5nm新旗舰Exynos1080,将重塑5G芯片市场格局
2022-01-11 00:24:06

无论是PC时代和手机时代,芯片性能一直是互联网硬件竞争的核心内容。各个大厂为了设计最先进的芯片,代工厂为了研发最先进的制程工艺,往往不惜一掷千金。但是同时,这又是一个马太效应极其严重的市场,技术门槛极高,投入资金巨大,一旦落后,又几乎毫无翻身的余地。

而在这样激烈的竞争之中,三星一直是最重要和最全能的玩家之一。截至目前,三星是全球唯一一家兼具最高端芯片生产和设计能力的公司。而本次发布会,代表着三星第一款5nm芯片正式面市,必然会极大影响整个芯片领域的总体格局。

5nm制程被某些专家认为是摩尔定律的终结,但它显然不是芯片竞争的终结,而是更激烈竞争的开始。

一、5nm争夺战

手机的核心在于SoC,SoC的核心在于制程。

虽然当前手机有众多不同的参数指标,但其核心指标依然是SoC的性能。这是因为影响手机使用体验的主要是性能与耗电量。而SoC既是手机运算速度的主要影响因素,又是耗电大户,其耗电量甚至能占到总体耗电量的40%以上。因此,高端SoC往往可以全方位改善手机的使用体验。采用高端芯片,其他配置缩水的“性价比手机”也一直受到广泛欢迎。

而决定SoC性能的,除了设计水平之外,主要还是其制程工艺。手机制程越小,芯片中元器件的间距越小,晶体管的密度和开关频率就可以更高,导通电压可以更低,进而导致芯片性能更高。

单论晶体管密度而言,芯片制程从7nm降低到5nm,一排晶体管的密度就会变为原来的1.4倍,纵横排列的晶体管阵列密度则变为1.4倍的平方,因此,芯片制程的降低,可以为手机SoC带来本质提升。实际上,根据相关数据,相较三星7nm工艺制程,三星5nm制程在晶体管数量密度上增加超过80%。

在过去,大多数人对手机性能要求不高,因此高端SoC的市场竞争虽然激烈,但是依然有大量对SoC性能要求不高的下游市场。而如今,随着互联网经济的纵深发展和5G推广,人们对手机越来越依赖,对手机性能要求也越来越高,高端手机已经成为了整个手机领域的主战场。

根据IDC数据显示,2020年上半年国内高端手机(600美元以上,约人民币4000元以上)市场总销量达到2350万台。销量和占比都迅速提升,因此抢占芯片制高点,具有越来越重要的意义。

但是与此同时,高端芯片正在变得越来越难以制造。

芯片设计越先进,边际效应就越严重,芯片的设计也越困难。其直接结果就是设计成本越来越高,不计芯片的制造成本,7nm芯片仅仅是设计、测试、封装等流程费用,便预计会超过5亿美元,如果均摊到每颗芯片上,那么芯片总成本会接近3000元。

虽然芯片可以通过后续量产摊薄成本,但是考虑到每颗芯片的测试和封装成本,因此后续芯片价格也依然昂贵。所以,今年采用5nm制程芯片的旗舰手机,有一大部分成本将集中在芯片上。

芯片的设计困难,芯片的制造同样困难。芯片的制造需要光刻、蚀刻工艺、金属工艺、化学气相沉积、离子注入等多种工艺紧密配合。而且由于芯片的制备是一层一层的加工制造,并且制程越先进,相应的所需要的层数也越多,因此加工难度也越大。特别是制程进入10nm之后,需要克服强烈的量子隧穿效应,所以芯片的制造也是越发困难。

在7nm时代,世界上有三星、台积电、英特尔和格罗方德有相应的生产或者研发计划,而迄今为止的5nm时代,只有三星和台积电完成了芯片量产。但是有新闻显示,台积电的5nm芯片的制造工艺尚不成熟。

此前,台积电表示5nm芯片可以实现在每平方毫米1.713亿颗的晶体容纳量,但A14芯片的晶体管密度,约为每平方米1.34亿颗,这意味着意味着iPhone12的晶体数量下降了21%,实际上,安兔兔的跑分也显示,iphone 12pro的跑分为57.4万分,与Exynos 1080的69.36万分差距较大。

在这样的情况下,作为第一款非台积电代工的5nm手机芯片,三星Exynos 1080自然受到更多瞩目。

二、全能三星的新旗舰

盛名并非幸至,Exynos 1080受到外界一直看好,自身也有与之相符合的旗舰级配置和性能。

首先,Exynos 1080的5nm芯片制造工艺是当前唯一成熟的EUV,也就是极紫外光刻技术。与8nm LPP和7nm DUV相比,性能和功耗效率均有显著提升。

在制程工艺的基础上,Exynos 1080实现了更为先进的芯片设计。首先,Exynos 1080采用ARM公版设计,从而提升了通用性。其八核CPU有一个最高频率2.8GHZ的Cortex-A78内核、三个高性能的Cortex-A78内核和四个Cortex-A55内核组成,可以提供高效的多进程处理能力。

其中,A78是第四代基于DynamIQ技术的高端CPU,也是ARM 2020年最新的旗舰级CPU核心,在相同功耗的情况下,性能比A77高20%,而在相同性能的情况下,A78比A77能耗节省50%。再加上更为科学的架构,总体而言,Exynos 1080的CPU性能几乎是前代产品(Exynos 980)的两倍。

作为手机图像处理的核心,Exynos 1080采用了ARM 2020年最新的Mali-G78 GPU核心。根据ARM官方信息,Mali-G78是基于第二代Mali Valhall架构的高端GPU,性能比Mali-G77提升达25%。在单个核心性能优秀的基础上,Exynos 1080的10核架构,使得图像渲染能力有了质的提升,达到每秒渲染超过130张,能够流畅地运行大型高要求的视频

在显示上,Exynos 1080的GPU绘图模块和DPU显示模块均支持HDR,支持解析RGB 10bit的画面。可显示多达10.7亿种色彩,呈现的色彩数量是传统8bit的64倍,有效提升了游戏画面色彩的准确度,为用户带来更逼真、震撼的游戏视觉体验。

值得一提的是,如今144Hz的显示器刷新率成为了游戏手机的标配。但是刷新率的提升,对GPU的要求也相应提升。而本次Exynos 1080在动态帧率自适应技术下,也特别支持了FHD+分辨率下最高达144Hz的显示刷新率,从而帮助玩家获得更好的游戏体验。

对于SoC而言,CPU和GPU是核心配置,但是如今手机应用越来越广泛,因此对其他配置的要求也越来越高。而Exynos 1080除了具有强大“双核”之外,更重要的是功能全面,兼顾多方需求,体现了三星广泛和深厚的技术储备。如三星是内存市场的头部玩家,对内存技术有深入研究,而本次Exynos 1080也支持LPDDR5内存、更大程度地提高应用程序的AI加速和多媒体的性能。

当前对5G的支持,是SoC一个重要的性能指标。因为5G未来几年的普及是可以预见的,因此在预先在硬件上提供支持十分必要。而三星对5G技术的预研很早,在2019年便开始为5G提供全面的硬件支持,2019年9月推出业内首款双模5G AI芯片Exynos 980。

而在本次,Exynos 1080集成了三星最新的5G NSA/SA双模调制解调器,该调制解调器支持最高5.1Gbps的下载速度,而且提供从2G到5G的全面支持。除此之外,Exynos 1080还支持WiFi 6技术,带来更快、更高效的室内网络网络。

5G之外,AI智能识别是另一个影响手机体验的重要领域,手机很多方便的功能,都是建立在AI基础上的。而Exynos 1080内置了搭载高性能NPU和DSP的AI解决方案,能够在沉浸式VR/XR、智能语音助理识别及AI增强的智能摄影等应用程序上进行准确、快速地对象识别或场景检测。

总体而言,Exynos 1080配置和性能比起上一代产品有了本质提升,完全可以称得上5G时代的新旗舰。但是它的发布之所以引起较大反响,除了因为业界重视三星长期的芯片技术头部玩家地位之外,更重要的是其有可能为整个手机芯片市场,提供更多元化的选择。

三、高端芯片的多元化未来

正如前文所述,Exynos 1080的性能优势,并非是投入巨资短促突击的结果,而是来源于三星Exynos的长期技术积累。

三星电子早在2000年便进入了移动芯片市场,经历了功能机和智能机两个时代。在三星最早的智能机Galaxy S上市的2010年,三星电子首次公开了1GHz级双核AP——Exynos 4 Dual(4210)。

此后,三星Exynos便始终站在芯片市场的风口浪尖,其原因除了三星引以为豪的“打通全产业链”之外,还因为其具有较强的市场前瞻性,能够提前布局和预研有价值的技术,比如Exynos在建立之初,就认识到了PC芯片与手机移动芯片的需求区别,将高性能和低功耗作为追求的目标。而与之相对,英特尔作为PC端最有实力的芯片厂商,却没能抓住痛点,最终在移动通讯时代落后。

Exynos不断开发新的制程工艺的基础上,通过对四核、八核等芯片技术的发展引导,引领着高端移动芯片的市场发展方向。2018年,三星便在Exynos 9上搭载了专门的人工智能芯片NPU;2019年就批量生产5G综合调制解调器解决方案和双模5G SoC。Exynos芯片也因此成为了“三星手机帝国”的重要基石。

在当前,因为芯片制造难度的迅速提升,所以设计和代工分离已经成为大趋势,大多数厂商都只能兼顾生产和设计一方。这样的情况下,三星是唯一能够同时设计和采用先进工艺制造移动应用处理器的公司。

如今,三星Exynos正在计划逐步向外输出自身的生产能力,从而推动全球手机芯片供应格局的多元化。

长期的市场竞争之后,高端的手机芯片市场基本形成了“四国大战”的态势,三星、华为、苹果三巨头为自己的产品独立设计芯片,而高通则作为专门供应商,向其他品牌提供芯片。在当前,国内厂商除了华为以外,几乎清一色依赖于高通骁龙芯片。因此,高通占有着大部分市场份额。

而在三星发布Exynos 1080的同时,有媒体传闻,三星将全面开放芯片销售,更多国产手机厂商都将开始采用三星芯片,推出搭载三星猎户座芯片的机型,从而为整个手机芯片市场带来更为多元化的选择。

虽然这消息还并没有得到证实,但是目前可以确定的是,Exynos 1080是继Exynos 980,vivo与三星再度携手联合研发的成果。而vivo高端产品也将首发搭载Exynos 1080。这种联合研发的模式,将会为中国自身的芯片研发提供新的可能性。

显然,Exynos 1080的发布,对整个手机市场的意义,不仅是一款新的旗舰芯片。

无论是PC时代和手机时代,芯片性能一直是互联网硬件竞争的核心内容。各个大厂为了设计最先进的芯片,代工厂为了研发最先进的制程工艺,往往不惜一掷千金。但是同时,这又是一个马太效应极其严重的市场,技术门槛极高,投入资金巨大,一旦落后,又几乎毫无翻身的余地。

而在这样激烈的竞争之中,三星一直是最重要和最全能的玩家之一。截至目前,三星是全球唯一一家兼具最高端芯片生产和设计能力的公司。而本次发布会,代表着三星第一款5nm芯片正式面市,必然会极大影响整个芯片领域的总体格局。

5nm制程被某些专家认为是摩尔定律的终结,但它显然不是芯片竞争的终结,而是更激烈竞争的开始。

一、5nm争夺战

手机的核心在于SoC,SoC的核心在于制程。

虽然当前手机有众多不同的参数指标,但其核心指标依然是SoC的性能。这是因为影响手机使用体验的主要是性能与耗电量。而SoC既是手机运算速度的主要影响因素,又是耗电大户,其耗电量甚至能占到总体耗电量的40%以上。因此,高端SoC往往可以全方位改善手机的使用体验。采用高端芯片,其他配置缩水的“性价比手机”也一直受到广泛欢迎。

而决定SoC性能的,除了设计水平之外,主要还是其制程工艺。手机制程越小,芯片中元器件的间距越小,晶体管的密度和开关频率就可以更高,导通电压可以更低,进而导致芯片性能更高。

单论晶体管密度而言,芯片制程从7nm降低到5nm,一排晶体管的密度就会变为原来的1.4倍,纵横排列的晶体管阵列密度则变为1.4倍的平方,因此,芯片制程的降低,可以为手机SoC带来本质提升。实际上,根据相关数据,相较三星7nm工艺制程,三星5nm制程在晶体管数量密度上增加超过80%。

在过去,大多数人对手机性能要求不高,因此高端SoC的市场竞争虽然激烈,但是依然有大量对SoC性能要求不高的下游市场。而如今,随着互联网经济的纵深发展和5G推广,人们对手机越来越依赖,对手机性能要求也越来越高,高端手机已经成为了整个手机领域的主战场。

根据IDC数据显示,2020年上半年国内高端手机(600美元以上,约人民币4000元以上)市场总销量达到2350万台。销量和占比都迅速提升,因此抢占芯片制高点,具有越来越重要的意义。

但是与此同时,高端芯片正在变得越来越难以制造。

芯片设计越先进,边际效应就越严重,芯片的设计也越困难。其直接结果就是设计成本越来越高,不计芯片的制造成本,7nm芯片仅仅是设计、测试、封装等流程费用,便预计会超过5亿美元,如果均摊到每颗芯片上,那么芯片总成本会接近3000元。

虽然芯片可以通过后续量产摊薄成本,但是考虑到每颗芯片的测试和封装成本,因此后续芯片价格也依然昂贵。所以,今年采用5nm制程芯片的旗舰手机,有一大部分成本将集中在芯片上。

芯片的设计困难,芯片的制造同样困难。芯片的制造需要光刻、蚀刻工艺、金属工艺、化学气相沉积、离子注入等多种工艺紧密配合。而且由于芯片的制备是一层一层的加工制造,并且制程越先进,相应的所需要的层数也越多,因此加工难度也越大。特别是制程进入10nm之后,需要克服强烈的量子隧穿效应,所以芯片的制造也是越发困难。

在7nm时代,世界上有三星、台积电、英特尔和格罗方德有相应的生产或者研发计划,而迄今为止的5nm时代,只有三星和台积电完成了芯片量产。但是有新闻显示,台积电的5nm芯片的制造工艺尚不成熟。

此前,台积电表示5nm芯片可以实现在每平方毫米1.713亿颗的晶体容纳量,但A14芯片的晶体管密度,约为每平方米1.34亿颗,这意味着意味着iPhone12的晶体数量下降了21%,实际上,安兔兔的跑分也显示,iphone 12pro的跑分为57.4万分,与Exynos 1080的69.36万分差距较大。

在这样的情况下,作为第一款非台积电代工的5nm手机芯片,三星Exynos 1080自然受到更多瞩目。

二、全能三星的新旗舰

盛名并非幸至,Exynos 1080受到外界一直看好,自身也有与之相符合的旗舰级配置和性能。

首先,Exynos 1080的5nm芯片制造工艺是当前唯一成熟的EUV,也就是极紫外光刻技术。与8nm LPP和7nm DUV相比,性能和功耗效率均有显著提升。

在制程工艺的基础上,Exynos 1080实现了更为先进的芯片设计。首先,Exynos 1080采用ARM公版设计,从而提升了通用性。其八核CPU有一个最高频率2.8GHZ的Cortex-A78内核、三个高性能的Cortex-A78内核和四个Cortex-A55内核组成,可以提供高效的多进程处理能力。

其中,A78是第四代基于DynamIQ技术的高端CPU,也是ARM 2020年最新的旗舰级CPU核心,在相同功耗的情况下,性能比A77高20%,而在相同性能的情况下,A78比A77能耗节省50%。再加上更为科学的架构,总体而言,Exynos 1080的CPU性能几乎是前代产品(Exynos 980)的两倍。

作为手机图像处理的核心,Exynos 1080采用了ARM 2020年最新的Mali-G78 GPU核心。根据ARM官方信息,Mali-G78是基于第二代Mali Valhall架构的高端GPU,性能比Mali-G77提升达25%。在单个核心性能优秀的基础上,Exynos 1080的10核架构,使得图像渲染能力有了质的提升,达到每秒渲染超过130张,能够流畅地运行大型高要求的视频

在显示上,Exynos 1080的GPU绘图模块和DPU显示模块均支持HDR,支持解析RGB 10bit的画面。可显示多达10.7亿种色彩,呈现的色彩数量是传统8bit的64倍,有效提升了游戏画面色彩的准确度,为用户带来更逼真、震撼的游戏视觉体验。

值得一提的是,如今144Hz的显示器刷新率成为了游戏手机的标配。但是刷新率的提升,对GPU的要求也相应提升。而本次Exynos 1080在动态帧率自适应技术下,也特别支持了FHD+分辨率下最高达144Hz的显示刷新率,从而帮助玩家获得更好的游戏体验。

对于SoC而言,CPU和GPU是核心配置,但是如今手机应用越来越广泛,因此对其他配置的要求也越来越高。而Exynos 1080除了具有强大“双核”之外,更重要的是功能全面,兼顾多方需求,体现了三星广泛和深厚的技术储备。如三星是内存市场的头部玩家,对内存技术有深入研究,而本次Exynos 1080也支持LPDDR5内存、更大程度地提高应用程序的AI加速和多媒体的性能。

当前对5G的支持,是SoC一个重要的性能指标。因为5G未来几年的普及是可以预见的,因此在预先在硬件上提供支持十分必要。而三星对5G技术的预研很早,在2019年便开始为5G提供全面的硬件支持,2019年9月推出业内首款双模5G AI芯片Exynos 980。

而在本次,Exynos 1080集成了三星最新的5G NSA/SA双模调制解调器,该调制解调器支持最高5.1Gbps的下载速度,而且提供从2G到5G的全面支持。除此之外,Exynos 1080还支持WiFi 6技术,带来更快、更高效的室内网络网络。

5G之外,AI智能识别是另一个影响手机体验的重要领域,手机很多方便的功能,都是建立在AI基础上的。而Exynos 1080内置了搭载高性能NPU和DSP的AI解决方案,能够在沉浸式VR/XR、智能语音助理识别及AI增强的智能摄影等应用程序上进行准确、快速地对象识别或场景检测。

总体而言,Exynos 1080配置和性能比起上一代产品有了本质提升,完全可以称得上5G时代的新旗舰。但是它的发布之所以引起较大反响,除了因为业界重视三星长期的芯片技术头部玩家地位之外,更重要的是其有可能为整个手机芯片市场,提供更多元化的选择。

三、高端芯片的多元化未来

正如前文所述,Exynos 1080的性能优势,并非是投入巨资短促突击的结果,而是来源于三星Exynos的长期技术积累。

三星电子早在2000年便进入了移动芯片市场,经历了功能机和智能机两个时代。在三星最早的智能机Galaxy S上市的2010年,三星电子首次公开了1GHz级双核AP——Exynos 4 Dual(4210)。

此后,三星Exynos便始终站在芯片市场的风口浪尖,其原因除了三星引以为豪的“打通全产业链”之外,还因为其具有较强的市场前瞻性,能够提前布局和预研有价值的技术,比如Exynos在建立之初,就认识到了PC芯片与手机移动芯片的需求区别,将高性能和低功耗作为追求的目标。而与之相对,英特尔作为PC端最有实力的芯片厂商,却没能抓住痛点,最终在移动通讯时代落后。

Exynos不断开发新的制程工艺的基础上,通过对四核、八核等芯片技术的发展引导,引领着高端移动芯片的市场发展方向。2018年,三星便在Exynos 9上搭载了专门的人工智能芯片NPU;2019年就批量生产5G综合调制解调器解决方案和双模5G SoC。Exynos芯片也因此成为了“三星手机帝国”的重要基石。

在当前,因为芯片制造难度的迅速提升,所以设计和代工分离已经成为大趋势,大多数厂商都只能兼顾生产和设计一方。这样的情况下,三星是唯一能够同时设计和采用先进工艺制造移动应用处理器的公司。

如今,三星Exynos正在计划逐步向外输出自身的生产能力,从而推动全球手机芯片供应格局的多元化。

长期的市场竞争之后,高端的手机芯片市场基本形成了“四国大战”的态势,三星、华为、苹果三巨头为自己的产品独立设计芯片,而高通则作为专门供应商,向其他品牌提供芯片。在当前,国内厂商除了华为以外,几乎清一色依赖于高通骁龙芯片。因此,高通占有着大部分市场份额。

而在三星发布Exynos 1080的同时,有媒体传闻,三星将全面开放芯片销售,更多国产手机厂商都将开始采用三星芯片,推出搭载三星猎户座芯片的机型,从而为整个手机芯片市场带来更为多元化的选择。

虽然这消息还并没有得到证实,但是目前可以确定的是,Exynos 1080是继Exynos 980,vivo与三星再度携手联合研发的成果。而vivo高端产品也将首发搭载Exynos 1080。这种联合研发的模式,将会为中国自身的芯片研发提供新的可能性。

显然,Exynos 1080的发布,对整个手机市场的意义,不仅是一款新的旗舰芯片。

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