進(jìn)入到2019年下半年，5G手機上下游競爭變得異常激烈起來。除了各大手機廠商爭相發(fā)布5G手機之外，5G芯片廠商也沒閑著，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芯片實際帶來的提升與技術(shù)更新。
華為麒麟990
5G基帶：從外掛到集成
相對于過去的SoC，麒麟990 5G版芯片最大的亮點就是集成5G基帶，而不是簡單地封裝到一起，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)對不同網(wǎng)絡(luò)、不同組網(wǎng)方式下對手機芯片的硬件需求，不但適用于現(xiàn)階段4G到5G過渡時期，還適用于之后的單5G時期。下行峰值速率達(dá)到了2.3Gbps，上行峰值速度達(dá)到了1.25Gbps，可以實現(xiàn)無縫加載視頻、數(shù)秒下載1GB大小文件、暢快網(wǎng)絡(luò)云游戲等功能。針對外場通信環(huán)境的挑戰(zhàn)，麒麟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%。
▲集成5G基帶，下行峰值速率達(dá)到了2.3Gbps，上行峰值速度達(dá)到了1.25Gbps。
同時，針對兩個重點場景——高速移動和5G信號覆蓋弱的區(qū)域，麒麟990 5G版芯片利用AI技術(shù)進(jìn)行了深度優(yōu)化。針對高速移動的使用場景，它基于機器學(xué)習(xí)技術(shù)采用自適應(yīng)的信號接收機制，加強波形束縛，利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行信道匹配，讓手機在移動過程中，自動選擇最佳的5G信道。
余承東表示，這一技術(shù)在實際測試（每小時120公里的運動速率）中，5G下行速率可以提升19%。針對5G信號分布較弱的區(qū)域，對于上行速度要求比較高，麒麟990 5G版芯片采用了智能上行分流設(shè)計。在接入網(wǎng)NR上行資源受限時，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 Ultraviolet Lithography）又稱極紫外光刻，是一種采用13.5nm長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越接近物理極限，DUV技術(shù)在制造芯片時會產(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，麒麟990 5G版芯片的面積超過100mm2，高于麒麟980（臺積電7nm）的74.13mm2和麒麟970（臺積電10nm）的96.72mm2，可能成為華為迄今為止面積最大的手機處理器。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，與此前的麒麟980相比晶體管增加44億個，可見新工藝帶來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功能埋下伏筆。
▲基于7nm+EUV制程工藝，晶體管密度更高，數(shù)量達(dá)到了103億之多。
性能方面，麒麟990 5G版芯片依然保留依然保留麒麟980上的2大核+2中核+4小核配置，其中2顆大核為2.86GHz Cortex-A76，較上一代麒麟980提升了12%；2顆中核為2.36GHz Cortox-A76，較麒麟980提升了35%；4顆小核為1.95GHz Cortex-A55，較麒麟980提升了15%。所有四個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，麒麟990 5G版芯片采用的A76內(nèi)核針對緩存系統(tǒng)進(jìn)行一系列增強，改善內(nèi)存延遲，是“基于A76”的強化版。
▲采用2大核+2中核+4小核配置，性能跨越升級。
▲麒麟990系列SoC架構(gòu)和主要技術(shù)
5G到來后，除了對核心CPU處理器的要求提升之外，還對手機存儲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標(biāo)準(zhǔn)，采用雙通道設(shè)計，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。
從公開的測試數(shù)據(jù)來看，UFS 3.0 閃存（512GB容量）的順序讀取速度可高達(dá)2100MB/s、寫入速度高達(dá)410MB/s，隨機讀速63K IOPS、寫速68K IOPS，較UFS 2.1（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入，UFS 3.0 的功耗也更低。麒麟990支持UFS 3.0和UFS 2.1存儲標(biāo)準(zhǔn)，也就是說未來搭載該款芯片的旗艦級手機將會優(yōu)先支持UFS 3.0閃存，平常無論是安裝軟件還是讀取文件相較于過去的UFS 2.1都會變得更加快速。
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上的功率效率實際上不相上下。實際上，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的能耗。
GPU+NPU：升級架構(gòu) AI性能翻倍
在圖形處理方面，GPU比處理器性能更重要，是直接決定手機能否流暢運行大型游戲的關(guān)鍵因素。決定GPU表現(xiàn)的參數(shù)則跟處理器相似，架構(gòu)和運算單元數(shù)量決定其性能。麒麟990 5G芯片采用和麒麟980一樣的ARM Mali-G76架構(gòu)，但核心數(shù)從10升級為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Smart Cache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，麒麟990 5G版芯片對調(diào)節(jié)資源配置做了優(yōu)化，升級了全新的AI調(diào)頻調(diào)度技術(shù)，從動態(tài)出發(fā)感知性能瓶頸，并且對原來的Kirin Gaming+做了大幅的升級優(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%。
▲采用了Smart Cache分流技術(shù)，顯著提升GPU資源配置。
華為在發(fā)布會上展示了《和平精英》游戲過程中的效果視頻，可以看到在游戲過程中的性能功耗較比較機型更低，幀率基本保持在59~60fps之間，波動率并不大。
在AI性能上，麒麟990 5G版芯片相比于上一代也有了重大升級。華為將此次發(fā)布會定義為“重構(gòu)”，其中非常重要的一點就是在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向量計算單元、Scalar標(biāo)量計算單元等，它們各自負(fù)責(zé)不同的運算任務(wù)實現(xiàn)并行化計算模型，共同保障AI計算的高效處理。
達(dá)芬奇架構(gòu)以3D Cube的矩陣運算為基礎(chǔ)，引入Vector向量計算單元作靈活的調(diào)整，針對矩陣運算進(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16×16×16，與目前主流的具備NPU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。和麒麟980和麒麟970的寒武紀(jì)NPU不同，麒麟990 5G版芯片采用了兩個大核NPU+1個微核NPU設(shè)計，微核能在大多數(shù)場景下充當(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題。
▲達(dá)芬奇架構(gòu)具有16×16×16的3D Cube立體陣列
此外，麒麟990 5G版芯片支持華為HiAI開放架構(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多個算子，比上一代的麒麟980多了近100個。支持90%的視覺計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，涵蓋了目前所有開源的網(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版芯片不僅對識別場景、AI算法、資源配置大有裨益，在實時視頻場景下也能發(fā)揮大用處。在開視頻的情況下，可以實時針對視頻中的人、不同物體進(jìn)行識別和分割。發(fā)布會上的Demo顯示，用戶可以實時改變視頻背景，可以將多人中的一個人放到屏幕另一邊，或者隨意進(jìn)行縮小和放大，而這些都是在實時狀態(tài)下實現(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）。麒麟990 5G版芯片搭載了海思最新研究出來的ISP（Image Signal Processing，意為圖像信號處理）5.0技術(shù)，吞吐率提升15%，能效提升15%。加入單反級BM3D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)合濾波的方法對這些三維數(shù)組進(jìn)行處理。最后，通過逆變換，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。通過發(fā)布會展示的樣張對比來看，拍攝同一場景下，放大同一個藍(lán)色毛線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，纏繞著的毛線條條可見。
▲單反級BM3D圖像降噪技術(shù)在圖像降噪上的表現(xiàn)相較于上一代麒麟980芯片更為出色
在視頻拍攝方面，畫面中的噪聲主要來自兩個維度：空間域和時域。視頻中的噪聲在空間域上的表現(xiàn)就是同一時刻不同位置上出現(xiàn)的噪聲，在時域上的表現(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，然后再和時域進(jìn)行結(jié)合，對視頻內(nèi)的降噪處理也有出色表現(xiàn)。
▲雙域聯(lián)合視頻降噪技術(shù)有效去除視頻畫面上的雜色
放大樣張來看，麒麟990 5G版芯片在去除雜色方面十分到位，反觀對比樣張，原本一色不染的河沾染上了斑斑紅跡，由此可見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，甚至可以僅通過實時動態(tài)面部圖像來讀取用戶的心率。
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2.2GHz Cortex-A77大核和4顆1.8GHz Cortex-A55效能核心，配備Mali-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沒有過多的亮點，最大的賣點是集成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AP(Application Processor)合二為一，實現(xiàn)了超高速數(shù)據(jù)通信。
▲三星Exynos 980技術(shù)規(guī)格一覽
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，實現(xiàn)最高2.55Gbps的數(shù)據(jù)通信；在4G通信環(huán)境下，支持LTE Cat.16下行（5載波1Gbps）和LTE Cat.18上行（雙載波200Mbps），最高可實現(xiàn)1.6Gbps的速度。4G-5G雙連接（E-UTRA-NR Dual Connectivity）狀態(tài)下，下載速度每秒最高可達(dá)3.55Gb，同時支持Wi-Fi 6，讓消費者更迅速、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，三星Exynos 980的人工智能計算性能也得到優(yōu)化。它內(nèi)置高性能NPU，人工智能計算性能比上代提高約2.7倍。計算性能提升后，Exynos 980可根據(jù)用戶的設(shè)置為數(shù)據(jù)自動分流，實現(xiàn)內(nèi)容過濾功能，還能快速處理連接虛擬與現(xiàn)實的混合現(xiàn)實（Mixed Reality）、智能相機等大容量數(shù)據(jù)，可適用于多種不同的環(huán)境。和依靠和云盤服務(wù)交換數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的現(xiàn)有的人工智能計算不同，三星Exynos 980實現(xiàn)可自主計算的終端側(cè)人工智能(On-Device AI)，這樣一來便具備了保護(hù)用戶個人信息的優(yōu)勢。
在手機拍攝方面，三星Exynos 980內(nèi)置高性能ISP，最高支持1.08億像素獨立攝像頭或雙2000萬像素鏡頭，最多可連接5個圖像傳感器，并支持3個傳感器同時驅(qū)動，適配移動設(shè)備多攝像頭的發(fā)展趨勢。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動態(tài)映射。綜合ISP和NPU的強悍性能，三星Exynos 980可識別拍攝物體的形態(tài)、周圍環(huán)境等，自動調(diào)節(jié)至最佳值。
面向5G，SoC會怎么發(fā)展？
近來，包括華為、vivo、三星、OPPO等手機企業(yè)在5G手機上的“軍備”競賽正式開始，5G芯片成為最關(guān)鍵的一環(huán)。截至今日，國內(nèi)市場上可以購買到的5G手機已有多款，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，還會降低對手機內(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SoC芯片會有哪些趨勢呢？
外掛5G基帶將退場
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Mali G77，5G下行最快速度可達(dá)到4.7Gbps。過去，各大廠商通過采用處理器搭配5G基帶芯片外掛的設(shè)計，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5G商用進(jìn)程來說無疑是一大重要突破。華為、高通、三星、聯(lián)發(fā)科這四家廠商的5G SoC量產(chǎn)商用將會集中在今年年底至明年第一季度中，屆時外掛5G基帶的手機將會完成自己的歷史使命，逐漸退出5G手機市場。
▲三星和vivo宣布達(dá)成合作，vivo搭載三星Exynos 980處理器的手機將于今年年內(nèi)上市。
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制程代表芯片市場的旗艦水準(zhǔn)，5nm制程工藝將會是各家企業(yè)全力進(jìn)軍的下一個高峰。三星已在4月宣布完成5nm芯片研發(fā)，并稱將于明年量產(chǎn)；代工巨頭臺積電也表示將于明年量產(chǎn)5nm芯片。
根據(jù)臺積電資料顯示，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，臺積電的5nm EUV工藝已開始風(fēng)險性試產(chǎn)，量產(chǎn)則有望在2020年第二季度開始，正好滿足集成5G基帶的SoC芯片。
▲EUV光刻機成了制約5G發(fā)展的重要因素，先進(jìn)制程工藝的芯片生產(chǎn)難度更高。
更快的RAM和ROM
5G網(wǎng)絡(luò)的直接優(yōu)勢是網(wǎng)速更快，網(wǎng)速提升帶來的是硬件需求提高，LPDDR5 RAM和UFS 3.0 ROM將會成為5G旗艦智能機將要占領(lǐng)的技術(shù)制高點。具體來說，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差分時鐘，類似于GDDR5，從而在不增加引腳的情況下提升頻率。
此外，LPDDR5還將引入Link ECC，具備從傳輸錯誤中恢復(fù)數(shù)據(jù)的能力?？紤]到手機的續(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UFS 2.1接口，為閃存提供翻倍的讀寫性能（2000MB/s）。
▲三星電子開始量產(chǎn)最新的12Gb（單顆容量為1.5GB）的LPDDR5內(nèi)存顆粒，針對5G與AI進(jìn)行優(yōu)化，速度達(dá)到5500MB/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，這將帶來更低的功耗和更長的電池續(xù)航時間。隨著存儲性能在手機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技術(shù)UFS3.0和LPDDR5。
▲JEDEC(固態(tài)技術(shù)協(xié)會)推出UFS 3.0標(biāo)準(zhǔn)，比UFS 2.1性能翻番，理論的接口帶寬最高23.2Gbps，達(dá)到了2.9GB/s。
▲麒麟990系列支持UFS 3.0
支持更高像素攝像頭
3G時代，我們主要依靠圖片進(jìn)行交流；4G時代，我們主要依靠視頻進(jìn)行交流；那么到了5G時代，社交會不會以更加逼真的方式進(jìn)行？在這當(dāng)中，手機拍攝的技術(shù)變得非常重要。手機攝像頭數(shù)量逐漸在增加，COMS的解析力也從800萬、1200萬、2400萬遞增到4800萬、6400萬像素。
▲Redmi Note8 Pro首發(fā)三星6400萬像素GW1傳感器，支持硬件直出6400萬像素。
此前，三星宣布與小米聯(lián)合開發(fā)1.08億像素的ISOCELL Bright HMX傳感器，將于晚些時候在小米手機上首發(fā)。現(xiàn)在，三星發(fā)布的Exynos 980也將支持最高1.08億像素獨立攝像頭。得益于5G網(wǎng)絡(luò)的超高清傳輸能力，超高像素攝像頭手機的出現(xiàn)不僅僅是技術(shù)到位，更是全方位客觀的市場需求。只有在5G情況下，超高像素攝像頭的圖片和視頻才能快速分享，因此超高清拍攝將會是5G落地應(yīng)用的又一展現(xiàn)。
▲三星和小米合作研發(fā)，推出1.08億像素的ISOCELL Bright HMX傳感器。
總的來看，移動設(shè)備SoC芯片正處在技術(shù)更新?lián)Q代的關(guān)鍵時候，5G落地、制程工藝進(jìn)化，帶來了更強的性能、更高的集成度、更清晰的攝像頭以及更快的網(wǎng)速、存儲。5G智能手機爆發(fā)前期，誰抓住了先發(fā)性，便可以率先蠶食5G大蛋糕。在這一點上，國產(chǎn)品牌無疑已經(jīng)實現(xiàn)彎道超車，5G芯片、5G終端的發(fā)布都先人一步。
