为什么手机SoC的发展速度远比PC芯片的发展速度快?

Posted by Bob Guo on January 5, 2020

       最近我发现很多小白在问一个问题:为什么手机芯片发展的这么快而电脑的芯片发展就这么慢?稍微更懂一点的,会用TSMC 7nm和Intel 14nm对比(很显然这群人并不知道AMD Ryzen Gen3也是powered by TSMC 7nm)
       多的不说,直接解题。        X86架构的芯片在制程推进的速度上确实远远低于ARM架构的芯片,这主要是由以下几个原因构成的:

  1. PC业界正在萎缩,而智能手机与IoT仍是未来。

  2. Intel作为少有的非Fabless半导体企业并无足够经济实力推进制程

  3. Intel与TSMC等代工厂在制程计算上的出入

       我们一个个细讲。
       首先是第一个原因。随着乔布斯在2007年发布初代iPhone,智能手机如同雨后春笋发展,连Intel这样的巨头也掺了一脚可惜收效甚微(X-Scale处理器)。而随着智能手机的发展,很多人开始用手机替代电脑。因此,PC行业其实已经萎缩了很久,很多人使用电脑的理由就只剩下上班用,下班之后根本不会去使用电脑而是用手机替代自己所有的娱乐需求。这趋势是好是坏我在这里不做评价,但是这样的事实确实在影响PC业界的技术革新。还有,就是Intel从1978年推出8086开始计算,x86已经发展了四十余年,也确实发展到一个难以绕过的瓶颈。AMD64指令集、AVX指令集等的加入虽然成功扩展了它的上限,但现在的技术水平在某种程度上也确实触及了这个上限。而反观主要在手机与IoT上使用的ARM架构,它还是一个相对年轻的CPU架构-第一个能量产的ARM2处理器于1986年投产,此时距离ARM架构的设计才过了三年。而且,由于ARM灵活的授权方式,参与研发ARM处理器的厂商也远比研发X86处理器的厂商多。如果x86是美苏冷战的话,那ARM就是群雄涿鹿。不要以为ARM只用于智能手机:苹果早年用于Mac产品线上的T1安全芯片就是ARM架构,而高通、MTK、博通等厂商为无线路由器等网络设备也研发了大量的ARM芯片。
       第二个原因,这个就可能有点费解了。我们都知道,华为海思、苹果、高通这些厂商都并不自己生产芯片,那么,麒麟810、A13、855Plus这种芯片都是谁去生产的呢?答案就是像TSMC这样专营半导体生产而不进行设计的企业。这样的经营方式就叫做Fabless,而我们所熟知的大部分半导体企业都是用这种方式进行生产,例如知名的龙芯就是委托意法半导体生产目前最新型的处理器3A4k的。Fabless尽管增加了一个可能的故障点-代工厂,但由于这种方式使得设计者能够专心设计,而且代工厂也能通过接大量订单消化产能快速回本,这种方式对于现代半导体生产来说可以说是双赢。而像Intel和三星这样,自有Fab的集成生产商就叫做IDM。三星虽然也承接代工业务(例如知名的高通820系列就是靠三星14nm制程生产的),但同时也有自己的处理器业务,所以不算做Fabless。而Intel,就是典型的IDM企业。它不依赖其他代工厂的产能,自己埋头苦干,所有的苦都要自己吃。这种运作模式的优点就在于lab跟fab能够充分的沟通,对于充分发掘技术潜力有好处,不像一般不会对特定客户进行针对优化的fabless模式,而缺点就是极高的成本与无法压低的售价。
       读完上面这一段,应该大家都能看到问题的所在了。Intel由于在移动领域的失利,并没有足够的资本去试错。这里的资本并不只有金钱-你要说Intel缺钱谁信啊-而更多是移动SoC充分迭代带来的客户反馈。TSMC几乎垄断了智能手机SoC的全部产能,因此通过与大量的协同合作获得了大量的用户反馈和技术积累,这十分有助于优化在特定工艺上的生产。例如,TSMC的第二代7nm工艺相比第一代7nm工艺引入了EUV技术。
       第三个原因也是很复杂的。简单来说,对于半导体来说,制程进步的一个重要作用就是在相同的面积里塞入更多的晶体管,这样不仅可以将芯片做小,也有助于提升性能。而Intel由于自有Fab,它们在不同的制程节点上都与设计实验室有及完善的合作,某种意义上可以理解为Intel在压榨每个制程节点的技术极限。例如,从2015年开始打磨的14nm工艺在今年通过LGA1151的i9-9900KS画下了完美的句点。而我为什么要提到这一点呢?Intel在2017年9月19日发表了一篇有关半导体制程节点命名的新闻稿,在这片新闻稿中,作者Mark Bohr指出了Intel与其他企业命名的半导体节点的算法上存在差距。具体请看这篇新闻稿,我就不在这里献丑了。
       当然,随着AMD抛弃GF转投TSMC,Intel也必须早日推出10nm甚至7nm处理器以挽回宣传上的劣势。而且,我们也可以看出,AMD利用将核心die和总线die高强度混搭获得极高商业灵活性的思路配合台积电7nm工艺对Intel产生了极大的压力。不只是AMD,高通通过将骁龙处理器搬上PC,以及Google的Chromebook也在威胁Intel的行业地位。竞争永远是利于消费者的。随着AMD的崛起,可以预见Intel与AMD将会掀起新一场的核战争,而随着制程的提升,这场核战争将会比05年奔腾D“胶水双核”更为凶猛。