在剛剛過去的2020年，5nm處理器只在蘋果iPhone12系列、華為Mate40以及年末發(fā)布的vivo X60、小米11（至截稿日處于預購狀態(tài)）等少數機型搭載。而2021年，5nm處理器將應用于更多5G機型。無論是新近推出第二款5nm處理器和首發(fā)機型Galaxy S21的三星，確認搭載高通驍龍888的IQOO7，還是支持高通驍龍888平臺的 OPPO、魅族、黑鯊等十幾家OEM廠商，皆對5nm工藝躍躍欲試。5G疊加5nm，為手機處理器帶來了哪些改變，各大芯片廠商如何在該領域展開角逐？在新技術與新制程的碰撞下，手機芯片設計又面臨哪些新的挑戰(zhàn)？

入局玩家越來越多

在CES2021上，三星發(fā)布了旗艦芯片Exynos 2100，這也是繼麒麟9000、蘋果A14、三星Exynos 1080和高通驍龍888之后的第5款5nm 5G處理器。

一般來說，手機芯片可以劃分為AP（應用處理器）和BP（基帶芯片）。對于新一代旗艦芯片，各大芯片廠商既強調5nm帶給AP的性能提升，也看重其為5G開發(fā)的BP能力。

提升制程很燒錢，因此制程的提升必須帶來芯片性能的提升，才算“貴得其所”。直觀地從晶體管數量來看，麒麟9000的晶體管數量達到了153億，比起采用臺積電7nm加強版工藝制程的麒麟990（5G版），足足多出50億。而蘋果A14則內置了118億個晶體管，晶體管數量相較7nm芯片增加了近40%。在性能數據方面，5nm工藝帶來的提升也很明顯。相較上一代旗艦芯片，驍龍888的CPU整體性能提升25%，GPU的圖形渲染速度較前代平臺提升了35%。Exynos2100處理器性能較上一代單核提升了19%，多核提升了33%，圖形性能相較于前代提升了40%。

由于手機處理的數據量呈指數級上升，且數據類型更加多元，AI已成為高端手機處理器的必備技能，AP也從“CPU+GPU”走向了“CPU+GPU+NPU/AI引擎”這一方向。在AI算力支援上，蘋果NPU（神經網絡處理器）的內核翻倍，算力達到了11.8TOPS。驍龍888和Exynos2100的算力均提升至26 TOPS。麒麟9000搭載的新一代NPU，采用雙大核+微核NPU架構，性能相對麒麟990（5G）提升了100%。

對5G能力的強調，也是5nm處理器的一大特性。多模多頻段的連接能力是各家廠商最強調的配置，支持5G且向下兼容4G LTE（長期演進），支持SA（獨立組網）/NSA（非獨立組網）雙組網，兼容FDD（頻分雙工）/TDD（時分雙工），并具備載波聚合、DSS、雙SIM甚至多SIM卡功能，已成各產品的標配。在5G提升用戶室外體驗的同時，各家廠商的產品還普遍支持Wifi6功能，并保障用戶的室內連接，塑造了5G時代的移動新體驗。

同樣值得注意的是，紫光展銳和聯發(fā)科先后推出了6nm制程的5G SoC（系統(tǒng)級芯片），與5nm制程的芯片產品僅有“一線之隔”。聯發(fā)科在1月20日發(fā)布了6nm制程的全新5G處理器天璣1200。據相關報道，聯發(fā)科代號為“天璣2000”的5nm芯片已經滿足OPPO、vivo、榮耀等客戶的開案需求，預計于2022年第一季度正式推出。在2022年，市場有望看到更多的5nm處理器設計玩家。

如何構建差異化競爭

芯片設計屬于創(chuàng)新密集型、技術密集型的輕資產行業(yè)，因此5nm 5G芯片的競爭，可謂是全球頂尖廠商的巔峰之戰(zhàn)。

TrendForce集邦咨詢分析師姚嘉洋表示，5G手機處理器可以細分成幾個要素，分別為CPU、GPU、DSP（數字信號處理）/NPU/APU（加速處理器）、5G Modem（調制解調器）、ISP（圖像信號處理）與先進制程的搭配。

以CPU為例，Cortex-X1、A78CPU的搭載，已經出現在高通、三星的產品里，以此來提升處理器整體的運算能效。

以5G Modem為例，就能看到毫米波與sub-6GHz（頻段）支援上的差異。制程方面，雖然都采用5nm制程，但畢竟臺積電與三星在良率、性能與功耗等基本要素上還是略有差別，這也導致了5G手機處理器之間的差異。

從CPU的研發(fā)模式中可以看出各個廠商的研發(fā)重點。雖然幾家芯片廠商都采用了Arm架構研發(fā)CPU，但蘋果為了更好地整合軟硬件能力，A系列處理器多基于Arm的指令集進行自研，單核性能較為突出。驍龍888則基于Cortex內核進行了二次開發(fā)，打造了Kryo 680架構，以提升產品的整體性能和穩(wěn)定性。其他廠商大多使用公版Arm核心。

除了單核結構，各家的多核架構也有所不同，華為、三星、高通在性能提升上的跨度更大。

三星代工的驍龍888和Exynos2100，都采用了“Cortex-X1超大核+3個A78大核+4個A55小核”組成的3叢集8核心架構。但即使是采用了相同的結構，三星在性能提升方面做得更為激進，將超大核的主頻做到了2.9GHz，略高于驍龍888的2.84GHz。

麒麟9000采用“A77大核心+三個A77中核心+四個A55小核心”組成的3叢8核心架構，將A77主頻做到了3.13GHz，是目前頻率最高的手機處理器之一。

而蘋果更注重性能與能效的平衡，采用了2個性能核心、4個能效核心的6核心架構。

根據蘋果公布的A13和A14分別相對A12的提升數據可知，比起A13，A14的CPU性能提升幅度為16.7%，GPU性能提升8.3%，提升幅度并不是太大。但在能效方面，尤其是低功耗模式下的性能表現，蘋果仍具優(yōu)勢。前魅族科技高管李楠稱，蘋果低功耗模式能最大化5nm的制程優(yōu)勢。

GPU的情況亦是如此。蘋果、高通都采用了自研GPU，華為、三星則采用了Mali G78，華為堆了24核，三星堆了14核。

從外媒去年12月發(fā)布的GFXBench圖形基準測試來看，搭載蘋果A14的iPhone12系列圖像處理的跑分在業(yè)界處于領先地位，高通參考測試機和Mate40緊隨其后，在視覺處理能力方面皆有提升。

5G方面，華為、高通、三星都推出并在SoC上集成了自研的基帶芯片。

從大的頻段范圍來看，華為的巴龍5000，高通的X60與外掛在蘋果A14的X55，以及三星的Exynos 5123都具備同時支持Sub-6Hz和毫米波的能力。

巴龍5000在Sub-6Hz的表現較為突出，通過支持5GSA雙載波聚合，Sub-6G下行理論峰值速率達4.6Gbps，上行理論峰值速率達2.5Gbps，且支持11個5G TDD、FDD頻段。

驍龍888集成的X60基帶能夠提供7.5Gbps的毫米波下行峰值速率，居于行業(yè)領先地位，而外掛驍龍X55基帶的蘋果A14也享此待遇，且蘋果iPhone支持的5G主要頻段高達20個，Exynos5123的毫米波下行峰值也達到了7.35Gbps。

研發(fā)門檻越來越高

來到5nm的檔口，能制造芯片的代工廠商只剩兩家，能設計高端制程芯片的廠商更是寥寥無幾。對于旗艦智能手機處理器這種既要第一時間用上先進制程工藝，還要具備5G和AI能力的芯片品類，設計門檻之高顯而易見。

一方面，5G基帶設計難度大，要與網絡側和終端側保持良好互通，實現通信技術標準，在實驗室和外場測試得到驗證，還要向下兼容3G、4G;另一方面，先進制程讓芯片能夠集成更多元器件和相應功能，提升了芯片的集成度和復雜性，因此處理器設計的難度水漲船高，研發(fā)、設計工具升級、晶圓購買等各項的支出也直線上升。

“隨著制程的提升，手機處理器投入的研發(fā)金額愈來愈大。巨額的研發(fā)資金需要大量產品來支撐，以分攤研發(fā)經費。而制程越小，代表晶體管密度越高，這加大了設計的難度。EDA工具的升級需要投入更多的研發(fā)經費，而晶圓代工廠方面所需要的研發(fā)經費與晶圓片的購買價格也會有所提升?！币窝蟊硎?。

對于芯片設計巨頭來說，每一次制程的提升，都會帶來新的挑戰(zhàn)。

“制程越小，設計越難。因為后端的制程工藝升級了，前端的設計方法、設計工具都需要升級，模塊庫、后端庫都不充實。到了設計階段，不僅是設計一個主處理器，還需要AD（模擬-數字信號轉換）/DA（數字-模擬信號轉換）等周圍IP的支持。設計出來之后，還有驗證階段。設計的芯片能否有效地控制功耗，能否正常運行，能否流片成功，這些都需要很長時間去驗證。這個周期是漫長而復雜的。頂級的芯片設計廠商有技術、財力去搶先走這個流程，因此更容易搶得市場先機?！辟惖项檰柛呒壏治鰩熇钛肀硎?。

研發(fā)門檻極高，且每隔一年或兩年就要再啃一遍硬骨頭，對于小米、OPPO等有心自研處理器的手機大廠來說，是一個不小的挑戰(zhàn)。但手機大廠的應對策略也較為多元。小米通過“投資+自研”構建了半導體生態(tài);OPPO通過成立芯片研發(fā)中心和半導體設計子公司以及自研并收購相關專利等方式，持續(xù)提升研發(fā)實力，目前已經具備了協(xié)處理器的設計能力。vivo則與三星合作研發(fā)處理器，Exynos1080、Exynos 980都是雙方的合作成果。vivo方面表示，在共研Exynos 980的過程中，vivo投入了500多位專業(yè)研發(fā)工程師參與定制研發(fā)，聯合解決了100多個硬件問題?？梢哉f，這種基于終端用戶數據幫助芯片廠商優(yōu)化設計，并獲得相對定制化且能夠優(yōu)先搭載首發(fā)的處理器，也是一種提升品控能力的方式，有助于手機企業(yè)加強品牌話語權，并持續(xù)積累研發(fā)經驗。
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