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华为麒麟芯片发展史

2019-09-08
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9月6日,华为发布全新麒麟990处理器。据官方介绍,麒麟990在工艺制程、AI性能以及5G能力方面领先竞争对手。在5G能力方面,麒麟990内置巴龙5000基带,不需要外挂5G芯片就可以实现5G网络。而相比之下高通骁龙865必须靠外挂基带来实现5G网络。同时,麒麟990支持NSA/SA双模组网。
就在半个月前的8月23日,华为自研云端AI芯片昇腾910正式商用发布,芯片最大功耗仅310W,比之前设计的350W更低。
半个月的时间,华为接连发布两款重要芯片,可见华为对于布局芯片和处理器的决心。作为华为掌舵人,任正非自创立华为伊始就对芯片自研有着极大的关注,任凭外界如何风吹草动、嘲讽至门,任正非依然投入大部分经费到自研芯片上,在外界看起来如同自找亏损。但任正非的坚持在20年后终于换来了迄今最大的回报。正是因为有了自主研发的手机芯片——海思麒麟,华为才能快速占据市场制高点,并且成为了中国手机行业的NO1。
那么海思麒麟从何时开始发展,又有着怎样的经历?下面,简述华为海思麒麟芯片研发的坎坷之路。在探讨之前,我们需要先了解芯片的制造过程。


01 芯片制造:一粒沙子的质变

一个芯片是怎样设计出来的?设计出来的芯片是怎么生产出来的?希望看完这篇文章你能有大概的了解。


硅(SiO2)——芯片的基础

一个看起来只有指甲盖那么大芯片,里面却包含着几千万甚至几亿的晶体管,想想就觉得不可思议,而在工程上这又是如何实现的呢?


芯片其主要成分就是硅。硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(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。

硅锭

硅(SiO2)一直被称为半导体制造产业的基础,就是因为它能够制成一个叫晶圆的物质,而首先我们需要把硅通过多步净化熔炼后变为硅锭(Ingot)。然后再用金刚石锯对硅锭进行切割,才会成为一片片厚薄均匀的晶圆。



光刻胶层透过掩模被曝光在紫外线(UV)之下,形成电路图案

接下来需要一样叫光刻胶的物质去铺满它的表面,光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下,变得可溶,期间发生的化学反应。掩模上印着预先设计好的电路图案,紫外线透过它照在光刻胶层上,就会形成微处理器的每一层电路图案。


晶体管形成

到了这一步还要继续往下走,我们还需要继续浇上光刻胶,然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。


晶体管形成过程

然后就是重要的离子注入过程,在真空系统中,用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射固体材料,从而在被注入的区域形成特殊的注入层,并改变这些区域的硅的导电性。

离子注入完成后,光刻胶也被清除,而注入区域(绿色部分)也已掺杂了不同的原子。到了这一步,晶体管已经基本完成。


晶圆切片与封装

然后我们就可以开始对它进行电镀了,操作方法是在晶圆上电镀一层硫酸铜,将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。电镀完成后,铜离子沉积在晶圆表面,形成一个薄薄的铜层。

其中多余的铜需要先抛光掉,磨光晶圆表面。然后就可以开始搭建金属层了。晶体管级别,六个晶体管的组合,大约为500nm。在不同晶体管之间形成复合互连金属层,具体布局取决于相应处理器的功能设计。



晶圆

芯片表面看起来异常平滑,但事实上放大之后可以看到极其复杂的电路网络,打个比方,就像复杂的高速公路系统网。

接下来对晶圆进行功能性测试,完成后就开始晶圆切片(Slicing)。完好的切片就是一个处理器的内核(Die),测试过程中有瑕疵的内核将被抛弃。



图片说明

最后就是经封装,等级测试,再经过打包后,就是我们见到的芯片了。



图解处理器的制造过程

简单地说,处理器的制造过程可以大致分为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装上市等诸多步骤,而且每一步里边又包含更多细致的过程。



芯片设计

这里讲到的芯片制造就如此复杂,更不要说工程师最开始的芯片功能设计了。由此我们也可以联想到,华为海思麒麟发展至今着实不容易,下面就让我们来简谈一下它的发展史吧。

02 海思麒麟发展史


开端:主攻消费电子芯片

在2004年,经任正非考虑,华为正式将前研发部独立出去,成立全资子公司海思半导体(HiSilicon)。海思团队主要专注三部分业务:系统设备业务,手机终端业务和对外销售业务。由于常年与通讯巨头合作,海思的3G芯片在全球范围内获得了巨大的成功,在通讯领域的积累,也为后来华为海思的成功奠定了重要的基础。

老兵戴辉曾讲述,PSST委员会(Products and Solutions Scheme Team,管产品方向)主任是徐直军,他从战略层面对海思进行管理。后来的很多年里,他都是海思的Sponsor和幕后老大。

已赴任欧洲片区总裁的徐文伟还兼任了海思总裁一职,参与战略决策,并从市场角度提需求。海思的具体工作由何庭波和艾伟负责,何庭波后来成为了海思的负责人,艾伟则分管Marketing。

2004年成立时主要是做一些行业用芯片,用于配套网络和视频应用。并没有进入智能手机市场。


发展与成熟

当然,芯片的研发,不是三天两头就能拿出作品的事情,虽然2004年10月正式成立,直到2009年,时隔五年华为才拿出第一款手机芯片,命名K3V1,但由于第一款产品在很多方面依然不够成熟,迫于自身研发实力和市场原因都以失败告终。


2012年,华为发布了K3V2,号称是全球最小的四核ARM A9架构处理器。集成GC4000的GPU,40nm制程工艺, 这款芯片得到了华为手机部门的高度重视,直接商用搭载在了华为P6和华为Mate1等产品上面,可谓寄予厚望,要知道当初华为P6是作为旗舰产品定位。

但由于其芯片发热过于严重且GPU兼容性太差等,使得该芯片被各大网友所诟病。但华为顶着压力坚持数款手机采用该芯片,当时华为芯片被众人耻笑,接下来华为开始了自己的刻苦钻研。


经过两年的技术沉淀,到了2014年初,海思发布麒麟910,也从这里开始改变了芯片命名方式,作为全球首款4核手机处理器,改用了Mali-450MP4 的GPU。



麒麟910

值得一提的是,麒麟910首次集成华为自研的巴龙Balong710基带,制程升级到28nm,把GPU换成Mali。麒麟910的推出放在了华为P6升级版P6s首发。这是海思平台转向的历史性标志,也是日后产品获得成功的基础。

2014年6月,随着荣耀6的发布,华为给我们带来了麒麟920,这款新品又是一个大的进步,又是一个新的里程碑。



麒麟920

作为一颗28nm的八核心soc,还集成了音频芯片、视频芯片、ISP,集成自研第一款LTE Cat.6的Balong720基带,使得荣耀6成为全球第一款支持LTE Cat.6的手机。也是从麒麟920开始,麒麟芯片受到如此多的肯定,而当年搭载该芯片的荣耀6可谓是大火,其销量已经证明。

同年,海思还带来了小幅度升级的麒麟925与麒麟928,主要在于主频的提升,开始集成协处理器。925这款芯片用在华为Mate 7上,创造了华为Mate 7在国产3000价位上高端旗舰的历史,全球销量超750万,此时此刻,麒麟芯片终于赶上了华为手机的发展步伐!



华为Mate 7

华为Mate 7和苹果和三星的新机型都在同月发布。当时华为对贸然进入高端市场并没有太大的信心,没想到苹果和三星在关键时候都掉了链子。

最为著名的就是,苹果是因为好莱坞艳照门事件以及未在中国境内设服务器,谁也不知道信息传到哪里去了,因此被质疑有安全隐忧,当然现在在贵州设了服务器。

当然除了9系处理器,在2014年12月,海思给我们带来了一个中端6系,发布麒麟620芯片。它是海思旗下首款64位芯片,集成自研Balong基带、音视频解码等组件。

这款芯片陆续用在荣耀4X、荣耀4C等产品上,其中荣耀4X成为华为旗下第一款销量破千万的手机。海思在试着向公众证明,海思除了能做出飙性能的高端芯片,也能驾驭功耗平衡的中端芯片。



麒麟930

2015年3月,发布麒麟930和935芯片,这系列芯片没有过多亮点,依然是28nm工艺,但是海思巧妙避开发热不成熟的A57架构,转而使用提升主频的能耗比高的A53架构,借着功耗优势,借着高通810的发热翻车,麒麟930系列打了一个漂亮的翻身仗。

同年5月,发布麒麟620升级版麒麟650 ,全球第一款采用16nm 工艺的中端芯片。海思旗下第一款集成了CDMA的全网通基带SoC芯片,这款芯片首发于荣耀5C,在后来,我们也看到了小幅度升级的麒麟650,以及打磨了一款又一款手机的麒麟659。

2015年11月,发布麒麟950首发于华为Mate8。与之前不同的是,这次海思采用了16nm工艺,集成自研Balong720基带,首次集成自研双核14-bit ISP,集成i5协处理器,集成自研的音视频解码芯片,是一款集成度非常高的SoC。



麒麟950

它也是全球首款A72架构和Mali-T880 GPU的SoC,凭借着工艺优势,麒麟950的成绩优秀,除了GPU体验,其它各方面收到消费者众多的好评。

2016年10月19日,华为麒麟麒麟960芯片在上海举行秋季媒体沟通会上正式亮相。麒麟960首次配备ARM Cortex-A73 CPU核心,小核心为A53,GPU为Mali G71 MP8。存储方面,支持UFS2.1,稍微遗憾的是依然采用的16nm制程工艺。



麒麟960

但是麒麟960开始,麒麟9系列解决了GPU性能短板,大幅度提升了华为/荣耀手机的GPU性能,在游戏性能方面,不再是麒麟芯片的大短板。麒麟960在华为Mate9系列首发,后续还用在了荣耀V9等产品上。

2017年9月2日,在德国国际消费类电子产品展览会上,华为发布人工智能芯片麒麟970,它首次采用台积电10nm工艺,与高通最新的骁龙835芯片是一个工艺。



麒麟970

但集成55亿个晶体管远比高通的31亿颗、苹果A10的33亿颗的多,带来的是功耗降低20%。AI是此次麒麟970的“大脑”,AI技术的核心是对海量数据进行处理。该款芯片的发布使得华为步入了顶级芯片厂商行列。

在2018年上半年,搭载麒麟970的华为P20pro由于出色的拍照性能,受到外界一致好评。当时P20与P20 Pro,已经一跃成为手机拍照界翘楚,长期霸榜专业相机评测网站DXO。

视角来到现在,麒麟980处理器,全球首款7nm处理器赚足了噱头。最高主频高达2.6Ghz,全面升级的CPU、GPU、新的双核NPU,再有GPU Turbo加持,这也让华为Mate 20大放异彩。


当然文中还有一些海思麒麟的芯片没有提到,这里主要说了一下麒麟9系列的旗舰芯片。新的麒麟710、810大家或许也都有所了解。总之,华为海思麒麟芯片自研这条路还有很长,但在可以预见,未来华为也将会继续披荆斩棘,向前迈近。

最后来说一下9月6日华为在德国柏林和北京同时发布最新一代旗舰芯片麒麟990系列,包括麒麟990和麒麟990 5G两款芯片。两款芯片在性能与能效、AI智慧算力及ISP拍摄能力等方面进行全方位升级。这标志着,华为在5G和端侧AI两大领域同时实现了全球引领。

据华为消费者业务CEO余承东和华为Fellow艾伟介绍,麒麟990 5G是华为推出的全球首款旗舰5G SoC芯片,是业内最小的5G手机芯片方案,面积更小,功耗更低;它可率先支持NSA/SA双架构和TDD/FDD全频段,是业界首个全网通5G SoC。同时,麒麟990 5G是首款采用达芬奇架构NPU的旗舰级SoC。在游戏和摄影方面,麒麟990 5G也为用户带来了全新的体验。

  
与麒麟990 5G一起亮相的麒麟990,同样在性能、能效、AI及拍照方面实现重磅升级,为现阶段更广泛的4G手机用户提供更卓越的使用体验。


写在最后

一路走来,海思手机芯片从零开始,从备受骂声到现在跻身行业前列,不惜代价的重金投入搞研发,有过荣誉也有过挫折,希望会有更多的中国企业也能像海思麒麟一样,坚持不懈,厚积薄发,早日让关键技术掌握在自己手上。

来源:科工力量

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