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  • 热度 3
    2020-9-11 11:29
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    眼看着 9 月 15 日,这个美国规定的禁令缓和期的最后一天将至,这个关键时间点对华为的重要性不言而喻。 就在这个节骨眼上,事态又有了新的变化,坏消息一个接一个。 韩系厂商的全面切割? 根据韩国媒体《朝鲜日报》的报道,目前份额最大的两个DRAM(简单来说就是内存)芯片厂商三星与海力士,均可能会受美国禁令影响而不得不停止向华为供货。此前,因为这个禁令,台积电已经切断了与华为海思的合作,余承东早先承认,麒麟9000可能会是这一系列的“绝唱”。 同时,在本月早些时候,美系芯片大厂美光科技证实,将遵循美国针对华为的相关供货,也就是说在2020年9月14日之后,美光也将停止对华为的芯片供应。 2020 年一季度,DRAM市场前三名分别是三星、海力士和美光,三者的份额分别为44.1%、29.3%和 20.1%,合计将近 95%。同时,三星与美光也一直是华为存储芯片的供应商。 你能看到上面的供应链梳理表格中,很多部件都已经实现了国产供应替代,只有屏幕和存储芯片还有美系和韩系厂商的身影。眼看着最后期限将至,很难说特朗普的智囊团们是不是也拿着这样一张表格在琢磨如何彻底堵死华为。 无论是手机、平板、PC还是服务器,没有任何一款设备不需要存储和闪存,如果说手机SoC还能用比较地段、制程相对落后的产品“凑合”,那么对于存储芯片——这个完全被美韩垄断的领域来说,想凑合都没办法。 与之相对应的一则消息是,韩联社 9 月 9 日消息,受美国制裁华为的影响,三星显示器和LG Display 将从9月15日起停止向华为供应高端智能手机面板。由于面板驱动IC芯片属于制裁对象,显示器面板也随之被列入制裁品类目录。一直以来,三星显示器和 LG Display向华为供应部分智能手机OLED面板。LGD近期还开始向华为供应电视OLED显示屏,但因受此次美国制裁影响,预计供货将暂停。 一部智能手机是由多个部件协同组合而成,任何一个环节出了问题,都会对出货量造成影响。韩媒《The Elec》报道,消息人士透露华为计划在2021年只生产约5000万部智能手机,这将比2020年的预估出货量暴跌74%。禁令风波,对于华为的影响,就是这么残酷而猛烈。 唇亡齿寒,韩系供应商也会受到不小的打击。《朝鲜日报》的报道提到,众华为分别占三星电子半导体部门和海力士销售额的6%和15%,DRAM的价格较2018年的最高点已经滑落不少,究其原因是供过于求,半导体行业预测,内存价格可能会在今年下半年稳步下降。如今,少了华为这样一个大客户(2019 年华为是半导体采购额全球第三的公司,仅次于三星和苹果),生意更不好做了。更宏观地看待,这不仅限于内存芯片,整个半导体市场都会面临震荡,这个好不容易走过周期性低谷的行业,要面对系统性的低迷;而显示方面,华为也会快速甩掉韩系供应商,全面转向国产。 可有替代? 正如上文所说,DRAM市场的前三名已经占到了 95% 左右的份额,排名第四的则是南亚科技,市场份额为 3.2%,其他的厂商份额瓜分剩下的蚊子肉。 国产DRAM无法绕开的一家公司是长鑫存储,作为国产DRAM的领头羊,长鑫在2019年12月获得了工信部旗下检测机构中国电子技术标准化研究院的量产良率检测报告,将生产国产第一代10nm工艺级8GB DDR4内存芯片,成为国内第一家也是唯一一家 DRAM供应商。 长鑫的不少技术与专利来自于收购,比如拿下了 2009年破产的奇梦达。据台媒报道,长鑫位于合肥的DRAM厂已投资约八十亿美元初期月产约10000 片十二寸晶圆,2020年可望进提升至3万到4万片。而更有消息表示,长鑫预计今年底合肥长鑫的产能就有可能超过7万片晶圆/月。 但是,这依然和主流市场差得远,顶多能把第四名南亚科技作为对标的目标。据日经报道,长鑫今年的支出为15亿美元,两倍于南亚科技,但和美光的90亿美元投入还有明显的差距。 除了长鑫以外,2019年底,兆易创新透露,该公司最早将于2021年完成其首款DRAM芯片的封装测试以及客户验证,测试成功后将进行大批量产,换句话说,举例上市还得有几年时间。由于存储芯片这一领域都被美韩厂商把控,如若切断供应,短时间内备选难觅。 华为终端面临着全方位的困境,从硬件到软件,从上游到下游,美国人是铁了心,要把所有能堵的路都给堵死。 据FT中文网报道,华为将专注于提供云技术和服务,以在美国对其消费者业务的制裁中生存下来。华为希望云业务成为其生态系统中的第三大支柱,与电信和消费者业务并驾齐驱。而在美国再三升级打击力度,发布出口管制新规以及牵头阻止该公司参与5G建设的情况下,云业务的重要性与日俱增。 云同样是一个竞争激烈,且涉及到诸多敏感资料的业务,但对于眼下的华为来说,确实已经没有太多退路了。 来源:大风号—虎嗅网 http://feng.ifeng.com/c/7zdQu8k01Lm * *有采购芯片需求(样板可售),详情联系芯广场公众号。
  • 热度 6
    2020-8-3 22:30
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    草木本芯 在全球半导体供应链中,韩国企业也处于顶级梯队,特别是在存储领域,是当之无愧的霸主。 韩国半导体的快速发展坚持的是循序渐进的方式, 坚持 引进、合作 与 自主融合 多措并举 , 同时也有抱团发展的特点。就领头羊三星电子来说,供应链垂直整合, 内部 奋斗 与外部 引进 的整合, 反周期扩张策略以及坚强的领导者, 是 其能够 崛起的 成功经验 。 三星是集团化大财阀, 其中 三星电子成立于 1969 年,是最大的子公司。 三星电子涵盖图像显示器、 IT 解决方案、生活家电、无线、网络、半导体及 显示面板 等事业部体系, 时至今日, 其半导体、显示面板、被动元件、移动设备、计算机、家用电器、基站及 IT 等技术处于全球领先地位。 但我们应深刻理解, 三星电子帝国远非一夜 造成 ,而是付出了长期的时间和极大的代价,才一步 一 步在质量、设计和创新等方面积累起优势。 最初,三星 从零开始,向三洋和 NEC 等日企学习黑白电视和真空管的制造,同时不断拓展手表 和 收音机等产品线, 1974 年, 其 业务横向扩展至冰箱、空调和洗衣机产品线, 也在这一年,三星 开始探索消费电子领域的垂直整合, 尤其是 在半导体器件上积累力量。 这个时间点把握的非常好,否则就很难有今日业界的地位, 具体情况我们在分享中国半导体产业发展的时候再对比介绍。 1983 年, 三星 开始制造 PC ,并在长期调研和准备后向日立( Hitach )、摩托罗拉等公司申请 DRAM 授权, 无一例外 遭 到了拒绝 。 不过, 幸运的 三星 获得了美光 64K DRAM 的授权,同时还获得了 Zytrex 公司高速 MOS 工艺的授权。 经过日夜奋战, 三星在几个月内不仅造出了 64K DRAM ,研究团队还 在 逆向工程 的基础上 设计出了 256K DRAM , 仅用两年左右时间 就 摆脱了授权费用,并开始 DRAM 代际突破, 之后经过多年巨额投资, 1993 年成为全球最大的存储器芯片生产商,并为超大规模集成电路( VLSI )制造奠定了基础。 另外在 1992 年,东芝为了应对英特尔的竞争而将 NAND flash 设计授权给三星,三星又一次快马加鞭地学习和赶超,十年后三星 NAND flash 市场份额达到了 54% 。 也 即 从 2002 年开始,三星成为全球 DRAM 和 NAND flash 的霸主,并一直延续至今。 在半导体器件上发力的 同 时 ,三星涉足车载电话研发, 法宝依然 是针对东芝 的 产品进行逆向工程, 然而这一次, 产品 出现了严重 质量缺陷。但团队没有放弃,又开始研究借鉴摩托罗拉手机的技术,并利用汉城奥运会的巨大商机,推销了几千台,可问题是质量依然不过关 …… 手机业务还能继续下去吗? 陷入困境的 研发人员 几乎要绝望了 , 但还是抱着放手一搏、虽败犹荣的信念, 持续探寻手机信号不好的原因。 另一方面,雄心万丈的 李健熙和 三星 高层在多方调查和咨询后,也转变了过去多年靠低成本模仿发展的 理念 ,决心走高质量、高附加值的发展路线, 向员工提出 “ 除了老婆和孩子,一切都要变 ” 的要求,并向手机部门下达任务 “ 到 1994 年生产出可与摩托罗拉相媲美的手机,否则就退出手机市场 ” 。 最终, 手机部门成功推出 了 SH-700 、 SH-770 Anycall 等产品, 1995 年三星取代摩托罗拉成为韩国手机市场的头牌, 不过 那段时间工厂 依然 曾因漏检而流出批量次品,所幸及时的补救、召回和批量销毁举措,及时挽救了声誉,强化了 “ 质量第一 ” 的公众印象。 此外,三星在 1994 年就开始跟 英国 ARM 公司开展广泛合作, 1996 年将 ASIC 用在 DVD-860 上击败了东芝、松下和先锋等竞争者,并乘势将 ASIC 技术扩展到手机领域。三星手机逐渐成为多种先进半导体技术的集大成者: DRAM 、 flash 、 ARM 内核和 ASIC ,以及电视和显示器业务中的小型化 LCD 面板的加持,这是纵横交错的产品和技术完美融合的成果。 供应链的垂直整合最初是为了应对处于组装末端或低技术环节的被动局面以提升竞争力, 比如 存储 、芯片、晶圆、显示面板等巨无霸业务,均是通过巨额投资和巨大代价才逐步积累起竞争优势。但在行业低谷或产品快速迭代时,会遇到产能闲置或技术过时的问题。如何充分利用产能, Cover 成本,稳定收益,紧跟行业节奏成了巨额投资绕不过的课题。 三星在 DRAM 获得成功后又第一时间把握了 flash 供应链的机遇,在学习了 flash 技术之后,于 1999 年推出了 MP3 播放器,并推出了一款带有集成 MP3 播放器和 16/32MB flash 的 PCS 手机( Personal Communications Service ),这有点左右互博的味道。两年后,苹果的 i pod 播放器也来了,三星以极大决心和诚意与苹果合作,开足马力为其供应 flash ,抢占 了 大部分市场。 这一举措 稳固 了 与业内领袖的合作,释放 了 晶圆产能,提升 了制程 工艺,真可谓一举多得。稍后几年,其 Arm 芯片也与 i phone 互相搭便车,并悄悄地将晶圆代工能力社会化,到 2005 年,宣布与高通合作。 在智能手机初世代,三星尝试了 Symbian 、 Palm OS 、 Windows Mobile 、 J2ME 及 Android 等各种系统,这 既 是迷失 和资源的浪费, 也 充分体现了 智慧 和高明之处 , 后来事实证明,功能机 一代雄主诺基亚出局了,老二 三星 却 能 “ 千年不朽 ” , 甚至登顶。 与此类似的还有 数码相机 业务 , 在智能手机之前数码相机相当火爆,三星也及时地跟进,并有所斩获。后来数码相机的大部分市场被手机抢占了,三星也就基本退出了。在终端产品上三星 很少 有像索尼、苹果那样的 革命性原创,但前卫市场 也 从 未 缺席 过 , “ 可能会迟到,但从不缺席 ” 这相当明显。智能手机 从最初的模仿跟随、怀疑和白眼,到 2014 年获得近 21% 的市场份额和领导地位, 20 年纵横捭阖与设计创新,足以与世界上任何一家厂商相媲美。 手机和半导体行业 瞬息万变 , 在许多情况下, 三星既是 零配件 供应商又 同时参与终端产品的 竞争, 处理好纷繁复杂的关系需要灵巧的艺术,更需要强大的实力。 经过数十年持续不懈的努力,三星已能在存储器、面板、以及 IC 制程等多个环节对全球供应链进行支配,甲方终端客户为了实现产品领先和市场目标,还要时不时地倒过来求助于三星,而三星则稳坐钓鱼台,一方面兼顾自家终端产品和零配件的市场和技术、兼顾总的收益和长远收益;另一方面会平衡对各客户、同时也是竞争对手的支持力度,避免一家独大威胁到自身利益。为了集团利益的总目标,三星经常会灵活地 调整 应对策 略。 与此同时 , 三星的 基带计划也酝酿了好几年,更先进的 SoC 之外,三星还决心进军智能手表和物联网等其 它 增长领域 。 当然,我们不能一味眼红人家躺着赚钱的好日子,正所谓家家都有难念的经,每家企业光鲜亮丽的 背后 也一定有惨痛的 教训和血泪 史 , 除前面提到 早期移动电话业务遇到的质量关之外,三星 DRAM 业务 在初期也经历了 长 期巨大 的亏损, 但 李健熙 等人通过对市场的深度研究,以及对技术优势的把握,下决心赌一把,采取反周期扩张策略,此前 高价时缩减产能, 积蓄资本,在行业低迷时低成本扩大 扩大产能, 低价 消灭对手, 几年后改变了竞争格局,获得定价权。半导体行业大约每 10 年一个荣枯周期,在每次行业低迷时,三星均会进行逆势扩张。这种策略可以说是三星成功的一大法宝,但实际操作起来并不容易,需要资金、人才、技术储备和耐心等的配合。 三星显示面板业务的发展史 也是对长期战略的一个佐证。 面板产业链投资十分巨大,韩国企业采取了抱团发展的模式。 1987 年, 当三星 进入液晶面板( LCD )领域时,日企已深耕多年,掌控着核心技术和量产工艺能力, 面板 行业有着极高的技术和资本壁垒,数十亿美元的投资一不小心就会化为乌有。为了学习技术,三星在日本设立了一个研发机构,利用产业衰退期,雇佣失业的日本工程师,积累研发能力。 与此同时广泛参与技术合作,签订长期合同,建立策略性联盟,进行业务垂直布局,一步步向主流靠拢。 1995 年和富士通签订交叉许可协议, 1996 年与美国康宁合资生产熔融玻璃基板, 为实现面板业务的战略目标,三星 各事业部通力协作, 三星 Techwin 投资光刻机设备,三星显示制造彩色滤光片,而三星电子提供驱动电路。 同时 “ 反周期投资 ” 帮助 三星 获得了巨大成功。 1997 年亚洲金融危机爆发,面板市场萧条,日系厂商面临窘境,三星、 LG 和现代果断投入数十亿美元,建设大尺寸生产线, 一举 扭转 了 局面,两年 以 后 全面 超越 了 日企。 韩企疯狂的投资让困境中的日企 艰难度日 , 于是日企就 扶植台企进行阻击, 但预期目标未能实现。 温情脉脉、狐疑不决从来都不是 商战 的本质。 韩企率先在 19 98 年建成 3.5 代线, 20 02 年建成 5 代线,并将 TFT-LCD 成功引入彩电业。 直 到此时,产业先行者才真正回过神来, 急红眼的 夏普, 直接 越过 5 代线建 6 代线,此后几年三星和夏普展开投资竞赛,交替领先。但 几年后, 08 年金融危机爆发了,行业再次大洗牌。 此时, 中国面板 业 供应链在 饱经磨难、 饱受劫掠后开始凤凰涅槃。如今液晶面板在电脑、电视、手机、数码相机、摄像机、移动多媒体、广告显示屏等大量电子产品上普及,同时 OLED (有机发光二极管)技术也逐步成熟,三星等韩企及时转型,在 OLED 面板领域重兵布局, 在 LCD 领域进行 战略 大 撤退。此外,三星的电子业务还在 MLCC( 多层陶瓷贴片电容 ) 等被动元件、 CIS ( CMOS 影像感测器)等领域也取得骄人成绩。 表面 来 看,三星简直强大到无以复加的地步,但 2019 年日本宣布对韩企断供 “ 氟聚酰亚胺 ” 、 “ 光刻胶 ” 和 “ 高纯度氟化氢 ”3 种材料,其中氟聚酰亚胺(业内称为 PI )是柔性 OLED 的基板材料,另外两种材料也是半导体制造不可或缺, 这让三星后背直冒冷汗。同样受到威胁的还有 SK 海力士和 LG 等半导体企业。 这再次印证了半导体供应链国际分工的精细性和复杂性,整个体系环环相扣,只要任一环节出现问题,产业就面临休克的威胁。有国际分工和充分竞争才能产生效率,但也带来了风险。一个经济体如何兼顾供应链的效率和管控风险?道理容易理解,但落到实处相当难, 需要长期坚持科学发展、均衡发展和持续发展,将这些精神和文化固化下来,避免半途而废,避免“行百里者半于九十”。 据 Gartner 数据, 2018 年三星电子半导体营收达 759 亿美元, 营收居全球第一位, 市场份额达 15.9% ,而 SK 海力士( SK 、 hynix ) 当年的 营收达 364 亿美元,市场份额为 7.6% ,二者合并营收约占全球市场份额的 1/4 。 SK 海力士主要研制 DRAM 、 NAND Flash & CIS 等半导体产品,营收居全球第 三 位,源于 1983 年成立的现代电子, 1999 年收购 LG 半导体, 2001 年从现代集团分离出来,更名为海力士半导体 ,2004 年将系统 IC 业务出售给花旗集团,成为专业的存储器制造商 , 2012 年 SK 集团入主。 LGD 显示公司( LG Display )源于 1985 年的金星软件,是薄膜晶体管液晶显示器 (TFT-LCD) 面板、 OLED 、 flexible 显示器的领先制造商。 另外知名的韩国半导体企业还有美格纳 M agnachip ,其源头属于 1979 年成立的 LG 半导体、以及 2004 年的海力士的一个业务部门,现在主要提供驱动 IC 和电源管理 IC 。 三星、 SK 海力士 和 LG 是韩国半导体业的三雄,这些龙头企业 均从属于多元化经营的大财阀, 不可忽视的还有, 在当年产业化的过程中,政府强有力的方针政策,大力推进“政府 + 大财团”的经济发展模式,并推动“资金 + 技术 + 人才”的高效融合。 其今日之成果是由产业政策 + 企业家精神等因素共同造就的。 财团的 业务纵横交错,抱团发展,形成产业链集群,在数十年时间里从无到有,并 爬 升到 全球 第一梯队,掌握 了 定价权和战略主动权。 整体来看,韩国半导体企业在发展的关键阶段是幸运的,外部没有“巴统”或“瓦森纳”之类技术禁运的桎梏。同时也应看到, 领头羊三星电子历经半个世纪、两代人的接力奋斗,才崛起 成 为品牌、技术和供应链综合实力世界一流的企业。但即便如此,在瞬息万变和周期性极强的电子业,也不敢有丝毫懈怠。强大如三星,一不留神,也还是会有断粮 或局部休克 的风险。 以上这些都 非常值得我们深思和镜鉴。 喜马拉雅听书 中录播了 “半导体供应链的秋月春风”同名 专辑,方便一起交流学习, ⭐ 谢谢 ⭐ 参考文献: 1 、三星芯片发展史的启示:从借鉴到自主研发,第一财经百家号, 2018-04-22 2 、三星半导体发展史(摘自《手机风暴》( Mobile Unleashed ), OnePlusZero 2019-02-19 https://www.semiwiki.com/forum/content/7994-detailed-history-samsung-semiconductor.html 3 、 40 年称霸世界半导体行业,三星凭什么 ? 360 个人图书馆,铁血老枪, 2018-07-30 4 、一张图了解三星半导体发展史, 360 个人图书馆,细雨青衫, 2017-9-28 5 、 韩国半导体三大关键材料被日本卡脖子,中国企业有机会吗?天下网商搜狐号,张超, 2019-08-08 6 、 韩国电子制造业简史:曾与美国同台竞技,又为何被日本钳住咽喉? 2019-07-19 7 、关于三星半导体发展史分析介绍 , 半导体科技评论• djl• Daniel Nenni • 2019-08-28 http://www.elecfans.com/d/1010243.html 8 、以史为镜与三星半导体 30 年崛起之路,爱否科技 FView 企鹅号, 2018-4-24
  • 2020-7-13 11:34
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    7nm究竟是指晶体管的哪部分?14nm是7nm的四倍?
    其实我之前发 7nm 工艺介绍相关的文章 的时候,就提到过:我们说 7nm 工艺,那 7nm 这数字究竟还存在毛意义?它大概除了用于表现在市场上某一个工艺节点,数字本身已经没有任何意义了。至少,台积电、三星的 7nm 节点上,晶体管并不存在任何一个物理参数是 7nm 的。那它有什么资格叫 7nm 呢? 原本针对这一点,我也挺想花时间去研究一下的。不过前一阵发现 Linus Tech Tips 对此专门发表了一则视频,我觉得讲的特别清楚。这则视频内容构成,也获得了 Intel 两名工程师的协助。作为一名称职的搬运工,我将此视频的内容做浓缩,有兴趣的还是欢迎拉到文末去看看原视频: 在 1997 年以前,几点几微米,或者几百纳米,那的的确确是指的晶体管上面的 gate 的长度(gate 在大陆叫做栅,在台湾叫做闸,我个人觉得闸是个明显更好的译法),注意是长度(图上标的 Lg,当然了,这已经是 FinFET 结构了,但大致意思不变)。 而在 1997 年以前,工艺数字的步进是以每代是上一代的 0.7 倍为节奏的,因为 0.7x0.7 约等于 0.5,也就是晶体管整体面积相比上一代缩小一倍——就是当年摩尔定律所说,工艺迭代面积小一倍,性能增一倍。当时的工艺在 350nm,也就是 0.35μm。 1997 年以后,gate 长度的缩减速度更快了——至少快于 0.7 倍步进这个节奏,但晶体管的其他部分尺寸却未能按照这么快的速度去减小。所以 gate 长度这个时候对于衡量晶体管尺寸的意义已经没那么大了。后续的工艺节点数字,命名开始逐步用于反映一组晶体管构成的单元尺寸(而且通常是最高密度单元库),即便单元本身的尺寸和这个数字相去甚远。 奔腾 3 处理器的 250nm 即是这种规则下的数字,这个数字本身实际上大约是上一代 350nm 的 0.7 倍。因为这代工艺的性能大约等于上一代的两倍——所以取 0.7 倍这个数字也是十分合理的(假装面积也小一倍)。但 250nm 节点的 gate 长度实则大约为 190nm,而不是 250nm。 2012 年,22nm 节点问世,随即而来的是一种新型的晶体管,也就是 FinFET。这种 3D 结构,要用一个数字来衡量尺寸的难度其实就更大了。但业界仍然在遵循 0.7 倍的命名原则,包括 14nm、10nm。到这一时期,这些数字就几乎不存在任何实际意义了——或者说,其实际意义显然已经不大了。 所以看我之前写的 7nm 工艺的文章中,你就会发现,现在的晶体管,并不存在任何一个组成部分的长宽高是 7nm...而实际上,如果我们要追求晶体管上某部分参数的最小值,恐怕可以看一看 fin 宽度。比如 Intel 的 10nm 工艺,晶体管的 fin 宽度为 7nm——应该是整个晶体管上,与 10nm 这个名义上的值最接近的部分了。而其他组成部分的差距就比较大了,比如说相邻 fin 间距是 34nm,gate 长度是 18nm,gate 间距是 36nm 等等。 来源:Intel 不过似乎不同的厂商仍有一些自己的坚持,Intel 在工艺节点的命名上,更期望它能够大致表达 Std Cell 标准单元尺寸。 不同芯片制造商,针对这个数字节点的态度是不一样的。所以台积电、Intel 之间的这个节点数字就不能直接比较,这个想必很多同学是知道的。比如我们一般认为 Intel 的 10nm 与台积电的 7nm 属于同代工艺;而三星规划中的 4nm 工艺,在晶体管密度上实则可能还比不上 Intel 的 7nm。 现在应该考虑一些更重要的参数,包括晶体管密度,以及材料方面的提升用以加强性能,还有结构上的提升,让电子通过地更快。这些其实在节点数字上不会表达出来,典型如 high-k metal gate、FinFET 结构本身之类的。 所以别再说出,14nm 是 7nm 两倍(或者面积是 4 倍)这种话了亲爱的们。 早前一直期望花时间去翻译 Wikichips 写的 Intel 7nm/10nm 相关技术文章,让更多人了解 Intel 的 10nm 和 7nm 的一些物理参数和相关技术。但毕竟文章巨长,而且我还要好好去消化和查更多资料。而且最近太忙了,估计这文章下个月才能问世,也发在面包板上吧... 原视频: Should You Believe CPU Marketing? - Linus Tech Tips 更多参考: Intel's 10nm Cannon Lake and Core i3-8121U Deep Dive Review - AnandTech
  • 热度 2
    2020-7-3 14:06
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    5nm制程:摩尔定律发展的重要转折点 备受关注的5nm究竟能给行业带来什么? 芯片行业的共识是:从行业最直观的受益来讲,5nm让产品获得更高算力的同时,还保持相同甚至更低的功耗,整体性能进一步加强。 摩尔定律认为,集成电路上可容纳的晶体管数量,每隔18至24个月就会增加一倍,性能也将提升一倍。当芯片制程演进到5nm,它晶体管的集成度和精细化程度都要比以往更高,可容纳更复杂的电路设计,并将更丰富的功能融入其中。 但从目前行业的普遍应用上看,许多产品用28nm、14nm,甚至10nm就已绰绰有余。部分业内人士认为,不是所有行业都对5nm有着强劲的需求,它在现阶段并非多数市场的刚需。 话虽如此,当我们把目光放至未来,随着5G和AI技术的发展,以及全球大数据的爆发式增长,5G智能终端、VR/AR产品、机器人、AI和超算等产品的成熟和应用,都将对芯片的性能、能耗和算力都有着更加严格的要求。 从另一个维度来说,业内普遍认为,芯片这类硬件的发展也将催生出新的应用生态,或是对早已成熟的市场带来革命性的颠覆。例如,当下因苹果AirPods而重新迎来第二次黄金时代的TWS(真无线立体声耳机)市场,各大厂商使用的蓝牙芯片制程尚未踏入7nm领域,大多聚集在28nm至12nm中。但随着市场需求倒逼着蓝牙芯片的发展,未来各家厂商为了能在更小的芯片中集成更多的功能与应用,也将逐渐推动蓝牙芯片朝着7nm甚至是5nm制程演进。不可否认,5nm制程的演进是各项技术和产业逐步成熟、变革的必经之路,亦是根基。 半导体代工厂制程路线图 编辑 5nm制程捷报频传 随着先进制程的不断演进,工艺研发的门槛越来越高,成本与技术逐渐成为一座座制程演进的分水岭。目前行业中布局5nm制程的玩家,主要有台积电、三星和英特尔三足鼎立。其中,台积电和三星的对峙最为激烈,淡出赛局许久的英特尔则在一旁蓄势待发。过去一年以来,5nm芯片试产、量产和良率等消息的不断释放,持续刺激着业界神经。 近日,台积电5纳米接单再传捷报,高通最先进的「骁龙875」系列手机芯片,以及内部命名为「X60」的5G基带芯片,上周正式在台积电以5纳米投片。高通扩大与台积电合作,是继超微之后,快速衔接海思在台积电腾出产能的重量级国际大厂。 前一段时间,三星也宣布其5nm制程产线抢下了高通和英伟达的订单。不过,业界普遍认为,三星晶圆代工的5nm产能及良率在下半年仍然难以追上台积电,台积电有信心成为今年唯一能提供5nm量产的晶圆代工厂。 5月,三星宣布计划提升位于韩国平泽工厂的晶圆代工产能,新的晶圆代工生产线将基于5nm工艺打造5G、高性能计算(HPC)和人工智能(AI)芯片。该公司希望新的代工线能在2021年下半年全面投入使用。 目前,采用三星5nm制程制造的芯片主要包括三星新款处理器Exynos 1000,这款芯片将会在今年底或明年初发布。此外,还有谷歌自研的SoC “Whitechapel”,有望在Pixel系列手机上使用。 另外,高通的5G芯片订单,特别是基带芯片X60,除了由台积电代工外,可能还有一部分交由三星生产。 据了解,中国企业除了芯片设计龙头华为海思以及顶尖代工厂台积电的布局以外,芯动科技作为国内领军的一站式IP和芯片定制解决方案提供商,也率先在三星5nm流片。新技术追逐战上,国产自主创新成果正不断缩小差距甚至赶超国际水平。 结语:摩尔定律不死,制程之战不息 就目前看来,台积电和三星的5nm战局预热仍在紧张进行中。与以往不同的是,这场制程之战的战火也将不再局限于代工厂或是芯片厂商之间的竞争,它亦将烧到更上游的半导体材料厂商、光刻机设备,甚至是学术界和产业界的新工艺研发中。 因此,决定这场制程战胜负的,不再单纯是设备与制程技术,随着工艺和材料都双双接近极限点,能否最先实现工艺和材料的质变,也成为了芯片厂商们的胜利王牌,对国内领先企业而言,5nm战局也是实现弯道突破的重要机会。
  • 热度 14
    2020-6-15 18:59
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    聊聊Exynos 990,为什么三星放弃自研CPU?
    我一直都觉得三星 Exynos 还是挺有趣的 SoC:我记得之前翻译 AnandTech 的苹果 A12 和三星 Exynos 9810 评测文章的时候,有句话我印象特别深刻:“采用 M3 核心的三星 Exynos 9810,能耗达到苹果 A11 的两倍,性能却落后了 55%(注意,是 A11)!” 尔后,AnandTech 通过魔改 Exynos 9810 系统层面调度机制的方案,达成了系统性能相较原版的一个显著提升。这些其实都表明,三星在移动 SoC 设计和制造上都可以认为是整体掉队的。所以也不难理解,三星为什么决定放弃自研 CPU 架构。Exynos 990 是三星最后一款采用自研架构的 SoC。 想必很多同学也已经听说了,这次 Exynos 990 相比竞争对手依然有差距的事实。这里我将 AnandTech 的一些评论和测试做了综合,分享给各位。本文的绝大部分数据和内容均来自 AnandTech,若需查看英文原文,可拉至本文末尾。我觉得这篇文章能够非常到位地阐释,为什么三星放弃了自研架构,因为无论从哪个层面来看,其自研架构不仅问题极多,而且还远远及不上 Arm 的架构。 请注意,注意区分本文的几个词汇:能耗 energy,是指跑测试消耗的能量,单位焦耳;功耗(或功率)power,是指单位时间内消耗的能量,单位瓦特;功效 power efficiency,一般是指每瓦性能;能效 energy efficiency,这里特别指每焦耳的性能——这个性能可以是跑的分值,也可以是游戏帧率。 这里需要强调一点,我们日常所说的“能效比”,或者“效率”指的其实是这里的 power efficiency。本文的能效,严格意义上都不是用的这个通俗的意义。 综述 三星 LSI 的这颗旗舰 SoC 是在去年 10 月份宣布推出的:它在 CPU 大核心上采用了三星新一代的 M5 架构;中型规模的核心则升级到了 Cortex-A76;采用新的 Mali-G77 GPU。Exynos 990 采用 7nm LPP 制造,即芯片的某些部分采用 EUV 光刻。 Exynos 9820 这里看一下上一代的 Exynos 9820,,也就是 Galaxy S10 采用的 SoC。以此可了解 Exynos 990 做了怎样的提升和变化。 Exynos 9820 的大核心簇是三星定制的 M4 架构,它跟 Arm 公版架构的差异还是比较大的:从互联到缓存一致性,都采用三星的 Coherent Interconnect。Andrei Frumusanu(AnandTech 著名博士编辑)对这种结构有做核心到核心的延迟测试,起码它比 Arm 公版架构的延迟是要大出很多,当然也比骁龙 865 明显更糟糕。 Exynos 990 Exynos 990 相较 Exynos 9820 的改进其实还是比较多的。首先三星这次终于在小核心上,将 A55 的 L2 cache 推升到了 64KB。要知道 Exynos 9810 和 9820 在这方面就差一截,所以这两款 SoC 相比以前的骁龙 SoC,在效率上就有差距。不过 64KB L2 cache,这个容量仍然只有骁龙 865 的一半(128KB),三星在 Arm 核的 cache 配置上还是比较保守。 中核心从先前的 Arm Cortex-A75 升级到了 A76,频率也有提升,从 2.3GHz 提到了 2.5GHz,基于负载不同性能提升可达 38%-50%,也是 Exynos 990 大部分工作的主要动力来源。中核心的 L2 cache 仍然是每个核心 256KB,共享的 L3 cache 也是比较保守的 1MB。 大核心部分,早前代号为 Cheetah(猎豹)的 M4 这次升级到了代号为 Lion(狮子)的 M5——也就是三星的自研架构。其最高频率仍然是 2.73GHz,三星宣称会有 20% 的提升,应该主要是来自 IPC 提升。 外部可以观察到的最大变化,在于 M5 大核心不再享有各自的 L2 cache,而是 2MB 的核心共享 L2 cache。现如今,这样的微架构设计变化还是比较少见的。这一变化,从核心到核心的延迟降低能看得出来,毕竟这次的缓存一致性是在更低的 cache 层级发生的,和 CPU 也靠的近。 Exynos 990 采用三星 7LPP 工艺制造,部分采用了 EUV 光刻。TechInsights 提到,Exynos 990 是首个采用完整 7LPP PDK(Process Design Kit)设计的芯片,这一点和先前的 Exynos 9825 还是有不同的)。 三星宣称,7LPP 工艺相比之前的 8LPP 有 7% 的性能提升,应该也意味着同频功耗的降低。实际是个什么情况呢?我把 AnandTech 的内容做个概括: 一 Exynos 990 的 binning(可以理解为根据不同的芯片体质,对芯片进行等级分组)看起来是比较糟糕的,而且绝大部分芯片都位列相对较差的体质分组,甚至可能更糟,这表明这颗芯片的良率可能很不理想。 二 M5 的核心电压不是很乐观,不仅在同频下相比上一代 M4(8LPP)没有提升,而且随频率升高还表现更差了。M5 需要更高的电压,才能达到先前相同的频率:同样 2.75GHz 最高频率,M5 的峰值电压为 1118mV,而先前的 M4 为 1068mV。 三 从功耗与效率曲线来看,纵观性能变化周期内,M5 核心显然在效率上弱于 Cortex-A76(同一个 Exynos 990 SoC 上的);Exynos 990 A55 小核心的效率比先前的 Exynos 9820 要理想很多; 四 Exynos 9820 时期,三星引入了一种更为复杂的 scheduler,基于应用跑的 ISA(指令集结构)选择不同的功耗模型。这种机制会分别追踪 32bit 和 64bit app,然后根据不同 CPU 在不同执行模式下的微架构性能和功耗特性,做出调度决策。三星宣称这种机制能够提升效率,更多的工作可能会分派给 Arm 中核心——因为 A76 在 32bit 执行效率上会更好。 从 SPECint2006 的综合成绩来看,其实很难看出这种执行模式有什么大差别。但某些个别的测试子项,比如说 456.hmmer——这是个偏向执行能力的测试,就能看出 A76 核心的优势——A76 核在这个项目的成绩上的确领先于 M5 核。从这个角度来看,三星的调度策略是合理的。 另一个例子是,400.perbench 在 32bit 模式下,A76 核心同样优于 M5 核心,所用功耗还低了超过一半。不过更偏存储性能的负载,M5 在跑分上还是有优势的,这可能与两者的 cache size 差异有关。 AnandTech 在文章中提到,这是 AnandTech 首次针对 AArch32 和 AArch64 两种执行模式,分别公布跑分成绩。 五 在存储延迟测试方面,Exynos 990 相比 Exynos 9820 还是有提升的,但和骁龙 865 比起来却有差距。 下面这几张图是 Exynos 990 M5(大核心)、Exynos 990 A76(中核心)、Exynos 9820 M4,以及骁龙 865 A77(大核心)的存储子系统延迟对比。很显然,相比 Exynos 9820,可以看到 Exynos 990 的 L2 cache 在尺寸上变大。M5 核心当然还是会有一些优势,比如说 3 周期的 L1 延迟设计,Arm 核心都是 4 周期。 去年的 M4 核心其实就存在 TLB 问题(Translation Lookaside Buffer,一种页表的 cache,是一个内存管理单元,用于提升虚拟地址到物理地址转换速度),今年的 M5 这个问题并未得到合理解决。 这会导致一些比较无语的问题,比如说随机访问超过 2MB 的区块,可能还比 1MB 尺寸内的速度更快。相比 L2 cache 区域,L3 的 cache line 访问,TLB 未命中惩罚的访问延迟还更低…(这也可能是 16-64MB 区块内,Exynos 990 弱于 9820 的原因)。 而 A76 核心部分显然就比较符合预期了。A76 的 prefetcher 原本就有比较大的提升,在 Exynos 990 之上也有体现,两个 A76 中核心在某些数据访问模式上是优于 M5 核心的。实际上,三星自 M3 设计以来,在存储子系统方面就有比较大的问题,到 M5 也依旧未能解决。 六 从 SPECint2006 的测试结果来看,Galaxy S20 的两个不同 SoC 版本,骁龙 865 相比 Exynos 990,各方面都有优势。 主要表现在骁龙 865 显然在能效/功效方面有着比较大的提升。 早前 Arm 曾表示,A77 核心相比 A76 会在性能上有进步,但两者的功效(energy efficiency)其实是差不多的——也就意味着 A77 需要以功耗换性能。但骁龙 865 则显然超出了 Arm 的预期,不仅使用更少能耗(energy),而且功耗(power)也更低。 这可能和骁龙 865 相比上一代改用台积电 N7P 工艺有关,这或许表明 N7P 工艺相比 N7 的确有显著提升。 Exynos 990 相比上一代当然也有性能提升,但肯定比不上骁龙的步子。其中有一些成绩比较诡异,比如说 403.gcc 的成绩还不如上一代。更悲伤的是功耗(power)和能耗(energy)。Exynos 990 的能耗其实跟 Exynos 9820 很相近,有时略好,有时又略差。但在有性能提升的情况下,功耗却也明显发生了飙升。 其实功耗高,有时问题也不算大,只要能换得所需的性能即可,苹果即是个中翘楚——至少能效比是不错的,而峰值性能对于提升体验也是有帮助的。但这并不适用于 Exynos 990,因为 Exynos 990 显然性能也并不怎么样。 SPECfp2006 测试情况类似,虽然 Exynos 990 的性能有提升,但却是以高很多的功耗换来的——这个代价其实是得不偿失的。某些测试,比如 447.dealII 和 470.lbm,在能效(energy efficiency)方面甚至还有 30-40% 的倒退。也有好的一面,433.milc 这个子项,M5 的成绩比 M4 提升超过一倍,但功耗也就提升 50%。 在整数测试的综合成绩中,Exynos 990 相比 Exynos 9820 有 17% 的性能提升;浮点测试综合成绩,则有 36% 的提升。但 Exynos 990 相较骁龙 865,在这两个大项上仍然分别落后了 11% 和 3%。 绝对性能可能还不是什么大问题,悲剧的其实主要是能耗(energy)问题。 Exynos 990 付出了双倍的能耗,性能却还略弱于骁龙 865! 六 很多同学可能会想,三星的 7LPP 工艺是不是严重不给力。有个对比对象,高通骁龙 765G 用的就是三星 7LPP 工艺。骁龙 765G 的 A76 核心频率 2.4GHz,而 Exynos 990 中核心的 A76 频率是 2.5GHz。这两者的性能和能耗非常相近,都明显弱于台积电造的 A76 SoC(尤其是 Kirin 990)。 可见三星 7LPP 的确不如台积电的 N7/N7P/N7+ 工艺,AnandTech 给的数据是,在功耗表现上差距可能达到了 20%-30%。 七 不过就算把 7LPP 的差距算上,三星 M5 核心依然被 A77 核心远远甩在身后。Frumusanu 说,虽然没有看到骁龙 865 和 Exynos 990 的 die shot,不过他认为 M5 核心在面积上至少比 A77 大了 3 倍。 综合来说,Exynos 990 相比骁龙 865,效率差 2 倍,性能差 10%,PPA 总体就差了 6-7 倍。 八 在 AI 方面,三星宣称 Exynos 990 的 AI 性能为 10 TOPS,综合了 NPU 和 DSP。理论上,Mali G77 应该也是可以参与 AI 运算的。这其实一直也不是三星的长项。不过 Exynos 990 相比前代在 AI 算力上的提升很大。 从 AnandTech 的测试结果来看,NNAPI 的 INT8 测试,骁龙 865 更强。不过这一点其实仍有待商榷,因为它和软件层面关联很大,Frumusanu 也认为三星很有可能面向 NNAPI 时只给了 GPU 资源。在 NNAPI FP16 这样的测试里,Mali G77 就有优势;FP32 测试,Exynos 990 也表现很好。总体上,AI 性能这部分,Exynos 990 表现是十分出色的。 九 GPU 部分,这个其实也是我个人一直想要去仔细看一看的。Exynos 990 应该是首款采用 Mali G77 GPU 的 SoC(也可能是天玑?),而且也是首款采用 Valhall 架构的 GPU。去年我写移动 GPU 对比的时候有提到,Mali G77 很可能会在性能上实现对 Adreno 阵营的反超。 Exynos 990 在 GPU 方面选择了 11 个核心的 Mali G77,频率提升到 800MHz,电压也随之提高了。由于 Exynos 990 也支持了 LPDDR5,图形计算面对 3D 渲染这类带宽要求比较高的工作时,理论上会有更高的效率。 十 GPU 性能测试,除了骁龙 865 版 Galaxy S20 Ultra 在 3DMark Sling Shot 3.1 Extreme Unlimited - Graphics 的测试中,有作弊的嫌疑,这里就不放出具体成绩了。后续测试则极大程度免除了作弊问题,所以我们着重看一些图形测试的子项。 峰值性能上,Exynos 990 和骁龙 865 比较接近,但持续性能前者就会明显比较弱了。这里面不知道有没有系统散热设计的锅,但这是基于同一个散热设计。Basemark GPU 1.2 测试里,Galaxy S20 Ultra 骁龙 865 版的图形性能,持续状态也只损失了峰值性能的 22%。而 Galaxy S20+ 的 Exynos 990 版则在持续性能上还比不过上一代的 Galaxy S10+。 但这里面的温控机制其实也很迷,Galaxy S20 Ultra 的 Exynos 990 在持续性能上表现最糟糕——还比不上 S20+,可能应该从其他层面来找问题根源。 GFXBench 图形测试绝对性能的情况也类似,骁龙 865 和 Exynos 990 的图形计算峰值性能差不多,而 Exynos 990 显然没办法持续稳定,很快因为温控而产生性能较大程度的滑坡,其实这个滑坡幅度比 Exynos 9820 还要大。 而这项测试的功效(power efficiency)表现,也是今年高通 Adreno 被盛赞的一个点,即 Adreno 650 的效率跨越甚大,虽然绝对性能比不上苹果,但效率已经追上苹果 A13 了。至于 Exynos 990,情况就比较悲剧——尤其跟进步这么大的 Adreno 比起来,实在是有点拿不出手。我觉得光从每瓦帧率来看,情况还算不上太糟,Aztec Ruins - Normal - Offscreen 测试,骁龙 865 比 Exynos 990 有 35% 的效率优势。 Manhattan 3.1 与 T-Rex 测试也比较类似, Exynos 990 的 Mali G77 都可以用悲惨来形容,持续性能都只有峰值性能的一半,而且功耗还很高,甚至要高于上一代。 整体来说,Exynos 990 的图形性能似乎和上一代 Exynos 9820 一个水平。三星可能是有意抬高 Mali GPU 的频率,令峰值性能可与高通的 Adreno 差不多,但代价就是高得多的功耗和悲惨的持续性能。其实上面的表格中有出现联发科的天玑 1000L,都是 Mali G77,它的表现是好于 Exynos 990 的。 十一 续航测试部分,其实也没什么意外吧。Exynos 990 与骁龙 865 版本续航的差距大约在 10-13%,是大于三星、高通上一代的差距的。 这里我没有加入 AnandTech 的系统性能测试,有兴趣的可以去看一看 AnandTech 测试全文。不过我觉得,涉及到堆了很多软件的整个系统,则三星肯定会有意削弱两者的这种差距(虽然续航的差距还是无法避免)。 其实从上面的很多点滴都不难发现,三星不存在任何继续自研 CPU 架构的必要性(尤其传说 M6 还支持超线程),因为问题太多了。而且在某些决策上,三星 LSI 自己都没有对于 M5 核心的信心,比如针对 32 位、64 位不同 app 的 scheduler 机制;以及缓存方面的决策。 但我觉得,放弃自研核心,就爱好者的角度,仍然是件值得惋惜的事情。这样一来,移动 SoC 主战场上,自研 CPU 架构,也就剩苹果一人了。 阅读原文: The Samsung Galaxy S20+, S20 Ultra Exynos & Snapdragon Review: Megalomania Devices - AnandTech Samsung Galaxy S20+ & Ultra (Snapdragon & Exynos) Battery Life Preview - AnandTech
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