搶跑5G時(shí)代解析華為麒麟990和三星EXynos 980

王玉坤

進(jìn)入到2019年下半年，5G手機(jī)上下游競爭變得異常激烈起來。除了各大手機(jī)廠商爭相發(fā)布5G手機(jī)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(shí)際帶來的提升

華為麒麟990

5G基帶：從外掛到集成

相對(duì)于過去的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(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(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(jī)讀速63K10P5、寫速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)，也就是說未來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，平常無論是安裝軟件還是讀取文件相較于過去的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?？捎^。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(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(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。

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(gè)算子，比上一代的麒麟980多了近100個(gè)。支持90%的視覺計(jì)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(duì)識(shí)別場景、AI算法、資源配置大有裨益，在實(shí)時(shí)視頻場景下也能發(fā)揮大用處。在開視頻的情況下，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(huì)展示的樣張對(duì)比來看，拍攝同一場景下，放大同一個(gè)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。

在視頻拍攝方面，畫面中的噪聲主要來自兩個(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(shí)時(shí)動(dòng)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2.2GHzCortex-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沒有過多的亮點(diǎn)，最大的賣點(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)用戶的設(shè)置為數(shù)據(jù)自動(dòng)分流，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容過濾功能，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。和依靠和云盤服務(wù)交換數(shù)據(jù)來實(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），這樣一來便具備了保護(hù)用戶個(gè)人信息的優(yōu)勢。

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。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)、周圍環(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，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(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Maii 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(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(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。

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(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工藝已開始風(fēng)險(xiǎn)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。

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(shí)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LinkECC，具備從傳輸錯(cuò)誤中恢復(fù)數(shù)據(jù)的能力。考慮到手機(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，這將帶來更低的功耗和更長的電池續(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、1200萬、2400萬遞增到4800萬、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(shí)候在小米手機(jī)上首發(fā)?，F(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)。

寫在最后

總的來看，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，國產(chǎn)品牌無疑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)彎道超車，5G芯片、5G終端的發(fā)布都先人一步。