解密华为麒麟950是如何率先实现16nm FF+量产的

现在的手机行业营销可谓光怪陆离，曾经被消费者不待见的国产品牌，也随着华为、小米、魅族等中国品牌的崛起而被接受。不得不佩服国内厂商在营销上的敏锐，如今国货这面旗帜纷纷被扛了起来。中国人的自信心确实起来了，“国货当自强”这句话也不再是一句空话，这是令人欣喜的。然而，在这滩浑水里摸鱼的人还真不少。一部高端手机，硬件成本大约200美金，大家知道其中有多少是国产的吗？对于大部分厂商来说，几乎是零。而其中占比最大的是三样，芯片组、屏幕和内存。大家可能看到过某厂家爆出采用的高通“暖宝宝”骁龙810，售价高达65美金，占据了整机成本的几乎三分之一。所以这样的情况下，那些标榜国货的“机皇”到底算不算国货呢？我们绝不反对产业全球化的趋势，但是在这样的核心领域里中国的企业应该有更高的追求。可惜的是我们在中国的这些企业里有这样魄力去掌握核心技术的少之又少。说要自己做芯片的不少，但是做芯片从来不是说说而已的，想做是一回事，能不能做出来又是另一回事。毕竟国货不是来坑中国消费者的，不是用来纯粹做概念营销的。相比之下华为的麒麟系列芯片还真是国货的一面旗帜。2015年11月底华为发布的最新旗舰机Mate8，搭载了华为自主研发的麒麟950，可以说，华为干得漂亮。

麒麟950是2015年华为推出的重磅级芯片，该芯片率先采用性能与功耗优势兼具的16nm FinFET Plus尖端工艺，是业界首款商用TSMC 16nm FinFET Plus技术的SoC芯片；TSMC 16nm FinFET Plus技术相比28HPM工艺性能提升65%，同时节省了70%的功耗；相比20nm工艺，性能提升40%，功耗节省60%。

看到这里，有些人曾提出疑问：16nm FinFET Plus工艺是TSMC的技术，要领先也是人家TSMC领先，跟你华为有什么关系？这样领先的制造工艺，可以给你华为用，也可以给别的厂商用，华为有什么可领先的呢？可实际上，我们可以看看产业界的情况：目前，在手机芯片里，能够采用TSMC 16nm FinFET Plus这样领先的制造工艺的，只有苹果和华为两家。如果算上技术上类似、但性能比不尽如人意的三星14nm工艺，也就还有高通和三星。那么其他手机芯片厂商为什么不用这么先进的制造工艺呢？难道仅仅是成本的问题吗？芯片设计厂商和制作厂商之间到底是个啥关系呢？

解密华为与TSMC的关系

我先给大家介绍一下半导体整个生态链，主要分为前端设计（design）,后端制造（mfg）、封装测试(package)，最后投向手机厂商。不同的厂商负责不同的阶段，环环相扣。半导体厂商也分为2大类，一类是IDM (Integrated Design and Manufacture)，包含设计、制造、封测全流程，如Intel、TI、Samsung这类公司；另外一类是Fabless，只负责设计，芯片加工制造、封测委托给专业的Foundry，如苹果芯片、华为芯片、高通、展讯、MTK等。

前端设计是整个芯片流程的“魂”，从承接客户需求开始，到规格、系统架构设计、方案设计，再到Coding、UT/IT/ST，提交网表做Floorplan，最终输出GDS（Graphics Dispaly System）交给Foundry做加工。华为芯片这样的芯片设计厂商主要负责的就是这个阶段。由于不同的工艺Foundry提供的工艺lib库不同，负责后端设计的工程师要提前差不多半年，开始熟悉工艺库，定制Library，进行大量的Floorplan迭代，才能最终得到满意的GDS，交付给Foundry加工。而且成功开发一款SoC芯片,有数百个IP，这些IP都需要提前大半年时间定制,都要在同一时间点同一种工艺下集成，芯片设计工程师得付出多大的努力啊。一旦工艺出现变化,哪怕是从16nm FinFET变换成16nm FinFET Plus,所有的IP都需要重新定制，这些工作都是需要华为芯片这样的厂商来完成的，所以芯片设计工程师对新工艺一定要有正确的理解和判断，否则不可能按时且成功Tape Out。

后端制造是整个芯片流程的“本”，拿到GDS以后，像TSMC这样的Foundry厂商，开始光刻流程，一层层mask光刻，一般一层mask要耗时1.5个工作日，16nm FF+工艺的基本生产周期要4~5个月左右。

封装测试是整个芯片流程的“尾”，TSMC加工好的芯片是一颗颗裸Die，外面没有任何包装。大家度娘一下晶圆图片，就可以看到一个圆圆的金光闪闪的“大镜子”，上面横七竖八的划了很多线，切出了很多小方块，那个就是裸Die。裸Die是不能集成到手机里的，需要外面加封装，用金线把芯片和PCB板连接起来，这样芯片才能真正的工作。一般封测周期在1个月左右。

介绍到这里，就基本上可以说清楚华为芯片这样的设计厂商与TSMC这样的制造厂商之间的关系了。一颗芯片能在哪个工艺下量产，除了Foundry厂要具备芯片加工制造的能力以外，Fabless也需要具备芯片在同种工艺下的设计能力。就像房地产公司要开发一座房子，建筑公司掌握着工匠技术，房子用砖头盖还是用木头盖，盖成别墅还是小木屋，这些都是房地产设计公司决定的，而不是建筑公司决定的。房地产公司首先要给出设计图纸，建筑公司按照图纸，最终才能盖出一套好的房子。如果你非要说盖房子是建筑公司的技术，那设计院的专家们可要跟你急了:)这就能解释，为何华为敢说自己麒麟950是业界首款16nm FinFET Plus工艺的SoC芯片了。只有华为通过系统的设计流程，输出一张张芯片图纸，TSMC才能产出芯片。当然，这里也需要两家有很好的“交情”，不然，像16nm FinFET Plus这样的尖端工艺，不是谁想让TSMC加工就可以加工的。在华为麒麟950芯片沟通会上，TSMC业务开发处资深处长尉济时博士出席了会议，亲自为麒麟950芯片站台，并在答疑环节承诺不会出现供货问题。而且沟通会上还播放了FinFET技术发明人胡正明教授的一段视频，胡教授前期是TSMC的CTO，FinFET工艺能量产，他可是功不可没的，这足以见得华为和TSMC之间的关系非同一般。据华为Fellow艾伟介绍，“麒麟芯片团队从2013年底就开始与TSMC等合作伙伴紧密合作，共同推动了16nm先进工艺的量产成熟，并于2014年4月实现业界首次投片，2015年1月实现量产投片。”

芯片工艺如何选择，关键看能效比

我们再来看一看华为麒麟950为何要选择16nm FinFET Plus工艺，毕竟在当时16nm FinFET Plus工艺并不成熟，也不稳定，没有量产的依据可循，投资还那么庞大。相信大家一定记得高通810的悲惨经历，为了在20nm下追求极限频率，结果，芯片成了暖手袋，害死了一波又一波手机厂商啊。我们假设以28纳米为基础，20纳米用传统的晶体管架构走下去，集成度还OK，是28纳米的1.9倍，但是功耗只能降到75%，不够理想。这意味着同样的die面积，放进去将接近两倍数目的晶体管，功耗会上升42.5%。而16nm性能相对28纳米，晶体管密度提升两倍的同时，而功耗只有0.3倍，在获得性能的时候还可以降功耗，这是很完美的一个工艺。另外一个因素就是，麒麟950选择的是ARM A72的核，这个A72性能比A57提升11%，功耗能降低20%。20纳米上跑A57到2GHz，16的FinFET Plus上跑A72到2.3G，而且功耗还降低了不少，所以华为麒麟950选择了当时并未量产的16nm FinFET Plus工艺。还有一个原因就是，据知情人士说，2013年，正在研发麒麟950的华为芯片团队拜访了胡正明教授，也就是FinFET技术的发明者、半导体顶级专家、美国加州大学伯克利分校教授，与其进行了深入的交流，认为从28nm往下走，制造工艺已经无法解决芯片大规模集成晶体管后的漏电问题，功耗非常高。20nm相比28nm在功耗和性能上有不小进步，也无法满足顶级芯片对性能、功耗的要求。而FinFET技术，正好解决了28nm以下的漏电问题，功耗可以降低70%。所以华为芯片做出了通过技术创新突破瓶颈的选择：跳过20nm，开始了16nm FinFET Plus工艺的技术突破之旅。事实证明，华为的选择是对的，iPhone6S Plus同时选择了Samsung 14nm和TSMC 16nm量产，最终网友们吐槽14nm功耗还高出16nm，哎：）不得不说，华为的工程师们相当的明智啊。

其实吧，作为一般的手机用户，我们最关心的是用户体验。比如会不会无故死机啊，会不会用半天就没电了啊，开多个程序是不是卡啊卡的，信号会不会老是断啊断的。当然，这些体验也跟芯片选择CPU、选择工艺是密切相关的。当然了，并不是所有的手机都要用最领先的工艺和最高频的CPU的。不同档次的手机定位不同的使用人群，对主芯片的要求不尽相同，所以会有不同的选择。但对于旗舰产品来说，过硬的性能和能效比是最重要的。说到这里，大家可能也就明白了，为什么不是所有的厂商都能在第一时间采用TSMC 16nm FinFET Plus这样顶尖的制造工艺，不是他们不想，实在是技术能力有限，做不到啊；那么多IP，搞不定啊！

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