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    趕在麒麟990發布前 談華為功臣麒麟芯片發展史天富經理人培訓

    本文轉自:中關村在線
     

    說到華為的自研芯片,大家首先從腦海里想到的肯定是海思麒麟系列。沒錯,正是因為有了自主研發的手機芯片——海思麒麟,華為才能快速占據市場制高點,并且成為了中國手機行業的NO1。
     

    海思麒麟芯片,是華為與蘋果,三星平起平坐的底氣所在。那么海思麒麟從何時開始發展,又有著怎樣的經歷?下面,筆者將簡述華為海思麒麟芯片研發的坎坷之路。在探討之前,我們需要先了解芯片的制造過程。
     


    01 芯片制造:一粒沙子的質變

    一個芯片是怎樣設計出來的?設計出來的芯片是怎么生產出來的?希望看完這篇文章你能有大概的了解。



    硅(SiO2)——芯片的基礎

     

    一個看起來只有指甲蓋那么大芯片,天富經理人培訓里面卻包含著幾千萬甚至幾億的晶體管,想想就覺得不可思議,而在工程上這又是如何實現的呢?



     

    芯片其主要成分就是硅。硅是地殼內第二豐富的元素,而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在。

     

    硅錠

     

    硅(SiO2)一直被稱為半導體制造產業的基礎,就是因為它能夠制成一個叫晶圓的物質,而首先我們需要把硅通過多步凈化熔煉后變為硅錠(Ingot)。然后再用金剛石鋸對硅錠進行切割,才會成為一片片厚薄均勻的晶圓。

    天富經理人培訓

    光刻膠層透過掩模被曝光在紫外線(UV)之下,形成電路圖案

     

    接下來需要一樣叫光刻膠的物質去鋪滿它的表面,天富經理人培訓光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下,變得可溶,期間發生的化學反應。掩模上印著預先設計好的電路圖案,紫外線透過它照在光刻膠層上,就會形成微處理器的每一層電路圖案。

     

    晶體管形成
     

    到了這一步還要繼續往下走,我們還需要繼續澆上光刻膠,然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。

    晶體管形成過程

     

    然后就是重要的離子注入過程,在真空系統中,用經過加速的、要摻雜的原子的離子照射固體材料,從而在被注入的區域形成特殊的注入層,并改變這些區域的硅的導電性。

    離子注入完成后,光刻膠也被清除,而注入區域(綠色部分)也已摻雜了不同的原子。到了這一步,晶體管已經基本完成。


     

    晶圓切片與封裝

     

    然后我們就可以開始對它進行電鍍了,操作方法是在晶圓上電鍍一層硫酸銅,將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負極(陰極)。電鍍完成后,銅離子沉積在晶圓表面,形成一個薄薄的銅層。

    其中多余的銅需要先拋光掉,磨光晶圓表面。然后就可以開始搭建金屬層了。晶體管級別,六個晶體管的組合,大約為500nm。在不同晶體管之間形成復合互連金屬層,具體布局取決于相應處理器的功能設計。

    晶圓

     

    芯片表面看起來異常平滑,但事實上放大之后可以看到極其復雜的電路網絡,打個比方,就像復雜的高速公路系統網。

    接下來對晶圓進行功能性測試,完成后就開始晶圓切片(Slicing)。完好的切片就是一個處理器的內核(Die),測試過程中有瑕疵的內核將被拋棄。

    圖片說明

     

    最后就是經封裝,等級測試,再經過打包后,就是我們見到的芯片了。

    圖解處理器的制造過程

     

    簡單地說,處理器的制造過程可以大致分為沙子原料(石英)、硅錠、晶圓、光刻、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試、包裝上市等諸多步驟,而且每一步里邊又包含更多細致的過程。

    芯片設計
     

    這里講到的芯片制造就如此復雜,更不要說工程師最開始的芯片功能設計了。由此我們也可以聯想到,華為海思麒麟發展至今著實不容易,下面就讓我們來簡談一下它的發展史吧。

    02 海思麒麟發展史

     

    開端:主攻消費電子芯片
     

    說到麒麟就離不開說到海思半導體公司,它成立于2004年10月,前身是創建于1991年的華為集成電路設計中心,也就是這一刻,拉開了華為對于自主芯片的征戰序幕。自那時開始的十幾年間,該公司一直致力于設計生產ASIC。

    任正非高瞻遠矚,大手一揮,華為要做自己的手機芯片?,F在想想,這真的是個偉大的決定。如今華為所獲得的成功,說有海思一半的功勞也不為過。

     



    華為總裁任正非

    正式成立后的海思團隊主要專注三部分業務:系統設備業務,手機終端業務和對外銷售業務。由于常年與通訊巨頭合作,海思的3G芯片在全球范圍內獲得了巨大的成功,在通訊領域的積累,也為后來華為海思的成功奠定了重要的基礎。

    老兵戴輝曾講述,PSST委員會(Products and Solutions Scheme Team,管產品方向)主任是徐直軍,他從戰略層面對海思進行管理。后來的很多年里,他都是海思的Sponsor和幕后老大。

    已赴任歐洲片區總裁的徐文偉還兼任了海思總裁一職,參與戰略決策,并從市場角度提需求。海思的具體工作由何庭波和艾偉負責,何庭波后來成為了海思的負責人,艾偉則分管Marketing。

    2004年成立時主要是做一些行業用芯片,用于配套網絡和視頻應用。并沒有進入智能手機市場。

     

    發展與成熟

     

    當然,芯片的研發,不是三天兩頭就能拿出作品的事情,雖然2004年10月正式成立,直到2009年,時隔五年華為才拿出第一款手機芯片,命名K3V1,但由于第一款產品在很多方面依然不夠成熟,迫于自身研發實力和市場原因都以失敗告終。

     

    2012年,華為發布了K3V2,號稱是全球最小的四核ARM A9架構處理器。集成GC4000的GPU,40nm制程工藝, 這款芯片得到了華為手機部門的高度重視,直接商用搭載在了華為P6和華為Mate1等產品上面,可謂寄予厚望,要知道當初華為P6是作為旗艦產品定位。

    但由于其芯片發熱過于嚴重且GPU兼容性太差等,使得該芯片被各大網友所詬病。但華為頂著壓力堅持數款手機采用該芯片,當時華為芯片被眾人恥笑,接下來華為開始了自己的刻苦鉆研。
     

    經過兩年的技術沉淀,到了2014年初,海思發布麒麟910,也從這里開始改變了芯片命名方式,作為全球首款4核手機處理器,改用了Mali-450MP4 的GPU。


    麒麟910

     

    值得一提的是,麒麟910首次集成華為自研的巴龍Balong710基帶,制程升級到28nm,把GPU換成Mali。麒麟910的推出放在了華為P6升級版P6s首發。這是海思平臺轉向的歷史性標志,也是日后產品獲得成功的基礎。

    2014年6月,隨著榮耀6的發布,華為給我們帶來了麒麟920,這款新品又是一個大的進步,又是一個新的里程碑。




    麒麟920

     

    作為一顆28nm的八核心soc,還集成了音頻芯片、視頻芯片、ISP,集成自研第一款LTE Cat.6的Balong720基帶,使得榮耀6成為全球第一款支持LTE Cat.6的手機。也是從麒麟920開始,麒麟芯片受到如此多的肯定,而當年搭載該芯片的榮耀6可謂是大火,其銷量已經證明。

    同年,海思還帶來了小幅度升級的麒麟925與麒麟928,主要在于主頻的提升,開始集成協處理器。925這款芯片用在華為Mate 7上,創造了華為Mate 7在國產3000價位上高端旗艦的歷史,全球銷量超750萬,此時此刻,麒麟芯片終于趕上了華為手機的發展步伐!



    華為Mate 7

     

    華為Mate 7和蘋果和三星的新機型都在同月發布。當時華為對貿然進入高端市場并沒有太大的信心,沒想到蘋果和三星在關鍵時候都掉了鏈子。

    最為著名的就是,蘋果是因為好萊塢艷照門事件以及未在中國境內設服務器,誰也不知道信息傳到哪里去了,因此被質疑有安全隱憂,當然現在在貴州設了服務器。

    當然除了9系處理器,在2014年12月,海思給我們帶來了一個中端6系,發布麒麟620芯片。它是海思旗下首款64位芯片,集成自研Balong基帶、音視頻解碼等組件。

    這款芯片陸續用在榮耀4X、榮耀4C等產品上,其中榮耀4X成為華為旗下第一款銷量破千萬的手機。海思在試著向公眾證明,海思除了能做出飆性能的高端芯片,也能駕馭功耗平衡的中端芯片。



    麒麟930

     

    2015年3月,發布麒麟930和935芯片,這系列芯片沒有過多亮點,依然是28nm工藝,但是海思巧妙避開發熱不成熟的A57架構,轉而使用提升主頻的能耗比高的A53架構,借著功耗優勢,借著高通810的發熱翻車,麒麟930系列打了一個漂亮的翻身仗。

    同年5月,發布麒麟620升級版麒麟650 ,全球第一款采用16nm 工藝的中端芯片。海思旗下第一款集成了CDMA的全網通基帶SoC芯片,這款芯片首發于榮耀5C,在后來,我們也看到了小幅度升級的麒麟650,以及打磨了一款又一款手機的麒麟659。

    2015年11月,發布麒麟950首發于華為Mate8。與之前不同的是,這次海思采用了16nm工藝,集成自研Balong720基帶,首次集成自研雙核14-bit ISP,集成i5協處理器,集成自研的音視頻解碼芯片,是一款集成度非常高的SoC。

    麒麟950

     

    它也是全球首款A72架構和Mali-T880 GPU的SoC,憑借著工藝優勢,麒麟950的成績優秀,除了GPU體驗,其它各方面收到消費者眾多的好評。

    2016年10月19日,華為麒麟麒麟960芯片在上海舉行秋季媒體溝通會上正式亮相。麒麟960首次配備ARM Cortex-A73 CPU核心,小核心為A53,GPU為Mali G71 MP8。存儲方面,支持UFS2.1,稍微遺憾的是依然采用的16nm制程工藝。

    麒麟960

    但是麒麟960開始,麒麟9系列解決了GPU性能短板,大幅度提升了華為/榮耀手機的GPU性能,在游戲性能方面,不再是麒麟芯片的大短板。麒麟960在華為Mate9系列首發,后續還用在了榮耀V9等產品上。

    2017年9月2日,在德國國際消費類電子產品展覽會上,華為發布人工智能芯片麒麟970,它首次采用臺積電10nm工藝,與高通最新的驍龍835芯片是一個工藝。

    麒麟970

    但集成55億個晶體管遠比高通的31億顆、蘋果A10的33億顆的多,帶來的是功耗降低20%。AI是此次麒麟970的“大腦”,AI技術的核心是對海量數據進行處理。該款芯片的發布使得華為步入了頂級芯片廠商行列。

    在2018年上半年,搭載麒麟970的華為P20pro由于出色的拍照性能,受到外界一致好評。當時P20與P20 Pro,已經一躍成為手機拍照界翹楚,長期霸榜專業相機評測網站DXO。

    視角來到現在,麒麟980處理器,全球首款7nm處理器賺足了噱頭。最高主頻高達2.6Ghz,全面升級的CPU、GPU、新的雙核NPU,再有GPU Turbo加持,這也讓華為Mate 20大放異彩。



     

    當然文中還有一些海思麒麟的芯片沒有提到,這里主要說了一下麒麟9系列的旗艦芯片。新的麒麟710、810大家或許也都有所了解??傊?,華為海思麒麟芯片自研這條路還有很長,但在可以預見,未來華為也將會繼續披荊斬棘,向前邁近。

    最后來說一下最新消息對于所有關注華為的花粉來說,下半年的重頭戲有兩場,一場是麒麟990首發,另一場就是緊接著的華為Mate 30系列新旗艦發布了。如今,華為官方消息稱,9月6日IFA 2019大展將揭曉重磅新品,不出意外就是麒麟990了。




    華為終端官方截圖

    據此前消息,麒麟990將又發臺積電的7nm EUV工藝,同時有極大可能首次集成5G基帶。不出意外,除了工藝升級之外,麒麟990將在麒麟980基礎上繼續性能拔高,同時還有望采用自主研發的達芬奇架構NPU,此前麒麟810已經采用。

     

    寫在最后

     

    一路走來,海思手機芯片從零開始,從備受罵聲到現在躋身行業前列,不惜代價的重金投入搞研發,有過榮譽也有過挫折,希望會有更多的中國企業也能像海思麒麟一樣,堅持不懈,厚積薄發,早日讓關鍵技術掌握在自己手上。

    在即將到來的麒麟990上面,華為會給我們帶來什么樣的亮點,我們還不得而知,這要等到發布會才能揭曉。面對未知,我們不妨期待一下。

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