手机Soc工艺你知多少?

手机Soc制造工艺
    今天聊聊半导体生产代工、处理器的诞生过程以及2016年热门处理器制程工艺的使用、性能对比。

一.半导体公司有哪几种

　　半导体公司按业务可分为3个类别，1.IDM，这一模式的特点是半导体制造的关键环节都由自己完成，例如内核的开发与制造，自己同时具备设计以及生产的能力，例如Intel、意法半导体、现代等等。2.Fab，这种模式只专注于工艺的研发以及代工，就像台积电，它们不设计芯片，仅帮代工芯片。3.Fabless，Fabless企业仅专注于IC的设计，它们把设计出来的“芯片”给Fab企业进行生产，形成产品，而随着物联网的发展，电子产品更贴近于个人的需求，这便从Fabless衍生出Chipless模式，Chipless模式下的企业既不生产芯片也不销售芯片，它们只提供IP的授权，像是ARM和Imagination。

Soc生产工艺
二.挖一下全球晶圆生产/代工商

　　如今全球范围规模较大的晶圆代工厂商有:台积电（TSMC）、三星、英特尔（Intel）、Globalfoundries（GF）、台联电（UMC）、中芯国际（SMIC）、意法半导体（ST）等等，但它们并不是全部都代工生产手机Soc芯片的，生产手机处理器Soc的基本集中在台积电、三星、Intel、GF这四家。

　　2015年+2016年初热门手机处理器生产/代工商:

　　台积电:骁龙615/617/652/808/810、联发科全系列、苹果A9（16nm）、麒麟950/930、苹果A10（10nm）

　　三星:骁龙820、Exynos 7420/8890、苹果A9（14nm）

　　英特尔:Atom全系列

　　Globalfoundries:瑞芯微系列

三.一颗Soc如何诞生

　　指令集/IP核的授权+核心的设计

　　我们经常接触的高通骁龙XXX，联发科MTXXXX，麒麟XXX之类的Soc，他们没有自己的晶圆生产线，通过从ARM、Imagination中购入IP授权或是指令集授权（其中高通像骁龙820则是通过获得ARM的指令集授权，再自行研发Kryo核心，而联发科/麒麟则是直接获取A72/A53一类的IP核授权），然后把这些Soc交给台积电或三星进行代工生产。

Soc生产工艺
　　而三星Exynos则比较特殊，例如最新的Exynos 8890既有自主研发的核心，也有ARM的公版核心，则它的授权费用主要来源于ARM的指令集+IP核，费用自然比全是公版核心的联发科/麒麟要低，但Exynos也不像高通骁龙，三星有自己的晶圆生产线，无需找台积电进行代工生产。

　　既然内核方案有了，代工商也找到了，那么就是时候进入具体的生产环节。

　　Soc的生产

　　一颗处理器（Soc）如何诞生这个过程相当复杂，难以用简单的话语表述出来，但某几个重要的步骤还是可以说一下的:1.硅的提纯与熔炼，制成硅锭→2.硅锭切割，形成晶圆（wafer），渗入其他元素并进行氧化→3.上光阻剂，通过掩膜（mask）进行光刻→4.清除溶解的光阻剂并用化学试剂溶解曝光部分的晶圆，再清除掩膜区域的光阻剂→5.重复步骤3，形成多层立体的晶体管雏形→6.注入离子束，完成掺杂，形成P井或N井→7.表面覆盖绝缘层，留出需要通电的开孔，进行电镀铜用以填充开孔（完成晶体管的制造）→8.在晶体管之间用复合金属层进行连接，形成复杂的立体电路→9.功能性测试→10.晶圆切片，形成单个内核→11.内核封装，为内核提供电气与机械界面→12.性能测试，并进行等级分类，定义ID→13.出售

Soc生产工艺
手机Soc生产

　　当然，一颗Soc的诞生从设计到生产环节不会如上诉的那么简单，笔者只是想让大家简单了解一下其中的重要步骤。

四.2016年初晶圆代工商的产能状况

　　台积电:28nm工艺已经相当成熟早已量产，而16nm FinFET、FinFET Plus也陆续完成产能的爬坡，16nm FinFET Compact（面向低功耗Soc）也将在本季度进入量产，传说中的Helio P20采用的就是这个制程工艺。而10nm方面，台积电将在今年的第一季度完成流片，并在第四季度进入量产。（但最新消息指iPhone 7的A10处理器将会全面由台积电的10nm工艺生产线生产，相信在第二季度便迈进量产阶段）而7nm预计在2018年的上半年量产、5nm工艺也已经研发了一段时间，不知道英特尔那边有什么想法呢。

Soc生产工艺
台积电

　　三星:14nm早已量产，而10nm方面则预计在2017年初量产，而7nm制程则没有任何消息传出。

　　英特尔:Intel在上年11月时表示在14nm的工艺上遇到了一点困难，但现在已经恢复，而10nm的处理器预计在2017年下半年推出。反正Intel自给自足，也不为其他厂商代工，所以我们就好好等待下一代Atom处理器就行了。

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英特尔

　　Globalfoundries:14nm FinFET量产相信仍要等到今年的6月份。10nm/7nm工艺方面，Globalfoundries表示将会和IBM合作，但暂时没有量产的消息。但Globalfoundries精于制造高性能大核心，例如PC领域的AMD CPU以及GPU，所以手机Soc和Intel那样，我们纠结不来。

　　总的来说，在2016年14/16nm的量产不是问题，最近更有消息指定位中端的骁龙625也用上了14nm制程。

五.热门处理器制程工艺一览表

　　笔者汇总了一下2015年至2016年初热门手机处理器的制程节点以及工艺分布。

热门处理器制程工艺一览表
  制程 工艺
高通     
骁龙820 14nm FinFET(LPP)
骁龙810 20nm (HKMG)单一工艺
骁龙808 20nm (HKMG)单一工艺
骁龙650/652 28nm HKMG(HPM)
骁龙617 28nm Poly/SION(LP)
骁龙615 28nm Poly/SION(LP)
联发科     
Helio X20 20nm HKMG(HPM)
Helio P20 16nm FinFET Compact(FFC)
Helio X10 28nm HKMG(HPM)
Helio P10 28nm HKMG(HPC+)
MT6753 28nm Poly/SION(LP)
三星     
Exynos 8890 14nm FinFET(LPP版本)
Exynos 7420 14nm FinFET(LPE版本)
苹果     
A9 16/14nm FinFET(LPP/LPE双版本)
海思     
麒麟950 16nm FinFET Plus(FF+)
麒麟930 28nm HKMG(HPM)

　　*其中28nm HKMG也有分为gate first（前栅极、三星）与gate last（后栅极、台积电）两种工艺，它们的性能表现有所不同，这里不过多阐述。

六.热门Soc工艺简析

　　28nm:三星方面有HKMG的LP（Low Power）、LPP（Low Power Plus）以及最强的LPH。而台积电有Poly/SION的LP（Low Power）、HKMG的HPM（High Performance Mobile）、HKMG的HPC+（High Performance Compact Plus）。在手机Soc领域，以上6种性能最强的是三星LPH，接下来是台积电的HPM。28nm不同工艺的定位分别为:高性能PH、HPM，主流P、HPC、HPC+。

手机Soc制造工艺
28nm LP制程工艺的MT6753

　　20nm:在这个制程节点上仅有台积电正在使用（三星也有，只是用在DDR3内存制造上），而且工艺单一。在今年的Soc列表当中定位高性能的早已使用上16/14nm FinFET工艺，而兼顾性能与功耗的主流Soc依然采用良品率高，性能稳定的28nm HPM/HPC工艺（关键是A72核心使用28nm HPM也能较好地压住功耗），所以20nm制程相信不会在2016年出现在手机Soc领域。

手机Soc制造工艺
20nm HPM的MT6795

　　16/14nm:三星/台积电的FinFET（FF）、台积电的FinFET compact（FFC）以及FinFET Plus（FF+），其中FinFET包含早期的LPE（Low Power Early）以及LPP（Low Power Plus，高级低功耗）两种工艺版本。16/14nm不同工艺的定位分别为:高性能:FF、FF+，主流（着重功耗表现的设备）:FFC。

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14nm FinFET LPE的Exynos 7420

总结

　　2016年相信会是28nm+14/16nm共存的一年，28nm依然成为主流处理器的制程节点，而旗舰处理器则会普片采用16/14nm制程，10nm制程节点的处理器预计最快要到2017年初才会亮相。另外，由于智能穿戴设备等微型便携终端的普及，不少处理器厂商已经推出专门针对这类设备的Soc，它们都会使用制程更新，主打低功耗的工艺，例如16nm FinFET Compact。

　　一颗好的手机处理器，并不只决定于核心架构、核心数量、主频高低、集成GPU的强弱，其发热，功耗也是我们值得考虑的问题，毕竟没人希望自己的手机是暖宝宝或者玩半天就没电的玩意，而制程工艺也决定着核心主频的高低，从而影响性能。但在相同制程节点，相同工艺的条件下，不同处理器生厂商生产出来的Soc也有一定的差异，因为原料的污染，加工工艺的波动，成本/淘汰率的控制都会让同制程节点/同工艺的最终产品在性能上有着较大的差异。