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三星14nm Exynos 7420深入解读

2015-10-28李张三四《微型计算机》2015年10月下

移动计算行业和PC行业目前都遇到了几乎相同的问题—工艺。在处理器架构和基础理论没有重大变化的情况下,工艺就成为了制约处理器进一步提升的核心因素。在这一点上,PC行业的英特尔给我们展示了强悍的制造能力,14nm工艺独步全球。不过,移动计算行业有人也赶上来了,三星旗下的Exynos 7420处理器,采用了三星自家的14nm工艺,是目前强悍、能耗比高的移动处理器,没有之一。今天,我们就来深入了解它背后的秘密。

在过去的几年中,三星一直在移动设备的处理器上采用多样化策略,始终将鸡蛋放在多个篮子里。这种多样化策略源自于三星大获成功的Galaxy S2,当时Galaxy S2采用了自家Exynos和高通骁龙双处理器策略,齐头并进覆盖多个市场,整体表现非常出色。不过好景不长,由于三星的设计以及工艺、尤其是ARM的Cortex-A15架构的高功耗问题,随后数款Exynos处理器表现都不是很出色,在和高通骁龙处理器的“竞争”落了下风,份额不断下降。回顾历史,Exynos辉煌的时候是在2012年,广受欢迎的Galaxy Note 2全系列使用了Exynos 4系列处理器,这实际上显示了三星Exynos已经具备了全球兼容的能力。

这一次,三星发布了自家新一代旗舰机型,Galaxy S6。这款机型的大特点除了设计和外观,就是那颗令人神往的Exynos 7420了。这是三星又一次在顶级机型上只采用一个型号的处理器。现在,已经有很多资料显示Exynos 7420规格,这不禁让我们想起三星之前的Exynos 5430和Exynos 5433。这两款“5”系列的Exynos处理器看起来和Exynos 7420有着明显的“师承”, Exynos 7420就像他们的正常进化。不过显然远不止如此,我们将揭开Exynos 7420的面纱,看到更多的内容。

三星的14nm制程初探

三星早有14nm制程的消息是在18个月前。从一贯的历史来看,三星在半导体制程发展上一直扮演着追随者的角色,相比之下,台积电作为专业的芯片代工厂商,也只是在去年年底发布了20nm的产品,代工包括苹果A8以及高通骁龙808、骁龙810等处理器。三星早在去年10月就提出了14nm工艺,并且在一些金融电话会议中证实它在去年年底开始大规模生产,技术进步如此之快,令人震惊。14nm工艺的横空出世,标志着三星完成了从传统的平面半导体元件到FinFET这类立体栅极元件的革命性改变。当然,英特尔是遥遥领先于其他厂商一个世代的,早在22nm上就完成了类似转变。

更小的面积

由于三星进步非常突然,因此很多业内人士在讨论有关三星的14nm相比目前流行的20nm而言,是否是“真正的”新工艺。随后,ChipWorks宣布Exynos 7420的核心面积只有78平方毫米,远远小于之前Exynos 5433的113平方毫米,大概缩小了31%。根据之前的报道,三星的14nm工艺采用了是20nm的BEOL(Back-End-Of-Line,一般称之为后道,是芯片上大的金属层),进步应该没有这么大才对。BEOL的工艺决定了体积管的栅极间距密度,并且决定了在给定的区域能够容纳多少的晶体管。因此,如果Exynos 7420使用相同的BEOL的话,那么这样的变化是很难出现的,这是一个明显的矛盾。

过去,我们知道三星在20nm上只有一个工艺节点,但现实情况是,可能在20nm工艺上存在两个不同的发展计划。之前的Exynos 5333实际上被称为20LPE,还有一个被称为20LPM的工艺,采用了完全不同的BEOL也就是M1金属层,不过,20LPM在三星随后的生产计划中似乎被取消了,取而代之的是全新的14nm工艺。从表1中,我们可以看到三星这几代工艺的变化情况。
可以看到,如果比较20nmLPE和14LPE的M1×CPP密度参数的话,就可以发现它们恰好缩小了31%。而表2则显示了Exynos 5420、Exynos 5430、Exynos 5433以及新的Exynos 7420之间的工艺变化。

三星的14nm进展速度惊人。这是三星对外展示的自家14nm FinFET技术的示意图。
三星的14nm进展速度惊人。这是三星对外展示的自家14nm FinFET技术的示意图。

从上述数据来看,新的工艺带来的变化还是相当惊人的。比如大核心和大核心簇的变化都非常明显,大尺寸缩减了59%,GPU面积也缩减了高达30%。表面上来看GPU面积缩减不如CPU部分明显,但是别忘了,Exynos 7420采用的GPU着色器数量比之前Exynos 5433所使用的MP6配置方案还要多2个(应该被称作“MP8”,如果有这个型号的话)。单个T760着色器的面积大约是1.75平方毫米,如果用17.7减去两个着色器的面积,剩余的面积大约是14.2平方毫米,相比同为MP6、但使用20nm的Exynos 5433而言,14nm工艺大概带来了56%的面积节约。

更低的功耗

新工艺往往会带来芯片面积缩减,但并不会这样大。出现高达50%以上的面积缩减,意味着三星除了采用新工艺外,还进一步调整了芯片的物理布局、采用了新的库文件,大幅度优化了芯片密度。这说明三星对14nm工艺掌握的相当出色。此外,人们还常用电压情况来考察处理器的工艺进步幅度以及功耗等,表3就是Exynos 5433和Exynos 7420在不同情形下的电压。

著名网站ChipWorks拆解了三星Galaxy S6,并对芯片进行了特殊拍摄。图为Galaxy S6的主板正面,大的那颗存储颗粒下方就是Exynos 7420处理器。
著名网站ChipWorks拆解了三星Galaxy S6,并对芯片进行了特殊拍摄。图为Galaxy S6的主板正面,大的那颗存储颗粒下方就是Exynos 7420处理器。

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