三星首款Exynos处理器也都使用了45nm的工艺。

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不过,这样的趋势并不代表移动芯片工艺一直以两倍的速度提高。比较近期的NVIDIA Tegra 3仍然还在使用40nm生产工艺,而三星的Exynos 4212已经提高到32nm。而无论是高通还是三星,在2012年年中都停留在了28nm工艺。

从那时起,高通的骁龙系列和NVIDIA的Tegra芯片都一直在使用28nm制造工艺,包括去年的骁龙805和Tegra K1等,这也标志着近两年,移动芯片的制造工艺进步已经非常缓慢。现在,三星已经成功的处于领先的地位,最新量产的Exynos 5430和5433分别被使用到Galaxy Alpha和Galaxy Note 4上,工艺提升到了20nm级别。而PC芯片巨头英特尔在移动领域虽然一直水土不服,但旗下的Bay Trail芯片也使用了22nm工艺。

对于2015的期待

尽管最近几年移动芯片的尺寸没有明显的变化,但是我们还是看到了在性能方面的改善。全新的64位ARM Cortex-A57和A53核心在今年将会为移动设备带来更高的性能和能源的更高效利用。首先,新的核心设计已经经过了全面改善,其次现在高通和三星都已经具备了20nm工艺的量产能力。

台积电将会为高通代工骁龙808和810,而在今年的大批旗舰智能手机和平板电脑上都会看到它们的身影。而三星的Exynos 7410将会继续使用20nm工艺,就像Exynos 5430和5433一样。而另一股不可忽视的力量则是联发科,虽然目前量产的处理器还是28nm,但是旗舰级处理器已经提升到了20nm。

另外,16nm工艺也会成为今年的另外一大话题,比如台积电目前已经具备了这样的能力。虽然在年初台积电就已经开始量产16nm工艺芯片,但是等到大批量被应用到产品中,还需要等到年底或2016年年初。

同时英特尔和三星也具备了14nm工艺的生产能力。三星今年已经宣布联手GlobalFoundries开始部署14nm芯片的生产,并且目前已经开始进行了尝试。不过,搭载14nm工艺芯片的三星智能手机或平板电脑不太可能在2015年亮相。而英特尔的Cherryview以及Broxton平台也计划在2015年之后亮相,并且从目前来看极具吸引力。

台积电的7nm

当然,芯片的工艺不会停留在14/16nm工艺水平,所有的主流厂商都盯上了10nm甚至更先进的工艺。目前ARM已经开始和台积电合作,在2016年开始生产10nm工艺新品。而继英特尔之后,台积电也表示开始进军7nm工艺领域,并且在不远的将来就会实现。根据欧洲最大的芯片制造设备厂商ASML NV表示,目前台积电已经计划购买两种最先进的EUV扫描仪,而很有可能在2016年用来提高光刻的精度,缩小节点距离。

虽然目前的光刻扫描仪是10nm水品,但是同样可以通过扩大规模提升工艺。台积电计划最早在2018年开始投产7nm工艺产品。而作为世界上最大的芯片厂商,英特尔也表示已经找到了制造7nm工艺新品的新方法。

从目前的情况来看,现在处于主流的20nm工艺的“寿命”将会要比之前的28nm工艺短了多,而到了明年,主流的芯片工艺将会保持在20nm工艺水平。

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