從設(shè)計到生產(chǎn)看一顆SOC的誕生

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】從設(shè)計到生產(chǎn)看一顆SOC的誕生對于選購一臺手機而言，我們除了注重外觀、設(shè)計、屏幕大小之外，性能當(dāng)然是必然著重考慮的因素，就像一般用戶買汽車，并不會選擇用30萬去買一個0.6排量的車子(非混/電動)，所以硬件配置是根基，良好的體驗需要基于強大的硬件性能。而手機的綜合性能由處理器、RAM、ROM以及軟件上的驅(qū)動/系統(tǒng)優(yōu)化所決定，其中手機處理器則扮演著一個舉足輕重的角色。

一、半導(dǎo)體公司有哪幾種

半導(dǎo)體公司按業(yè)務(wù)可分為3個類別：

1.IDM，這一模式的特點是半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)都由自己完成，例如內(nèi)核的開發(fā)與制造，自己同時具備設(shè)計以及生產(chǎn)的能力，例如Intel、意法半導(dǎo)體、現(xiàn)代等等。

2.Fab，這種模式只專注于工藝的研發(fā)以及代工，就像臺積電，它們不設(shè)計芯片，僅幫代工芯片。

3.Fabless，F(xiàn)abless企業(yè)僅專注于IC的設(shè)計，它們把設(shè)計出來的“芯片”給Fab企業(yè)開展生產(chǎn)，形成產(chǎn)品，而隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電子產(chǎn)品更貼近于個人的需求，這便從Fabless衍生出Chipless模式，Chipless模式下的企業(yè)既不生產(chǎn)芯片也不銷售芯片，它們只提供IP的授權(quán)，像是ARM和Imagination。

二、挖一下晶圓生產(chǎn)/代工商

如今范圍規(guī)模較大的晶圓代工廠商有：臺積電(TSMC)、三星、英特爾(Intel)、Globalfoundries(GF)、臺聯(lián)電(UMC)、中芯國際(SMIC)、意法半導(dǎo)體(ST)等等，但它們并不是全部都代工生產(chǎn)手機Soc芯片的，生產(chǎn)手機處理器Soc的基本集中在臺積電、三星、Intel、GF這四家。

20**年+20**年初熱門手機處理器生產(chǎn)/代工商：

臺積電：驍龍615/617/652/808/810、聯(lián)發(fā)科全系列、蘋果A9(16nm)、麒麟950/930、蘋果A10(10nm)

三星：驍龍820、Exynos7420/8890、蘋果A9(14nm)

英特爾：Atom全系列

Globalfoundries：瑞芯微系列

三、一顆Soc如何誕生

指令集/IP核的授權(quán)+的設(shè)計

我們經(jīng)常接觸的高通驍龍XXX，聯(lián)發(fā)科MTXXXX，麒麟XXX之類的Soc，他們沒有自己的晶圓生產(chǎn)線，通過從ARM、Imagination中購入IP授權(quán)或是指令集授權(quán)(其中高通像驍龍820則是通過獲得ARM的指令集授權(quán)，再自行研發(fā)Kryo，而聯(lián)發(fā)科/麒麟則是直接獲取A72/A53一類的IP核授權(quán))，然后把這些Soc交給臺積電或三星開展代工生產(chǎn)。

而三星Exynos則比較特殊，例如的Exynos8890既有自主研發(fā)的，也有ARM的公版，則它的授權(quán)費用主要于ARM的指令集+IP核，費用自然比全是公版的聯(lián)發(fā)科/麒麟要低，但Exynos也不像高通驍龍，三星有自己的晶圓生產(chǎn)線，無需找臺積電開展代工生產(chǎn)。既然內(nèi)核方案有了，代工商也找到了，那么就是時候進(jìn)入具體的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

Soc的生產(chǎn)

一顆處理器(Soc)如何誕生這個過程相當(dāng)復(fù)雜，難以用簡單的話語表述出來，但某幾個重要的步驟還是可以說一下的：

1.硅的提純與熔煉，制成硅錠→2.硅錠切割，形成晶圓(wafer)，滲入其他元素并開展氧化→3.上光阻劑，通過掩膜(mask)開展光刻→4.去除溶解的光阻劑并用化學(xué)試劑溶解曝光部分的晶圓，再去除掩膜區(qū)域的光阻劑→5.重復(fù)步驟3，形成多層立體的晶體管雛形→6.注入離子束，完成摻雜，形成P井或N井→7.表面覆蓋絕緣層，留出需要通電的開孔，開展電鍍銅用以填充開孔(完成晶體管的制造)→8.在晶體管之間用復(fù)合金屬層開展連接，形成復(fù)雜的立體電路→9.功能性測試→10.晶圓切片，形成單個內(nèi)核→11.內(nèi)核封裝，為內(nèi)核提供電氣與機械界面→12.性能測試，并開展等級分類，定義ID→13.出售

當(dāng)然，一顆Soc的誕生從設(shè)計到生產(chǎn)環(huán)節(jié)不會如上訴的那么簡單，筆者只是想讓大家簡單了解一下其中的重要步驟。

四、20**年初晶圓代工商的產(chǎn)能狀況

臺積電：28nm工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟早已量產(chǎn)，而16nmFinFET、FinFETPlus也陸續(xù)完成產(chǎn)能的爬坡，16nmFinFETCompact(面向低功耗Soc)也將在本季度進(jìn)入量產(chǎn)，傳說中的HelioP20采用的就是這個制程工藝。而10nm方面，臺積電將在今年的季度完成流片，并在第四季度進(jìn)入量產(chǎn)。(但消息指iPhone7的A10處理器將會全面由臺積電的10nm工藝生產(chǎn)線生產(chǎn)，相信在第二季度便邁進(jìn)量產(chǎn)階段)而7nm預(yù)計在20**年的上半年量產(chǎn)、5nm工藝也已經(jīng)研發(fā)了一段時間，不知道英特爾那邊有什么想法呢。

三星：14nm早已量產(chǎn)，而10nm方面則預(yù)計在20**年初量產(chǎn)，而7nm制程則沒有任何消息傳出。

英特爾：Intel在上年11月時表示在14nm的工藝上遇到了一點困難，但現(xiàn)在已經(jīng)恢復(fù)，而10nm的處理器預(yù)計在20**年下半年推出。反正Intel自給自足，也不為其他廠商代工，所以我們就好好等待下一代Atom處理器就行了。

Globalfoundries:14nmFinFET量產(chǎn)相信仍要等到今年的6月份。10nm/7nm工藝方面，Globalfoundries表示將會和IBM合作，但暫時沒有量產(chǎn)的消息。但Globalfoundries精于制造高性能大，例如PC領(lǐng)域的AMDCPU以及GPU，所以手機Soc和Intel那樣，我們糾結(jié)不來?？偟膩碚f，在20**年14/16nm的量產(chǎn)不是問題，近更有消息指定位中端的驍龍625也用上了14nm制程。

五、熱門Soc工藝簡析

28nm：三星方面有HKMG的LP(LowPower)、LPP(LowPowerPlus)以及強的LPH。而臺積電有Poly/SION的LP(LowPower)、HKMG的HPM(HighPerformanceMobile)、HKMG的HPC+(HighPerformanceCompactPlus)。在手機Soc領(lǐng)域，以上6種性能強的是三星LPH，接下來是臺積電的HPM。28nm不同工藝的定位分別為：高性能：LPH、HPM，主流：LP、HPC、HPC+。

28nmLP制程工藝的MT6753

20nm：在這個制程節(jié)點上僅有臺積電正在使用(三星也有，只是用在DDR3內(nèi)存制造上)，而且工藝單一。在今年的Soc列表當(dāng)中定位高性能的早已使用上16/14nmFinFET工藝，而兼顧性能與功耗的主流Soc依然采用良品率高，性能穩(wěn)定的28nmHPM/HPC工藝(關(guān)鍵是A72使用28nmHPM也能較好地壓住功耗)，所以20nm制程相信不會在20**年出現(xiàn)在手機Soc領(lǐng)域。

20nmHPM的MT6795

16/14nm：三星/臺積電的FinFET(FF)、臺積電的FinFETcompact(FFC)以及FinFETPlus(FF+)，其中FinFET包含早期的LPE(LowPowerEarly)以及LPP(LowPowerPlus，低功耗)兩種工藝版本。16/14nm不同工藝的定位分別為：高性能：FF、FF+，主流(著重功耗表現(xiàn)的設(shè)備)：FFC。

14nmFinFETLPE的Exynos7420

總結(jié)

20**年相信會是28nm+14/16nm共存的一年，28nm依然成為主流處理器的制程節(jié)點，而旗艦處理器則會普片采用16/14nm制程，10nm制程節(jié)點的處理器預(yù)計快要到20**年初才會亮相。另外，由于智能穿戴設(shè)備等微型便攜終端的普及，不少處理器廠商已經(jīng)推出專門針對這類設(shè)備的Soc，它們都會使用制程更新，主打低功耗的工藝，例如16nmFinFETCompact。

一顆好的手機處理器，并不只決定于架構(gòu)、數(shù)量、