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认识ARM 28NM、40NM、55NM不同CPU制程工艺

来源:未知 时间:2015-10-24 10:11 发布人:admin 阅读:
 28NM、40NM、55NM,从制程谈ARM国字派兵团

在硬件领域,“制程”一直以来都是非常敏感的名词,它可能是除去设计以外最重要的因,因此处理器制程技术的每一次更新都会引起大家关注。现在制程竞争也早已延续到ARM处理器阵营。如ARM处理器的制程仅仅三四年的时间,芯片间的工艺从55nm到40nm再到28nm,经历让人“心惊肉跳”的三级跳过程。不过在这个进化过程中,大家往往更多只是认识高通、NVIDIA、三星这样的大佬级人物——这些公司的新一代产品都已经纷纷步入新潮的28nm时代。

其实在这背后有着不少的国内ARM处理器厂商对ARM制程进程起到推波助澜的作用。只不过无论硬件怎样改变,制造技术怎么升级,国产ARM厂商都要考虑到成本因素和制程技术的成熟程度,这也更得我们更容易从制程技术的层面看清国产ARM阵营的流派。因此今天,我们将介绍28nm、40nm、55nm这三种nm级制程工艺,以平板电脑芯片方案为例,让大家从中了解当前国字派ARM阵营发展的基本情况。

一、新潮派:28nm制程

制程工艺就是通常我们所说的CPU的“制作工艺”,如28nm、40nm就是我们常听到的CPU制作工艺。我们这样理解,修自行车和修手表是两种对工作精度要求不同的事情,你可以认为修自行车是粗活,而修手表是精细活。而CPU工艺制程同理,我们可将CPU看成一块电路板,晶体管就如同电路板上“焊”的组件,而处理器厂商就是要将这些“组件”按照他们的设计思路挨个排列。我们都知道CPU的核心面积比指甲还小,要在面积有限的情况下,容纳更多的“组件”,这工作得有多精细呀,所以就有了CPU工艺制程的说法。

目前ARM处理器领域,最新的技术是28nm工艺制程,它能将晶体管“制”得更细,自然而然就能在有限的核心面积上集成更多的晶体管,从而达到性能更强、功能更强的目的。

 

不过,相对于X86 CPU领域,ARM处理器方面的制程要相对混乱一些。除了三星产品直接采用自家的28nm生产线生产Exynos 5处理器外,其它品牌的28nm ARM处理器生产都是采用代工模式——包工头就是大名鼎鼎的台积电。台积电的28nm制程产品从2010年开始投产,目前它在28nm制程有两个工艺方向:High Performance(高性能型)和Low Power(低功耗型),细分之下还有HP、HPM、HPL以及LP之分。LP低功耗型是最早量产的,不过它并非Gate-Last工艺,还是传统的SiON(氮氧化硅)介质和多晶硅栅极工艺,优点是成本低,工艺简单,适合对性能要求不高的手机和移动设备。HP工艺才是真正的HKMG+Gate-Last工艺,它又可以分为HP、HPL(Low Power)、HPM(Moblie)三个方向,HP工艺拥有最好的每瓦性能比,频率可达2GHz以上,HPL的漏电流最低,功耗也更低;最后的HPM主要针对移动领域,频率比HPL更高,功耗也略大一些。那么28nm制程有啥优势呢?举个ARM A15和ARM A9架构处理器的例子吧,A15和A9最大的差别就是工艺制程了,A15采用的是目前最领先的28nm制程,而A9采用的是40nm的制程制程工艺的提升可以提高主频,40nm的A9,最高也就1.6GHz左右,28nm的A15可以到2.5GHz以上,在提高浮点运算能力的同时并降低功耗。

代表产品:瑞芯微RK3188/3066/3168

 

也许大家都认为在28nm制程上,国内ARM厂商一定为落后于高通、NVIDIA、三星这样的大佬级人物。其实错了,瑞芯微在这方面甚至比NVIDIA更早将28nm制程引入到四核产品中,如其RK3188就是国内首款28nm制程的四核心方案。RK3188采用四核Cortex-A9核心,在28nm技术助力下相比其它45nm LP的ARM处理器,在同等频率下可节省60%的运行功耗,在同等漏电率下可带来55%的性能提升,而相比40nm工艺功耗节省20%。

 

除了RK3188外,瑞芯微今年5月还针对中低端市场推出了另一款28nm明星级产品——RK3168,架构是采用双核Cortex-A9架构,但得益于28nm制程,主频高达主频为1.2GHz的双Cortex-A9核心在性能上远超Cortex-A7四核,而仅为Cortex-A7双核芯片的二分之一。

二、中庸派:40nm制程

  低功耗的要求促使芯片设计者不得不追逐最新的28nm工艺,但这意味着巨大风险和投入,无论是工艺还是IP的投入和成熟度都在一定程度上阻碍了许多想法转变成硅片。如从成本投入上,采用28nm制程的芯片设计成本较前一代40nm制程节点增加近80%,此外,软件成本增加的比重更高,提高约一倍以上。因此对于,资金、技术有限的一些国内ARM芯片厂商而言,40nm制程就成了最佳选择。

  40nm工艺虽是基于45nm技术而开发,它的功力虽不及28nm制程,却也有不俗的表现。和以前的65nm节点以及最近的45nm节点相比,40nm制程技术节点有很大的优势,最显着的优势是可以让产品实现更高的整合度及更低的功耗。比如台积电的40nm技术提供的闸级密度是其65nm技术的2.35倍,而采用40nm低功耗制程取代45nm制程的过渡,将可使功耗降低15%。台积电的40nm技术分为两项技术:通用的40G制程以及低功耗的40LP,其中40LP制程主要针对无线和可携式设备等对于漏电敏感的应用,而40G制程则是为处理器、图像处理单元、游戏平台IC、网络和FPGA设计等对于性能要求严苛的应用而设计。不过由于在40nm包括浸润式显影、ELK及SiGe等新材料导入的挑战比起以往制程复杂,因此40nm良率就曾一直让台积电头痛。当然,现在这样的问题已经解决了。

代表产品:全志A20、A31、 A31S; 海思K3V2

 

随着40nm制程的成熟及比28nm更具成本优势,因此成为了不少吃不起“28nm”葡萄的的一些ARM厂商的不错选择,比如全志A20、A31、 A31S及海思K3V2都是40nm阵营的常见的产品。如全志A31采用四核 Cortex-A7架构及台积电40nm制造工艺。不同于以性能为主的Cortex-A15架构,Cortex-A7架构是一款以低功耗为卖点的架构,因此40nm制程也可以让Cortex-A7更容易集成更多内核,从而取得更佳的功耗控制,不过这也限制了芯片的性能提升。

三、成本派:55nm制程

随着40nm的成熟,从2010年开始已在国内ARM中看到越来越多的40nm设计,其中不乏几千万门级的智能终端IC,但40nm工艺超过百万美元的一次NRE费用也让一些更注意成本的ARM方案提供商着实“伤不起”。在这种情况下, 55nm工艺的出现可以说恰逢其时,也使中国消费电子IC厂商又多了一种选择:可不用急于往40nm节点冒进,在实现接近功耗的同时不仅能保护现有在65nm上的IP投资,而且NRE的费用仍像65nm一样处于能承受的水平,因此非常适合中国的国情。如的廉价平板上常见到的炬力的7000系列芯片及盈方微X15芯片就都是采用55nm制程——他们的最大优势就是廉价!最大的遗憾是性能太低。

代表产品:炬力7021/7021A/7039/7034/盈方微X15

写的最后:

以上便是笔者为大家介绍的目前国内ARM处理器采用的主流制程的解析,相信大家看过之后会对目前国内ARM所处的技术层面本身有一个重新的认识。虽然反观整个平板处理器市场,可以看到绝大国内的厂商仍比较注重产品的生产成本,在芯片产品引入制程发展过程中国内厂商上仍与高通、三星、NV有着一定的差距,但以瑞芯微RK3188/3168为代表的新一代为处理器终于突破了这个局面。单从制造技术方面,这些低调的“ARM处理器”的已经达到了一定水准,打破了国外ARM厂商在最新处理器制造技术上领先的局面……

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