硬核科普!为啥说SoC的性能取决于架构和工艺?

CFan 电脑爱好者 2020-05-13 09:48产品 标签:架构 芯片 联发科 手机

PC(包含台式机、笔记本、一体电脑、二合一设备等)和移动设备(智能手机、Android和iOS系统的平板电脑)的“心脏”都是一颗芯片,但它们却有着本质上的不同,从而让这两种类型的计算设备走向了迥异的发展道路。

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本图仅供参考,手机芯片的尺寸远小于PC芯片

架构和指令集的天赋属性

虽然如今手机性能越来越强,但我们依旧不能指望它们可以取代PC,在3D游戏和很多专业设计领域,二者的表现依旧有着云泥之别。

究其原因,就是两类计算设备的“心脏”采用了不同的架构和指令集,各自存在“先天不足”。

ARM和X86架构

首先我们需要知道,手机处理器几乎都是“ARM架构”,而PC处理器则都多以“X86架构”为主。

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但在某些领域和特殊时期,ARM和X86存在“跨界”的行为。比如英特尔就曾推出过手机专用的X86架构处理器(如Atom Z2580),而现在很多主打能效比的服务器也改用了ARM架构处理器。

RISC和CISC指令集

ARM架构处理器源于“RISC”(精简指令集),其最适合针对常用的命令进行优化,赋予它更简洁和高效的执行环境,对不常用的功能则通过各种精简指令组合起来完成。

RISC将复杂度交给了编译器,牺牲了程序大小和指令带宽,从而换取了简单和低功耗的硬件实现。

X86架构处理器源于“CISC”(复杂指令集),其适合更加复杂的应用环境。CISC是以增加处理器本身复杂度作为代价,以牺牲功耗为代价去换取更高的性能。

不过,X86架构则可通过对新型指令集的支持(如SSE4.1、AVX-512等),提高指定任务的执行效率和降低功耗。

换句话说,RISC拥有高效率、低能耗的先天优势,与智能手机、平板电脑这种主打能效比的计算设备完美契合,如果用于PC虽然可以延长续航时间,但在性能、兼容性和专业软件的运行效率上会大打折扣。

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目前搭载ARM架构骁龙移动平台Windows设备的口碑并不理想

CISC虽然拥有高性能的天赋,但它同时也具备高功耗的先天缺陷,像智能手机这样的“小身板”很难驾驭它的发热和耗电。

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搭载X86架构Atom Z2580芯片的联想K900手机,兼容性、发热和续航表现同样不佳

如果你想了解更多有关RISC和CISC指令集的知识,请参考《A12X和骁龙855这么强 ARM真的可以取代X86吗?》这篇文章。

RISC-V架构强势出击

为了打破X86架构的垄断和ARM架构极高授权费用的问题,在RISC指令集的基础上还出现了名为“RISC-V”的全新指令集架构。

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和同宗的“ARM”架构相比,RISC-V最大的特点就是免费和开放,它可以自由地被用于任何目的、任何人设计、制造和销售基于RISC-V的芯片或软件。

这种开放性,在处理器领域是彻底的第一次。

可惜,RISC-V架构的生态还在建设和完善之中,目前它主要被用于嵌入式芯片领域,比如西部数据、高通、英伟达、阿里巴巴、三星等巨头就都已经加盟RISC-V架构,用于硬盘主控、GPU显存控制器、移动SoC、AI加速器以及5G RF射频前端模组的毫米波射频处理等不同领域。

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西部数据开发的基于RISC-V指令集的自主通用架构SweRV处理器

有消息称,以RISC-V现在的发展速度,2022年就有机会与ARM争夺高通、苹果、三星、联发科等手机处理器客户,2025年有望挥师服务器市场。

不是所有处理器都是SoC

家用PC和智能手机都只有一颗“心脏”,但在前者口中这颗芯片就是“处理器”,但在后者口中却总强调这是一颗“SoC”。

那么,处理器和SoC到底有什么区别?

PC领域的处理器

在PC领域,酷睿i5-9400F、锐龙5-3600这些芯片都是单纯的“CPU”(中央处理器),因为它们在PCB基板上只集成了唯一的CPU核心。

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但是,在以笔记本为代表的低功耗领域,处理器们正逐渐向SoC转型,将CPU、GPU、内存控制器和PCIe控制器等单元全部整合在一颗芯片或一块基板上

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集成了CPU/GPU和芯片组的第十代酷睿处理器

CFan曾在《胶水多核等于Low?处理器封装没有那么简单!》一文中介绍过英特尔最新的基于Foveros 3D封装技术打造的Lakefield处理器,这颗芯片在一枚硬币大小的面积内就集成了1颗Sunny Cove架构的大核CPU、4颗Tremont架构的小核CPU、Gen 11代的GPU核显,同时还将不同的IP单元整合在了一起。

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换句话说,Lakefield完美实现了X86架构芯片从处理器到SoC的华丽转型,这意味着今后部分笔记本(包括二合一设备)所搭载的芯片也不再是单纯的CPU了。

手机平台的SoC

每一颗手机“心脏”的集成度都不逊于Lakefield,所以手机搭载的处理器芯片都是一个完整的SoC(System on Chip,片上系统),在一颗芯片内包含中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)、图像处理单元(ISP)、数字信号处理器(DSP)、神经处理单元(NPU)、调制解调器(Modem)等功能模块。

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SoC的单芯片设计可以最大限度节省主板布局,帮助设备瘦身,提升各个IP单元的交流速度,还能显著降低整体功耗。

制程工艺决定战斗力

和PC领域的处理器相同,智能手机专用的SoC也是由一整块晶圆上切割而来,它的性能潜力与制程工艺息息相关。

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一颗SoC,它选用的制程工艺越先进,往往意味着可以解锁更高主频、发热量更低、功耗更低、不易降频,运行更强更稳定。

工艺的迭代更新

制程工艺的单位为“nm”(纳米),“理论上”数字越小越先进,比如7nm就比8nm强,12nm优于16nm。

目前,除了联发科Helio P65、P90和G90等少数芯片以外,其他最新上市的SoC都已经跨过了10nm工艺的门槛,整体能效比较14nm和16nm的前辈们有了明显的提升。

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工艺数字背后存秘密

无论是英特尔和台积电,还是三星或格罗方德,不同晶圆代工厂都有着一套制程工艺的定制标准,相同的工艺在鳍片间距、栅极间距、最小金属间距、逻辑单元高度、逻辑晶体管密度等指标上可能存在极大的差距。

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比如,英特尔14nm工艺在上述指标就都比三星和台积电的10nm还先进,而当年台积电16nm的口碑比三星14nm还要好。

制程工艺在进行10nm→7nm这种大版本升级之余,每隔一段时间也会对现有工艺进行小幅革新。

比如台积电16nm工艺就曾衍生出第一代FinFET(16nm FF)、第二代FinFET Plus(16nm FF+)和第三代16nm FinFET Compact(16nm FFC),三星则习惯用第一代Low Power Early(LPE)、第二代Low Power Plus(LPP)、第三代Low Power Compac(LPC)和第四代Low Power Ultimate(LPU)加以区别。

如果你想了解EUV极紫外光刻对工艺性能的影响,请参考《“芯”希望来自新工艺!EUV和GAAFET技术是个什么鬼?》这篇文章。

来自未来的预期

在首发7nm+EUV工艺之后,台积电最新的6nm和5nm制程工艺也做好了量产前的准备,前者属于过渡性能的工艺,大家简单了解一下即可,而后者则是未来1~2年内最重要的制程节点,还会被台积电细分为5nm(N5)和5nm+(N5+)。

其中,今年就会有基于5nm工艺的芯片量产,比如苹果A14/A14X、华为麒麟1000及网络处理器。

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2021年,苹果A15、华为麒麟1100、AMD Zen 4/RDNA3、骁龙875+X60 5G基带和联发科天玑2000等也将加入进来。据悉,相较于第一代7nm DUV,基于Cortex A72核心的全新5nm芯片能够提供1.8倍的逻辑密度、速度增快15%,或者功耗降低30%,同样制程的SRAM也十分优异且面积缩减。

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三星在量产10nm LPP工艺之后跳过了第一代7nm DUV,直接启动最新的7nm+EUV工艺。2020年往后,三星还会陆续导入6nm LPP、5nm LPE和4nm LPE,并于3nm节点开始引入闸极全环场效晶体管(GAAFET)来取代现有的FinFET(鳍式场效应晶体管)。

再过一段时间,ARM将正式发布下一代基于精简指令集架构定制的旗舰级CPU内核Cortex-A78,以及下一代GPU内核Mali-G78,当它们与5nm工艺结合后,将带来前所未有的综合性能改善。而麒麟1000系列应该是首款将上述元素集于一身的SoC,并有望在9月份发布,10月份随Mate 40系列量产。

届时,通过麒麟1000与现有的骁龙865等旗舰SoC的评测对比,我们就能更加直观了解下一世代的SoC的性能底蕴了。

那么你期待吗?