從設(shè)計到生產(chǎn)看一顆SOC的誕生

　　對于選購一臺手機(jī)而言，我們除了注重外觀、設(shè)計、屏幕大小之外，性能當(dāng)然是必然著重考慮的因素，就像一般用戶買汽車，并不會選擇用30萬去買一個0.6排量的車子(非混/電動)，所以硬件配置是根基，良好的體驗(yàn)需要基于強(qiáng)大的硬件性能。而手機(jī)的綜合性能由處理器、RAM、ROM以及軟件上的驅(qū)動/系統(tǒng)優(yōu)化所決定，其中手機(jī)處理器則扮演著一個舉足輕重的角色。

　　一、半導(dǎo)體公司有哪幾種

　　半導(dǎo)體公司按業(yè)務(wù)可分為3個類別：

　　1.IDM，這一模式的特點(diǎn)是半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)都由自己完成，例如內(nèi)核的開發(fā)與制造，自己同時具備設(shè)計以及生產(chǎn)的能力，例如Intel、意法半導(dǎo)體、現(xiàn)代等等。

　　2.Fab，這種模式只專注于工藝的研發(fā)以及代工，就像臺積電，它們不設(shè)計芯片，僅幫代工芯片。

　　3.Fabless，F(xiàn)abless企業(yè)僅專注于IC的設(shè)計，它們把設(shè)計出來的“芯片”給Fab企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)，形成產(chǎn)品，而隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電子產(chǎn)品更貼近于個人的需求，這便從Fabless衍生出Chipless模式，Chipless模式下的企業(yè)既不生產(chǎn)芯片也不銷售芯片，它們只提供IP的授權(quán)，像是ARM和Imagination。

　　二、挖一下全球晶圓生產(chǎn)/代工商

　　如今全球范圍規(guī)模較大的晶圓代工廠商有：臺積電(TSMC)、三星、英特爾(Intel)、Globalfoundries(GF)、臺聯(lián)電(UMC)、中芯國際(SMIC)、意法半導(dǎo)體(ST)等等，但它們并不是全部都代工生產(chǎn)手機(jī)Soc芯片的，生產(chǎn)手機(jī)處理器Soc的基本集中在臺積電、三星、Intel、GF這四家。

　　2015年+2016年初熱門手機(jī)處理器生產(chǎn)/代工商：

　　臺積電：驍龍615/617/652/808/810、聯(lián)發(fā)科全系列、蘋果A9(16nm)、麒麟950/930、蘋果A10(10nm)

　　三星：驍龍820、Exynos 7420/8890、蘋果A9(14nm)

　　英特爾：Atom全系列

　　Globalfoundries：瑞芯微系列

　　三、一顆Soc如何誕生

　　指令集/IP核的授權(quán)+核心的設(shè)計

　　我們經(jīng)常接觸的高通驍龍XXX，聯(lián)發(fā)科MTXXXX，麒麟XXX之類的Soc，他們沒有自己的晶圓生產(chǎn)線，通過從ARM、Imagination中購入IP授權(quán)或是指令集授權(quán)(其中高通像驍龍820則是通過獲得ARM的指令集授權(quán)，再自行研發(fā)Kryo核心，而聯(lián)發(fā)科/麒麟則是直接獲取A72/A53一類的IP核授權(quán))，然后把這些Soc交給臺積電或三星進(jìn)行代工生產(chǎn)。

　　而三星Exynos則比較特殊，例如最新的Exynos 8890既有自主研發(fā)的核心，也有ARM的公版核心，則它的授權(quán)費(fèi)用主要來源于ARM的指令集+IP核，費(fèi)用自然比全是公版核心的聯(lián)發(fā)科/麒麟要低，但Exynos也不像高通驍龍，三星有自己的晶圓生產(chǎn)線，無需找臺積電進(jìn)行代工生產(chǎn)。既然內(nèi)核方案有了，代工商也找到了，那么就是時候進(jìn)入具體的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

　　Soc的生產(chǎn)

　　一顆處理器(Soc)如何誕生這個過程相當(dāng)復(fù)雜，難以用簡單的話語表述出來，但某幾個重要的步驟還是可以說一下的：

　　1.硅的提純與熔煉，制成硅錠→2.硅錠切割，形成晶圓(wafer)，滲入其他元素并進(jìn)行氧化→3.上光阻劑，通過掩膜(mask)進(jìn)行光刻→4.清除溶解的光阻劑并用化學(xué)試劑溶解曝光部分的晶圓，再清除掩膜區(qū)域的光阻劑→5.重復(fù)步驟3，形成多層立體的晶體管雛形→6.注入離子束，完成摻雜，形成P井或N井→7.表面覆蓋絕緣層，留出需要通電的開孔，進(jìn)行電鍍銅用以填充開孔(完成晶體管的制造)→8.在晶體管之間用復(fù)合金屬層進(jìn)行連接，形成復(fù)雜的立體電路→9.功能性測試→10.晶圓切片，形成單個內(nèi)核→11.內(nèi)核封裝，為內(nèi)核提供電氣與機(jī)械界面→12.性能測試，并進(jìn)行等級分類，定義ID→13.出售

　　當(dāng)然，一顆Soc的誕生從設(shè)計到生產(chǎn)環(huán)節(jié)不會如上訴的那么簡單，筆者只是想讓大家簡單了解一下其中的重要步驟。

　　四、2016年初晶圓代工商的產(chǎn)能狀況

　　臺積電：28nm工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟早已量產(chǎn)，而16nm FinFET、FinFET Plus也陸續(xù)完成產(chǎn)能的爬坡，16nm FinFET Compact(面向低功耗Soc)也將在本季度進(jìn)入量產(chǎn)，傳說中的Helio P20采用的就是這個制程工藝。而10nm方面，臺積電將在今年的第一季度完成流片，并在第四季度進(jìn)入量產(chǎn)。(但最新消息指iPhone 7的A10處理器將會全面由臺積電的10nm工藝生產(chǎn)線生產(chǎn)，相信在第二季度便邁進(jìn)量產(chǎn)階段)而7nm預(yù)計在2018年的上半年量產(chǎn)、5nm工藝也已經(jīng)研發(fā)了一段時間，不知道英特爾那邊有什么想法呢。

　　三星：14nm早已量產(chǎn)，而10nm方面則預(yù)計在2017年初量產(chǎn)，而7nm制程則沒有任何消息傳出。

　　英特爾：Intel在上年11月時表示在14nm的工藝上遇到了一點(diǎn)困難，但現(xiàn)在已經(jīng)恢復(fù)，而10nm的處理器預(yù)計在2017年下半年推出。反正Intel自給自足，也不為其他廠商代工，所以我們就好好等待下一代Atom處理器就行了。

　　Globalfoundries:14nm FinFET量產(chǎn)相信仍要等到今年的6月份。10nm/7nm工藝方面，Globalfoundries表示將會和IBM合作，但暫時沒有量產(chǎn)的消息。但Globalfoundries精于制造高性能大核心，例如PC領(lǐng)域的AMD CPU以及GPU，所以手機(jī)Soc和Intel那樣，我們糾結(jié)不來。總的來說，在2016年14/16nm的量產(chǎn)不是問題，最近更有消息指定位中端的驍龍625也用上了14nm制程。

　　五、熱門Soc工藝簡析

　　28nm：三星方面有HKMG的LP(Low Power)、LPP(Low Power Plus)以及最強(qiáng)的LPH。而臺積電有Poly/SION的LP(Low Power)、HKMG的HPM(High Performance Mobile)、HKMG的HPC+(High Performance Compact Plus)。在手機(jī)Soc領(lǐng)域，以上6種性能最強(qiáng)的是三星LPH，接下來是臺積電的HPM。28nm不同工藝的定位分別為：高性能：LPH、HPM，主流：LP、HPC、HPC+。

　　28nm LP制程工藝的MT6753

　　20nm：在這個制程節(jié)點(diǎn)上僅有臺積電正在使用(三星也有，只是用在DDR3內(nèi)存制造上)，而且工藝單一。在今年的Soc列表當(dāng)中定位高性能的早已使用上16/14nm FinFET工藝，而兼顧性能與功耗的主流Soc依然采用良品率高，性能穩(wěn)定的28nm HPM/HPC工藝(關(guān)鍵是A72核心使用28nm HPM也能較好地壓住功耗)，所以20nm制程相信不會在2016年出現(xiàn)在手機(jī)Soc領(lǐng)域。

　　20nm HPM的MT6795

　　16/14nm：三星/臺積電的FinFET(FF)、臺積電的FinFET compact(FFC)以及FinFET Plus(FF+)，其中FinFET包含早期的LPE(Low Power Early)以及LPP(Low Power Plus，高級低功耗)兩種工藝版本。16/14nm不同工藝的定位分別為：高性能：FF、FF+，主流(著重功耗表現(xiàn)的設(shè)備)：FFC。

　　14nm FinFET LPE的Exynos 7420

　　總結(jié)

　　2016年相信會是28nm+14/16nm共存的一年，28nm依然成為主流處理器的制程節(jié)點(diǎn)，而旗艦處理器則會普片采用16/14nm制程，10nm制程節(jié)點(diǎn)的處理器預(yù)計最快要到2017年初才會亮相。另外，由于智能穿戴設(shè)備等微型便攜終端的普及，不少處理器廠商已經(jīng)推出專門針對這類設(shè)備的Soc，它們都會使用制程更新，主打低功耗的工藝，例如16nm FinFET Compact。

　　一顆好的手機(jī)處理器，并不只決定于核心架構(gòu)、核心數(shù)量、主頻高低、集成GPU的強(qiáng)弱，其發(fā)熱，功耗也是我們值得考慮的問題，畢竟沒人希望自己的手機(jī)是暖寶寶或者玩半天就沒電的玩意，而制程工藝也決定著核心主頻的高低，從而影響性能。但在相同制程節(jié)點(diǎn)，相同工藝的條件下，不同處理器生廠商生產(chǎn)出來的Soc也有一定的差異，因?yàn)樵系奈廴?，加工工藝的波動，成?淘汰率的控制都會讓同制程節(jié)點(diǎn)/同工藝的最終產(chǎn)品在性能上有著較大的差異。