拆遍最新CPU、GPU，看先进半导体发展到哪了？

原创芯世相 2023-05-12 12:56

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4纳米处理器，层出不穷

从2022年第4季度到2023年第1季度，市面上推出了许多新的处理器。Techanalye已经获得并拆解分析了大多数商业化的处理器，有时我们也会分析那些因客户要求而极难获得的产品，但我们通常会对有足够商业规模的芯片进行并列比较。我们预计2023年将看到应用新一代3nm工艺的产品首次亮相。截至2023年5月，最先进的制造技术是4nm，许多4nm的处理器在智能手机和PC领域得到广泛应用。

表 1 比较了联发科2022年底开始用于智能手机的天玑 9200 处理器（平台名称；处理器型号名称 MT6985）和高通的骁龙 8 Gen 2（处理器型号名称 SM8550）。

表 1：天玑9200与骁龙8 Gen 2 ；来源：Techanalye报告

两者都使用了POP（Package On Package），可在同一封装体内集成逻辑和存储器件，即LPDDR5被堆叠在处理器封装顶部的一个独立封装中。在高端智能手机处理器中，LPDDR5的容量为12GB，价格稍低的型号也存在8GB的容量。基于同一处理器的POP，在装载内存方面可以分为不同的规格，是提供多种型号的有效方式。

在4nm一代产品中，大部分智能手机平台都使用POP。联发科的天玑 9200 和高通的骁龙 8 Gen 2 都是由台积电的4nm工艺制造的。然而，联发科的处理器的工艺被称为一种名为N4P的高性能制造工艺，而高通的骁龙 8 Gen 2则与其第一代的4nm处理器（2022年的骁龙8 Gen1）相同，仍是N4工艺。

值得注意的是，高通芯片采用"N4"也能实现高性能。

两种处理器的面积几乎相同，功能也几乎相同，不过在引进的IP（知识产权）和自己的IP方面，两家公司存在差异。

与使用更高工艺制造的联发科相比，高通的频率和调制解调器传输速度更高。SoC（系统级芯片）处理器的许多功能没有那么快，比如许多周边功能：如显示单元、视频和音频系统，都比CPU速度慢，高速运行的高性能CPU最多只占芯片面积的百分之几左右。只有高速CPU部分可以通过使用稍大的元件（具体是指具有大量FinFET和高速SRAM的单元）来提高速度，因此如果应用尖端的N4P工艺，大多数低频部分可能会出现性能过剩。此外，因为可以原封不动地利用以前产品的设计，高通可能再次使用N4，骁龙 8 Gen 2还有一个值得注意的特点：四层CPU架构。

CPU、GPU哪家强？

比较天玑 9200 和骁龙 8 代 2 CPU

图1比较了天玑 9200三层CPU和骁龙 8 Gen 2四层CPU。它们的尺寸几乎相同。顶级CPU都使用Arm的Cortex-X3内核，它的面积最大。在芯片中，能流动的电流越多，速度就越快，所以元件越大。

图1：天玑9200与骁龙 8 Gen 2 的比较；来源：Techanalye报告

骁龙 8 Gen 2中的Cortex-X3的工作频率为3.20 GHz，比天玑 9200 的3.05 GHz高出5%。如上所述，高通没有采用面向高速的制造工艺，而是通过使用更大的部件来实现。因此，高通公司的Cortex-X3比联发科的大1.3倍。除了最快的Cortex-X3外，其他频率都在2GHz范围内，频率都没有达到极限，处理速度都很宽裕，所以联发科和高通的尺寸都差不多。

算上Cortex-X3，高通的处理器共有8个核心，呈1-2-2-3的层次结构：两个Cortex-A715 CPU核心，即最新的中等性能CPU核心；两个Cortex-A710中等CPU核心，即早一代的CPU核心；以及三个Cortex-A510高效CPU核心。也就是说，根据应用程序优化了速度和电力。联发科的处理器则是1-3-4的架构。即使都是成熟的智能手机处理器，很明显，两家领先公司的内容之间仍有很大差异。

比较英特尔和AMD的最新CPU

表 2 比较了英特尔在 2022 年秋季发布的第 13 代酷睿 i9 13900K 和 AMD 的 Zen 4代CPU锐龙 9 7950X横截面的分析。

表 2：酷睿 i9 13900K 与锐龙 9 7950X 来源：Techanalye报告

将整个处理器和封装进行了切割和抛光，并使用显微镜和SEM对横截面（布线宽度、空间、层数、连接结构等）进行了分析，我们发现AMD采用的是台积电的5nm制程工艺，英特尔的则是自己的Inter 7工艺（相当于10nm产品，也叫"10nm Enhanced SuperFin"）。尽管有世代差异，但硅的布线层数（长距离互连的厚度，称为全局层，因为概念不同而完全不同）是一样的。

另一方面，AMD的封装中的布线层数高出20%，为12层，而英特尔为10层。无论是封装还是硅，当布线层数增加时，制造工艺和成本都会增加。AMD的芯片在可以再利用硅（通过增减CPU数可以区分出高/中/低）这一点上非常出色，但是也具有封装层数增加、硅测试增加等"增加"因素。可以看出，芯片有显著的积极方面，但也有消极方面，因此有必要意识到，它们不是万能的。

比较 NVIDIA 和 AMD 的 GPU

表3比较了NVIDIA的RTX 4090，即Ada Lovelace一代的顶级GPU，和AMD的RX 7900 XTX，即2022年底推出的RDNA 3一代的顶级GPU。

表 3：NVIDIA 的 RTX 4090 与 AMD 的 RX 7900 XTX 来源：Techanalye报告

英伟达使用台积电的4nm工艺，每个硅片上有763亿个晶体管。另一方面，AMD采用了7个硅片的芯片配置，GPU由台积电的5nm制程制造，用于缓存的SRAM在台积电的6纳米制程上制造。这些被组合在一个总共有577亿个晶体管的封装中。

Techanalye统计销售的硅片面积发现——英伟达和AMD的量都很庞大，超过了500mm²。使用各公司公布的晶体管数量计算得出，NVIDIA有1.24亿个晶体管/mm²，AMD有1.09亿个晶体管/mm²。AMD在CPU方面与英特尔竞争，在GPU方面又与英伟达竞争，因此最大限度地利用了便于区分产品阵容的芯片，提高了开发效率。

此外，如果SRAM和逻辑芯片在未来不能以相同的比例缩小，那么更有可能的是，为了优化硅片效率，外部缓存将被移到与处理器分开的硅片上（如果即使工艺先进，面积几乎没有变化，那么效率就很低）。此外，如果外部接口的PHY也从处理器移到独立的硅片上，极有可能出现更多硅片效率更高的情况，因此预计许多制造商将使用3nm和2nm世代的小芯片。

复古游戏机的芯片进化

图2显示了2023年3月发布的ZUIKI（瑞起）的X68000 Z的外观和主板。X68000是夏普于1987年发布的一款个人工作站产品。X68000 Z是相同形状的小型化版本，连接的鼠标和键盘与原始鼠标和键盘的大小相同。