王玉坤
進(jìn)入到2019年下半年,5G手機(jī)上下游競(jìng)爭(zhēng)變得異常激烈起來(lái)。除了各大手機(jī)廠商爭(zhēng)相發(fā)布5G手機(jī)之外,5G芯片廠商也沒(méi)閑著,剛剛發(fā)布的華為麒麟990 5G芯片和三星EXynoS980 5G芯片就異常吸引眼球。華為麒麟990定位旗艦,三星EXynoS980面向中端,但都集成5G基帶,下面就讓我們一起了解一下兩款5G芯片實(shí)際帶來(lái)的提升
華為麒麟990
5G基帶:從外掛到集成
相對(duì)于過(guò)去的SoC,麒麟9905G版芯片最大的亮點(diǎn)就是集成5G基帶,而不是簡(jiǎn)單地封裝到一起,通信模塊和CPU、GPU共享著內(nèi)存,功耗更低,數(shù)據(jù)傳輸速率更快。在5G通信方面,麒麟990 5G版芯片采用NSA/SA雙組網(wǎng)方式,向下支持TDD/FDD全頻段,充分應(yīng)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)、不同組網(wǎng)方式下對(duì)手機(jī)芯片的硬件需求,不但適用于現(xiàn)階段4G到5G過(guò)渡時(shí)期,還適用于之后的單5G時(shí)期。下行峰值速率達(dá)到了2.3Gbps,上行峰值速度達(dá)到了1.25Gbps,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫加載視頻、數(shù)秒下載1GB大小文件、暢快網(wǎng)絡(luò)云游戲等功能。針對(duì)外場(chǎng)通信環(huán)境的挑戰(zhàn),麒鱗990 5G采用帶寬分配技術(shù)(BWP技術(shù)),在輕負(fù)載數(shù)據(jù)下功耗可下降44%,比其他方案功耗優(yōu)化高了20%。
同時(shí),針對(duì)兩個(gè)重點(diǎn)場(chǎng)景——高速移動(dòng)和5G信號(hào)覆蓋弱的區(qū)域,麒鱗990 5G版芯片利用AI技術(shù)進(jìn)行了深度優(yōu)化。針對(duì)高速移動(dòng)的使用場(chǎng)景,它基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)采用自適應(yīng)的信號(hào)接收機(jī)制,加強(qiáng)波形束縛,利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行信道匹配,讓手機(jī)在移動(dòng)過(guò)程中,自動(dòng)選擇最佳的5G信道。余承東表示,這一技術(shù)在實(shí)際測(cè)試(每小時(shí)120公里的運(yùn)動(dòng)速率)中,5G下行速率可以提升19%。針對(duì)5G信號(hào)分布較弱的區(qū)域,對(duì)于上行速度要求比較高,麒鱗990 5G版芯片采用了智能上行分流設(shè)計(jì)。在接入網(wǎng)NR上行資源受限時(shí),上行速率仍可以提升5.8倍。
CPU:舊架構(gòu)新工藝
為了控制芯片尺寸,集成5G基帶的麒麟990 5G版芯片使用臺(tái)積電7nm+EUV制程工藝,是業(yè)內(nèi)目前晶體管數(shù)最多、功能最完整、復(fù)雜度最高的5G SoC芯片。EUV(Extreme UItravioletLithography)又稱(chēng)極紫外光刻,是一種采用13.5nm長(zhǎng)的極紫外光作為光源的光刻技術(shù)。相比于現(xiàn)在主流光刻機(jī)用的193nm光源(DUV技術(shù)),新的EUV光源能給硅片刻下更小的溝道,從而能實(shí)現(xiàn)在芯片上集成更多的晶體管,進(jìn)而提高芯片性能。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,芯片晶體管的面積和密度越來(lái)越接近物理極限,DUV技術(shù)在制造芯片時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的衍射現(xiàn)象,難以推進(jìn)制程工藝的進(jìn)步,因此EUV技術(shù)就成為突破這一瓶頸的關(guān)鍵。資料顯示,麒鱗990 5G版芯片的面積超過(guò)100mm2,高于麒麟980(臺(tái)積電7nm)的74.13mm2和麒鱗970(臺(tái)積電10nm)的96.72mm2,可能成為華為迄今為止面積最大的手機(jī)處理器。相較于單一采用7nm工藝,晶體管密度提升了18%,能效提升10%,晶體管數(shù)量也達(dá)到了103億之多,與此前的麒鱗980相比晶體管增加44億個(gè),可見(jiàn)新工藝帶來(lái)的芯片面積減小相當(dāng)可觀。擁有極小“身材”的麒麟990 5G版芯片相較于外掛基帶方案,可以在設(shè)計(jì)上為其他部件騰出更多的位置,提升能效之余,也能為增添更多的手機(jī)功能埋下伏筆。
性能方面,麒麟990 5G版芯片依然保留依然保留麒鱗980上的2大核+2中核+4小核配置,其中2顆大核為2.86GHzCortex-A76,較上一代麒鱗980提升了12%;2顆中核為2.36GHzCortox-A76,較麒麟980提升了35%;4顆小核為1.95GHzCortex-A55,較麒鱗980提升了15%。所有四個(gè)A76內(nèi)核都具有512KB L2緩存,而A55內(nèi)核各為128KB。從技術(shù)上講,麒鱗9905G版芯片采用的A76內(nèi)核針對(duì)緩存系統(tǒng)進(jìn)行一系列增強(qiáng),改善內(nèi)存延遲,是“基于A76”的強(qiáng)化版。
5G到來(lái)后,除了對(duì)核心CPU處理器的要求提升之外,還對(duì)手機(jī)存儲(chǔ)速度有了更高的要求。于2018年1月30日發(fā)布的超高速閃存UFS 3.0是迄今為止最新的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),采用雙通道設(shè)計(jì),可以最高達(dá)到23.2Gbps的傳輸帶寬,能夠更好地適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)的速度。從公開(kāi)的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看,UFS 3.0閃存(512GB容量)的順序讀取速度可高達(dá)2100MB/s、寫(xiě)入速度高達(dá)410MB/s,隨機(jī)讀速63K10P5、寫(xiě)速68K IOPS,較UFS2.1(1TB)分別提升了1.1倍、0.58倍、0.09倍和0.36倍。除了能使信息、資料以更快速度讀取和寫(xiě)入,UFS 3.0的功耗也更低。麒麟990支持UFS 3.0和UFS 2.1存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),也就是說(shuō)未來(lái)搭載該款芯片的旗艦級(jí)手機(jī)將會(huì)優(yōu)先支持UFS3.0閃存,平常無(wú)論是安裝軟件還是讀取文件相較于過(guò)去的UFS 2.1都會(huì)變得更加快速。
進(jìn)入2019年,ARM公司發(fā)布了最新的A77架構(gòu),較A76架構(gòu)的性能提升非常可觀。為什么今年發(fā)布的麒麟990 5G版芯片沒(méi)有采用新的架構(gòu)?華為表示雖然A77達(dá)到了更高的峰值性能,但A77和A76在7nm上的功率效率實(shí)際上不相上下。實(shí)際上,A76在7nm工藝上的技術(shù)更成熟,核心頻率可以達(dá)到更高,而A77有待制程工藝的進(jìn)一步提升,才能減少因性能提升而帶來(lái)的能耗。
GPU+NPU:升級(jí)架構(gòu)AI性能翻倍
在圖形處理方面,GPU比處理器性能更重要,是直接決定手機(jī)能否流暢運(yùn)行大型游戲的關(guān)鍵因素。決定GPU表現(xiàn)的參數(shù)則跟處理器相似,架構(gòu)和運(yùn)算單元數(shù)量決定其性能。麒鱗990 5G芯片采用和麒鱗980一樣的ARM Mali-G76架構(gòu),但核心數(shù)從10升級(jí)為16核。在核心數(shù)大幅度增加下,麒麟990的圖像處理能力也有了大幅度提升,性能提升6%,能效提升20%。為了更加有效提升GPU能效,麒麟990 5G版芯片采用了SmartCache分流技術(shù),顯著提升GPU資源配置,帶寬需求降低15%,DDR(Double Data Rate,雙倍速率)內(nèi)存功耗降低12%。同時(shí),麒鱗990 5G版芯片對(duì)調(diào)節(jié)資源配置做了優(yōu)化,升級(jí)了全新的AI調(diào)頻調(diào)度技術(shù),從動(dòng)態(tài)出發(fā)感知性能瓶頸,并且對(duì)原來(lái)的Kirin Gaming+做了大幅的升級(jí)優(yōu)化,建立更為科學(xué)的性能功耗模型,促進(jìn)游戲幀率更為穩(wěn)定,每一幀調(diào)頻準(zhǔn)確率提升30%。華為在發(fā)布會(huì)上展示了《和平精英》游戲過(guò)程中的效果視頻,可以看到在游戲過(guò)程中的性能功耗較比較機(jī)型更低,幀率基本保持在59-60fps之間,波動(dòng)率并不大。
在AI性能上,麒鱗990 5G版芯片相比于上一代也有了重大升級(jí)。華為將此次發(fā)布會(huì)定義為“重構(gòu)”,其中非常重要的一點(diǎn)就是在NPU上。麒麟990 5G版芯片的NPU架構(gòu)采用了華為自研的達(dá)芬奇架構(gòu),內(nèi)部細(xì)分為諸多單元,包括核心的3D Cube、Vector向量計(jì)算單元、Scalar標(biāo)量計(jì)算單元等,它們各自負(fù)責(zé)不同的運(yùn)算任務(wù)實(shí)現(xiàn)并行化計(jì)算模型,共同保障AI計(jì)算的高效處理。達(dá)芬奇架構(gòu)以3D Cube的矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ),引入Vector向量計(jì)算單元作靈活的調(diào)整,針對(duì)矩陣運(yùn)算進(jìn)行加速,可以大幅提高單位面積下的AI算力。麒麟990 5G版芯片的3D Cube的立體陣列達(dá)到16x16x16,與目前主流的具備N(xiāo)PU架構(gòu)的芯片相比較,能效最高多達(dá)8倍,性能最高多達(dá)6倍。和麒鱗980和麒鱗970的寒武紀(jì)NPU不同,麒鱗990 5G版芯片采用了兩個(gè)大核NPU+1個(gè)微核NPU設(shè)計(jì),微核能在大多數(shù)場(chǎng)景下充當(dāng)替代大核的角色,減少因算力提升導(dǎo)致的功耗大幅增加的問(wèn)題。
此外,麒麟990 5G版芯片支持華為HiAI開(kāi)放架構(gòu)2.0、支持谷歌Tenorflow、Android NN。在全新的架構(gòu)模式下,麒麟990 5G版芯片支持300多個(gè)算子,比上一代的麒麟980多了近100個(gè)。支持90%的視覺(jué)計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),涵蓋了目前所有開(kāi)源的網(wǎng)絡(luò)模型,比如VGG、Resnet、VDSR、Deeplab等。
在AI算力的大幅度提升下,麒麟990 5G版芯片不僅對(duì)識(shí)別場(chǎng)景、AI算法、資源配置大有裨益,在實(shí)時(shí)視頻場(chǎng)景下也能發(fā)揮大用處。在開(kāi)視頻的情況下,可以實(shí)時(shí)針對(duì)視頻中的人、不同物體進(jìn)行識(shí)別和分割。發(fā)布會(huì)上的Demo顯示,用戶(hù)可以實(shí)時(shí)改變視頻背景,可以將多人中的一千人放到屏幕另一邊,或者隨意進(jìn)行縮小和放大,而這些都是在實(shí)時(shí)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的。
ISP:自研技術(shù)雙重降噪
除了CPU、GPU之外,SoC芯片往往還集成了ISP(圖像傳感處理器)和DSP(圖像處理器芯片)。麒鱗990 5G版芯片搭載了海思最新研究出來(lái)的ISP(Ima9e SignalProcessing,意為圖像信號(hào)處理)5.0技術(shù),吞吐率提升15%,能效提升15%。加入單反級(jí)BN3D圖像降噪技術(shù)和雙域聯(lián)合視頻降噪技術(shù),照片降噪能力也提升了30%,視頻降噪能力提升了20%。
單反級(jí)BM3D圖像降噪技術(shù)先把圖像分成一定大小的塊,根據(jù)圖像塊之間的相似性,把具有相似結(jié)構(gòu)的二維圖像塊組合在一起形成三維數(shù)組.然后用聯(lián)合濾波的方法對(duì)這些三維數(shù)組進(jìn)行處理。最后,通過(guò)逆變換,把處理后的結(jié)果返回到原圖像中,從而得到去噪后的圖像。通過(guò)發(fā)布會(huì)展示的樣張對(duì)比來(lái)看,拍攝同一場(chǎng)景下,放大同一個(gè)藍(lán)色毛線(xiàn)球可以清晰地看到麒麟990 5G版芯片在圖像細(xì)節(jié)處理上要比麒麟980好上不少,纏繞著的毛線(xiàn)條條可見(jiàn)。
在視頻拍攝方面,畫(huà)面中的噪聲主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)維度:空間域和時(shí)域。視頻中的噪聲在空間域上的表現(xiàn)就是同一時(shí)刻不同位置上出現(xiàn)的噪聲.在時(shí)域上的表現(xiàn)就是同一位置噪聲不停閃爍。麒麟990 5G版芯片在空間域的基礎(chǔ)上疊加了頻域,然后再和時(shí)域進(jìn)行結(jié)合,對(duì)視頻內(nèi)的降噪處理也有出色表現(xiàn)。放大樣張來(lái)看,麒麟990 5G版芯片在去除雜色方面十分到位,反觀對(duì)比樣張,原本一色不染的河沾染上了斑斑紅跡,由此可見(jiàn)在視頻拍攝處理上麒麟990 5G版芯片更勝一籌。麒麟990 5G版芯片的ISP配合AI算力,甚至可以?xún)H通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)面部圖像來(lái)讀取用戶(hù)的心率。
三星EXynos 980
9月4日,三星發(fā)布5G處理器Exynos980。核心規(guī)格方面,Exynos 980采用8nm FinFET制程工藝,集成2顆2.2GHzCortex-A77大核和4顆1.8GHzCortex-A55效能核心,配備Mall-G76 MP5 GPU,內(nèi)置NPU,支持LPDDR4X RAM和UFS 2.1閃存。
在架構(gòu)和制程工藝上,三星Exynos 980沒(méi)有過(guò)多的亮點(diǎn),最大的賣(mài)點(diǎn)是集成5G基帶,兼容NSA和SA兩種5G組網(wǎng)方式,將5G通信調(diào)制解調(diào)器與高性能移動(dòng)AP(Appllcation Processor)合二為一,實(shí)現(xiàn)了超高速數(shù)據(jù)通信。根據(jù)官方數(shù)據(jù),三星Exynos 980支持在5G通信環(huán)境下即6GHz以下頻段,實(shí)現(xiàn)最高2.55Gbps的數(shù)據(jù)通信;在4G通信環(huán)境下,支持LTECat.16下行(5載波1Gbps)和LTECat.18上行(雙載波2001bps),最高可實(shí)現(xiàn)1.6Gbps的速度。4G-5G雙連接(E-UTRA-NRDual Connectivity)狀態(tài)下,下載速度每秒最高可達(dá)3.55Gb,同時(shí)支持Wi-Fi 6,讓消費(fèi)者更迅速、更穩(wěn)定地享受高清影像等大流量的流媒體服務(wù)。
與此同時(shí),三星Exynos 980的人工智能計(jì)算性能也得到優(yōu)化。它內(nèi)置高性能NPU,人工智能計(jì)算性能比上代提高約2.7倍。計(jì)算性能提升后,Exynos 980可根據(jù)用戶(hù)的設(shè)置為數(shù)據(jù)自動(dòng)分流,實(shí)現(xiàn)內(nèi)容過(guò)濾功能,還能快速處理連接虛擬與現(xiàn)實(shí)的混合現(xiàn)實(shí)(tixed Reality)、智能相機(jī)等大容量數(shù)據(jù),可適用于多種不同的環(huán)境。和依靠和云盤(pán)服務(wù)交換數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)有的人工智能計(jì)算不同,三星Exynos 980實(shí)現(xiàn)可自主計(jì)算的終端側(cè)人工智能(On-Device AI),這樣一來(lái)便具備了保護(hù)用戶(hù)個(gè)人信息的優(yōu)勢(shì)。
在手機(jī)拍攝方面,三星Exynos980內(nèi)置高性能ISP,最高支持1.08億像素獨(dú)立攝像頭或雙2000萬(wàn)像素鏡頭,最多可連接5個(gè)圖像傳感器,并支持3個(gè)傳感器同時(shí)驅(qū)動(dòng),適配移動(dòng)設(shè)備多攝像頭的發(fā)展趨勢(shì)。內(nèi)置多格局編解碼器(MFC),支持每秒120幀的4K超高清視頻編碼和解碼,支持HDR10動(dòng)態(tài)映射。綜合ISP和NPU的強(qiáng)悍性能,三星Exynos 980可識(shí)別拍攝物體的形態(tài)、周?chē)h(huán)境等,自動(dòng)調(diào)節(jié)至最佳值。
面向5G,SoC會(huì)怎么發(fā)展?
近來(lái),包括華為、vivo、三星、OPPO等手機(jī)企業(yè)在5G手機(jī)上的“軍備”競(jìng)賽正式開(kāi)始,5G芯片成為最關(guān)鍵的一環(huán)。截至今日,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上可以購(gòu)買(mǎi)到的5G手機(jī)已有多款,其中一款搭載華為5G芯片,其余大多搭載高通芯片。相較于當(dāng)前5G手機(jī)普遍采用的外掛基帶方案,更高集成度的SoC芯片不僅可以減少功耗和發(fā)熱,還會(huì)降低對(duì)手機(jī)內(nèi)部元器件空間的侵占,這被看作是5G普及的重要一步。今后,移動(dòng)SoC芯片會(huì)有哪些趨勢(shì)呢?
外掛5G基帶將退場(chǎng)
除了剛剛發(fā)布的華為麒麟990和三星Exynos 980,聯(lián)發(fā)科也宣布開(kāi)始送樣旗下首款集成5G基帶的SoC M70,采用7nm工藝,CPU大核同樣是Cortex A77,GPU為Maii G77,5G下行最快速度可達(dá)到4.7Gbps。過(guò)去,各大廠商通過(guò)采用處理器搭配5G基帶芯片外掛的設(shè)計(jì),搶先進(jìn)入5G商用階段,但這種方式在成本和效果上依舊存在弊端。集成5G基帶芯片的出現(xiàn),對(duì)5G商用進(jìn)程來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一大重要突破。華為、高通、三星、聯(lián)發(fā)科這四家廠商的5G SoC量產(chǎn)商用將會(huì)集中在今年年底至明年第一季度中,屆時(shí)外掛5G基帶的手機(jī)將會(huì)完成自己的歷史使命,逐漸退出5G手機(jī)市場(chǎng)。
向5nm工藝進(jìn)發(fā)
在集成度更高的SoC芯片上,為了控制芯片尺寸,需要使用更先進(jìn)的制程工藝。目前,7nm制程代表芯片市場(chǎng)的旗艦水準(zhǔn),5nm制程工藝將會(huì)是各家企業(yè)全力進(jìn)軍的下一個(gè)高峰。三星已在4月宣布完成5nm芯片研發(fā),并稱(chēng)將于明年量產(chǎn);代工巨頭臺(tái)積電也表示將于明年量產(chǎn)5nm芯片。根據(jù)臺(tái)積電資料顯示,和7nm制程工藝相比,采用5nm制程工藝的芯片能夠提供1.8倍的邏輯密度,性能提升15%,芯片面積縮小15%。這其中,EUV極紫外光刻技術(shù)是5nm制程關(guān)鍵技術(shù)。目前,臺(tái)積電的5nm EUV工藝已開(kāi)始風(fēng)險(xiǎn)性試產(chǎn),量產(chǎn)則有望在2020年第二季度開(kāi)始,正好滿(mǎn)足集成5G基帶的SoC芯片。
更快的RAM和ROM
5G網(wǎng)絡(luò)的直接優(yōu)勢(shì)是網(wǎng)速更快,網(wǎng)速提升帶來(lái)的是硬件需求提高,LPDDR5 RAM和UFS3.0 ROM將會(huì)成為5G旗艦智能機(jī)將要占領(lǐng)的技術(shù)制高點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō),LPDDR5的速度將達(dá)到6400Mbps,比LPDDR4翻番,比LPDDR4x(4266Mbps)提升50%。按照IC廠商Synopsys透露的,LPDDR5將引入WCK差分時(shí)鐘,類(lèi)似于GDDR5,從而在不增加引腳的情況下提升頻率。此外,LPDDR5還將引入LinkECC,具備從傳輸錯(cuò)誤中恢復(fù)數(shù)據(jù)的能力??紤]到手機(jī)的續(xù)航能力,LPDD5在降低功耗方面也做了更細(xì)致的工作,雖然電壓相較于LPDDR4X未變,但是閑置狀態(tài)下的電流將減少40%。另一方面,全新UFS 3.0將取代現(xiàn)在的UF5 2.1接口,為閃存提供翻倍的讀寫(xiě)性能(2000HB/s)。UFS3.0閃存的標(biāo)準(zhǔn)電壓為2.5v,比當(dāng)代UFS標(biāo)準(zhǔn)的2.7~3.6V更低,這將帶來(lái)更低的功耗和更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間。隨著存儲(chǔ)性能在手機(jī)上的重要性逐漸凸顯,三星、東芝、西部數(shù)據(jù)、SK海力士、美光等均加快布局下一代存儲(chǔ)技術(shù)UFS3.0和LPDDR5。
支持更高像素?cái)z像頭
3G時(shí)代,我們主要依靠圖片進(jìn)行交流;4G時(shí)代,我們主要依靠視頻進(jìn)行交流;那么到了5G時(shí)代,社交會(huì)不會(huì)以更加逼真的方式進(jìn)行?在這當(dāng)中,手機(jī)拍攝的技術(shù)變得非常重要。手機(jī)攝像頭數(shù)量逐漸在增加,CoMS的解析力也從800萬(wàn)、1200萬(wàn)、2400萬(wàn)遞增到4800萬(wàn)、6400萬(wàn)像素。此前,三星宣布與小米聯(lián)合開(kāi)發(fā)1.08億像素的ISoCELL Bright HMX傳感器,將于晚些時(shí)候在小米手機(jī)上首發(fā)。現(xiàn)在,三星發(fā)布的Exynos 980也將支持最高1.08億像素獨(dú)立攝像頭。得益于5G網(wǎng)絡(luò)的超高清傳輸能力,超高像素?cái)z像頭手機(jī)的出現(xiàn)不僅僅是技術(shù)到位,更是全方位客觀的市場(chǎng)需求。只有在5G情況下,超高像素?cái)z像頭的圖片和視頻才能快速分享,因此超高清拍攝將會(huì)是5G落地應(yīng)用的又下展現(xiàn)。
寫(xiě)在最后
總的來(lái)看,移動(dòng)設(shè)備SoC芯片正處在技術(shù)更新?lián)Q代的關(guān)鍵時(shí)候,5G落地、制程工藝進(jìn)化,帶來(lái)了更強(qiáng)的性能、更高的集成度、更清晰的攝像頭以及更快的網(wǎng)速、存儲(chǔ)。5G智能手機(jī)爆發(fā)前期,誰(shuí)抓住了先發(fā)性,便可以率先蠶食5G大蛋糕。在這一點(diǎn)上,國(guó)產(chǎn)品牌無(wú)疑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē),5G芯片、5G終端的發(fā)布都先人一步。