盖棺定论 2013年手机处理器终极指南

    不夸张地说，工艺是IT行业的基础。有趣的是，上一代产品中，高通、三星、NV三家公司分别选择了三种不同的工艺：Tegra3采用了台积电“40nm Fast G”，APQ8064采用了台积电“28nm LP”，Exynos 4 Quad则采用了三星自家的“32nm LP HKMG”。如果你已经头晕了，不要先忙着说虽不明但觉厉，这些工艺的代号的确会让人眼花缭乱，但它们是理解工艺细节的关键，所以我们必须要了解一下半导体工艺的相关基础知识。虽然这些都是2012年的产品，但是了解一些工艺细节也更利于我们分析今年甚至未来的新产品。

    首先，所谓的45nm、28nm，这些数字都意味着线宽，简单理解就是内部晶体管的尺寸。这可能是半导体工艺中最直观也最具欺骗性的参数——大家都可能认为数字越小越先进，但实际情况远没有这么简单。

    严格来说，线宽数字本身就具有一定的欺骗性。在半导体行业中存在两种类型的企业，一种是以Intel、三星为代表的拥有自主制造能力的企业，另一种则是以nVIDIA、高通为代表的Fabless，即设计代工型企业。对于后者而言，芯片的制造往往交给诸如台积电、中芯国际等半导体代工厂负责。正常而言，每一代逻辑芯片工艺的线宽基本上都是以70%的比例不断降低，就Intel为例，近几年我们熟悉的有 90nm、65nm、45nm、32nm和最新的22nm。

    由于这些企业的卖的是产品而不是工艺，不论是技术还是工艺，主要都是为了自用，所以不会对这方面的宣传太过在意，但对于台积电而言，由于它的业务是代工，因此工艺细节就成了最主要的宣传对象。或许是为了让自己的技术看起来更“先进”一些，台积电自130nm节点开始，每一代工艺的线宽都要比Intel小一点——分别是110nm、80nm、65nm、40nm、28nm和20nm。这样的决策老实说，可能更多只是商业目的，技术上的差别并不会太大，甚至曾经出现过以台积电110nm工艺制造的芯片，在电子显微镜下观察，实际线宽浮动在120～130nm的情况。因此本质上来说，他们都属于同一代，单纯以线宽论，不论是28nm还是32nm，并不存在明显的孰优孰劣关系。

    因此大家就知道了，Tegra3所采用的40nm工艺和45nm是属于同一代的，而Exynos 4 Quad和APQ8064采用的32和28nm则是最新一代的节点。Tegra3之所以选择上一代工艺，之前提到了是因为产能，但是产能到底影响有多大？

    如果回顾以下台积电的路线图，那么按照原计划，28nm工艺原本计划在2011年9月量产——注意，是2011年。但实际上一直到2012年6月为止都无法达到传统意义上的大规模量产的水平，甚至一直到今天，依然无法完全令人满意，以至于高通已经将部分28nm订单转移给了联电和三星。而三星也同样遇到了这种问题，Exynos 4412的投产也比原计划晚了大约半年。10个月的拖延，在科技界不论是谁都是绝对无法承受的，所以纵使Tegra3再弱再慢再热，当市场上不存在其他选择的时候，它就是唯一的赢家。

TSMC的路线图：2013年将投产16nm，而实际上连CLN28HPL都看不到

    未来随着新一代工艺节点研发难度的持续增大，可以预计“延期”会变得越来越普遍，而换代周期也会变得越来越长。前AMD半导体工厂，现代工厂GF的28nm就比预期的投产时间足足晚了一年多。目前来看，除了Intel以外，我们很难看到有谁可以保证在2013年内量产22/20nm工艺，而如果再进一步到下一代的16/14nm，不确定的因素就更大了。这就像是半导体行业的一枚定时炸弹，也许在不远的将来就会带来明显的影响。相信现在你已经明白“线宽”这个参数的区别，那么就让我们更进一步，去看看线宽以外的东西。

    线宽以外还有东西？当然。拿Intel处理器来说，同一代工艺的产品（比如最新的22nm Ivy Bridge），桌面版的功耗为77W，而移动版就只有17W，当然频率是一方面，但更重要的原因则是所谓的“工艺方向”。大体来说，任何一代线宽下都会有三个工艺方向：高性能型、通用型、低功耗型，它们是在“功耗——性能”轴上取不同平衡的产物。同样的线宽，不同的工艺方向，差别甚至可以达到数倍之多，因此只谈论线宽是没有意义的。高通和三星的芯片均采用了低功耗型即LP工艺，唯独nVIDIA因为设计了LP工艺制造的伴核，从而使用通用型即Fast G 工艺制造剩下的部分以追求更低的满负荷功耗。

    这么说来，那么高通就和三星一样省电——且慢，事情并不是这么简单。线宽和方向也远远不是工艺的全部，在这个领域还有很多的高级技术，它们发挥的影响力，甚至可以超越以上的一切。细心的你应该注意到了，在本回合开头的工艺介绍中，有诸如“HKMG”这样的缩写，这四个字母正是代表着一个高级技术：它指高介电常数金属栅极，英文为High-K Metal Gate，缩写为HKMG。这是一个非常先进但也非常复杂的技术，详细介绍可以写许多本书，我们作为消费者或技术爱好者，只需知道个大概：HKMG就是利用高介电常数的金属氧化物（例如氧化铪或者氧化铝）代替传统的二氧化硅作为栅极绝缘层，提高栅极对电子的容纳能力与对沟道的控制力，进而降低漏电，更重要的是降低高频率下的功耗。它的效果有多好？根据三星提供的数据， HKMG相对于SiON/Poly-Si工艺在同样的延迟（简单理解即频率）下漏电最多可以降低到十分之一，而同样的漏电下频率最多可以提升40％。Exynos 4 Quad也正是借助这样的先进工艺，在核心数翻倍的情况下，整体功耗依然降低了20%。

    Exynos 4412当然使用了HKMG技术，但高通则令人失望。虽然台积电也拥有28nm HPL HKMG工艺，但高通选择的却是基于SiON/Poly-Si的28nm LP工艺。不仅APQ8064如此，甚至最新的骁龙600 APQ8064T，也还在采用28nm LP工艺制造。这一方面是因为HKMG会抬高制造成本，更重要的是台积电的28nm HPL HKMG工艺至今尚未量产，预计的时间将在2013年底到2014年初。这些因素综合起来，使得28nm LP成为了事实上的唯一选择——这自然会对APQ8064的功耗带来一定负面的影响，这个影响目前来看还是非常明显的。