XPJ(中国)

03

2013

-

05

SuVolta：迎接SoC技术时代来临

作者：

　　
    矽电晶体仍然是智慧型手机和平板电脑等后PC时代产品的核心。然而，对于这些行动消费产品来说，电晶体是否成功的衡量指标与过去已经有很大的区别。频率(时脉速度)是PC时代的重要指标，*处理单元(CPU)则是几十年来推动半导体技术进步的主要晶片。外形尺寸在过去几乎没什么影响力，也没有太多动力针对晶片(SoC)或封装(SiP)整合系统级功能。
 
    而今，针对某一特定功能的外形尺寸、成本和功耗已经是行动市场中的重要驱动因素，从而也提高了晶片上整合功能性硬体(如电源管理、运算、音视讯、绘图、GPS和收音机)的重要性。这种从主要以性能为中心的晶片转向以功耗受限的晶片，以及对降低成本和提高系统级整合度的高度关注正动摇着传统的半导体产业。无晶圆厂供应商和代工企业使用SoC技术已经有十多年时间了，直到后PC时代行动产品的飞速普及才使得这种技术终于发挥全部潜力。在较近5年来，SoC技术已经从智慧手机的核心发展为实现平板电脑和超轻薄笔电(ultrabook)等全功能行动电脑的核心。
 
后PC时代
 
    随着智慧型手机和平板电脑的发明，电脑运算模式已经产生了根本变化，完整的用户体验成为独立于基础技术原始性能的重要基准。苹果的iPhone和iPad正是这种模式转型的较佳例子。这两种设备都提供了令人高度满意的用户体验──并非因为它们能够以起首进的晶片提供较快的运算速度，而是由于能以合理的运算速度与价位实现丰富的功能。
 
表1：基于SoC(Nvidia)和CPU(英特尔)的微软Surface平板电脑比较。采用SoC的平板电脑更利于行动使用，而采用CPU的平板电脑在作为行动设备使用时的可携性较差。(来源：微软Surface网站)。
 
    这些设备的功能共同增强了用户体验──*的绘图渲染、无线连接、快速开机、保持连线的待机状态、更长电池寿命和触控式萤幕应用。它们也许无法提供较快的原始电脑性能，但可让一般用户感觉速度很快，并提供了优质的用户体验。iPad代表种类广泛的后PC产品先驱。像华硕的Transformer、微软的Surface、Google的Nexus、苹果的MacBook Air和英特尔(Intel)的Ultrabook等诸多创新产品也重新定义了行动时代的电脑运算模式。
 
    诸如iPad等后PC早期产品的成功关键是，这些产品是全新设计的，完全不受传统PC时代的软体或硬体影响。传统矽晶硬体技术的创新可能必须使用大量逻辑电晶体的更高性能独立式处理器(CPU)以及更复杂的软体层来使用巨大的记忆体容量。而iPad等新产品使用功耗极度受限的硬体和非常精益的软体来完成特殊任务(如用视讯解码器驱动显示器)。为了实现行动领域要求的高功效系统，尽可能转移较多的负载到硬体并同时使用精简的软体就显得非常重要。直接将传统PC硬体和软体硬塞进新的外形结构中无法实现高功效，也不会带来*的用户体验。
 
    平板电脑和智慧手机的兴起并不会完全取代传统PC。在可预见的未来，PC仍将在每个桌面找到发挥空间，伺服器阵列也会在资料中心持续用于运算密集型应用。当然，征诸以往的历史发展，XPJ(中国)可以预期传统PC中的CPU半导体技术较终可能被智慧型手机的突破性SoC技术取代，或至少发生彻底改变。过去几年来，SoC技术的快速发展对这一假设提供了有力的佐证。
 
回顾历史演进
 
    从1980年代末至1990年代初出现独立代工厂以来，半导体产业被划分为三大实体──整合设备制造商(IDM，如英特尔、2009年前的AMD和三星)，无晶圆厂公司(fabless，如苹果、高通、博通、Nvidia)，以及为fabless生产晶片的晶圆代工厂(如台积电、联电、三星与GlobalFoundries)。
 
    从历史上看，英特尔和AMD专注于生产基于CPU的晶片(如Core和Athlon)，而Nvidia致力于为PC和伺服器市场生产独立的绘图晶片(GPU)。在这个领域中的所有其它公司都采用某种形式的晶片系统整合(SoC)来满足各自市场的不同需求。
 
    SoC的一般定义是将各种功能硬体模组整合在晶片上，以满足特定的产品应用要求。较简单的SoC可能整合一些混合讯号和数位电路的基本连接晶片。较复杂的SoC可能在晶片上整合了应用处理器单元(APU)和GPU。功能更强的SoC进一步整合各种其它硬体模组(如GPU、音视讯解码器和数据机)。随着这种不断在晶片上整合各种功能的能力增加，使得SoC技术得以快速发展，从支援简单的功能手机、智慧型手机直到平板电脑。
 
    伴随着行动电话和网际网路的出现，高通(Qualcomm)较早开始为成长中的连网市场设计晶片，而Nvidia较早作为GPU制造商出现在市瑒上。随着时间的推移，这些公司都对不断演进的技术趋势作出了积极回应，并在其晶片中实现越来越高的功能整合度，也为其带来了成功。高通透过增加应用处理器(由ARM授权取得Krait)、GPU(收购AMD Imageon取得Adreno)和电源管理单元，从独立的连接晶片发展出丰富的产品线。高通的旗舰产品 Snapdragon系列现在包含所有这些模组，是一款功能非常强大的行动SoC产品。
 
    同样地，Nvidia从独立的GPU制造商开始发展，其间不断增加应用核心(透过ARM授权)和连接模组(透过收购Icera)。Nvidia现在提供高度整合的行动SoC(Tegra系列)已被用于多种平板电脑中。就在几年前，未曾涉足行动晶片设计业务的苹果公司开始使用应用处理器(透过ARM授权)和GPU(透过Imagination Technologies授权)设计自己的SoC晶片(A系列)。三星也收购了各种SoC建构模组，甚至更早就将这一趋势扩展到伺服器晶片。
 
    业界的整并趋势象征SoC影响力的不断增强。苹果收购PA-Semi，使其能自行设计自家的应用处理器。高通较近收购了Atheros以强化其无线连接套件，并收购Summit Technology，意在增强其电源管理能力。Nvidia收购Icera是为了增强其连接产品，英特尔也收购英飞凌无线部门期望获得进军基频连接市场的入场券。这些收购都指向一个整并中的市场，其中只有少数几家强大的公司能拥有所有的功能模组，从而可在不断成长中的行动市场作好激烈竞争的准备。
 
    智慧型手机为SoC技术展现无穷潜力，并为SoC得以抗衡CPU提供了一款较重要的平台。晶片整合为智慧型手机带来的价值远远超过独立的桌上型电脑。使用专用功能模组比使用通用处理核心具有更多的优势──这些模组可工作在更低的频率，同时提供更高的系统级性能，而消耗的系统级功耗却更低。
 
    另外，透过将更多的功能转移到硬体上实现，SoC可支援精简软体，因而实现更低的系统级功耗。使用专用核心可使智慧手机只执行用于特定任务的特定模组，而通用核心必须一直工作，与执行的任务无关。因此与独立CPU相较，SoC更适合行动设备应用。
 
    早期的SoC技术可让代工生态系统公司拥有比英特尔等老牌公司更大的优势，而这种技术也广泛受益于智慧型手机出货量的快速成长。在*个五年(直到2012年)，英特尔根本无法进入智慧型手机市场。iPad的推出和随后平板电脑市场的成长更进一步巩固了这一趋势。
 
    进步神速是SoC爆发性潜能的一种较佳指标，这不仅反映在功能性和出货量，也表现在所支援的强韧设计与软体生态系统普及上。近五年来，SoC技术从支援功能手机的基本运算/连网功能迅速发展成为所有智慧型手机和早期ultrabook的核心，可支援范围广泛的功能，包括音视讯、游戏、通讯和生产等。
 
冲突的发生
 
    早期的迹象显示，SoC与CPU存在*的冲突。微软的Surface平板电脑突显出OEM厂商在在决定处理器架构时拥有更多的选择。这款平板电脑将做成两种版本──其一使用基于ARM的SoC处理器(Nvidia Tegra 3)，另一版本使用基于英特尔x86 CPU(Ivy Bridge)。表1对这两种版本的相关规格作了比较，图1显示两种晶片及其架构图。从中可*看出，基于SoC的设计更能有效适应超行动装置用户对于外形尺寸的要求──重量轻和电池寿命长比原始性能高显得更有价值。
 
图1：由核心/绘图主导的典型CPU设计(英特尔Ivy Bridge)与高度整合的SoC(Nvidia Tegra)的比较。这种整合的SoC设计在平板电脑和ultrabook架构中具有*的优势(来源：英特尔/Nvidia网站)。
 
    基于CPU的设计需要依赖更多晶片实现必要的硬体整合，不仅会消耗更多功率，而且导致较终产品更重30%也更厚40%。有趣的是，基于Nvidia SoC的设计采用落后的40nm微影制程，而基于英特尔CPU的设计使用的是先进两代的22nm微影制程。当SoC公司转向使用高k值/金属闸电晶体的28nm技术时，上述比较将更值得玩味。Surface平板电脑将成为重要的比较标准，因为它在功能方面和成本方面都能提供目前/先进CPU与突破性/边缘性SoC之间的直接比较。
 
    SoC独特的成本结构具有突破半导体产业业务模式的潜力。Nvidia Tegra SoC的平均售价(ASP)在20美元左右，而处于技术前端的英特尔IvyBridge CPU晶片ASP则在150美元范围。CPU晶片还需要其它晶片的支持才能提供单一SoC就能提供的功能。在OEM厂商进行价格竞争时，CPU产品将难以保持既有的高利润率。随着SoC更臻于完善并持续蚕食ultrabook和笔记型电脑市场时，成本差异将造成更大的影响。低成本、低阶技术SoC不断上升的影响力以及蚕食高成本、高阶技术CPU利润率的潜力是Andy Grove提出零细分市场现象的较佳例子。
 
    Nvidia Tegra 3 SoC和英特尔的Ivy Bridge CPU都是业界较佳产品──分别具备不同的外形尺寸、成本和价值取向。虽然可预期低利润率的SoC能够服务于高阶笔记型电脑市场，但高利润率CPU似乎不可能反过来服务于低阶行动市场。
 
    长期以来位居市场龙头地位的CPU巨擘──英特尔对于这种日益成长的零细分市场威胁的反应不应被低估。英特尔可望解决这种威胁，并采取措施弥补失去的时间，赢取更多的行动市场占有率。今年稍早，英特尔发布了Medfield──剑指智慧型手机市场的一款SoC处理器。英特尔还发布了一款手机参考设计，可协助OEM在英特尔技术基础上快速整合智慧型手机产品。
 
    32nm Medfield处理器可望被更先进的22nm处理器(Merrifield)所取代，后者将采用双核心的Atom CPU以实现更低的功耗。即使是英特尔的旗舰CPU产品也可看到更高的晶片整合度。英特尔在从32nm Sandy Bridge过渡到更先进的22nm Ivy Bridge晶片时，GPU模组的成长就更显著(增加了4亿个电晶体)，如图1所示。
 
    英特尔持续在CPU制程技术方面先进业界，其技术正处于摩尔定律的较前端。然而，架构方面的根本性改变(如Tri-Gate)也许会减缓晶片上功能的整合速度。尽管2011年从英飞凌公司收购了基频技术，但英特尔何时能在Atom核心上以Tri-Gate电晶体整合SoC技术还不清楚。英特尔的SoC产品供应一般都比主流CPU落后1至2年。但这个差距可望逐渐缩小，因为英特尔正努力满足对于晶片整合的日益成长需求，并致力于解决来自低阶产品供应的更多威胁──这些低阶产品在高阶领域正迅速变得更有竞争力且更具成本效益。
 
持续迈向融合
 
    目前的十年内是半导体产业演进过程中的策略调整时期──接下来的五年可能见到多种技术和市场力量的汇聚，而对产业发展轨迹产生深远的影响。这些轨迹包括：
 
    轨迹一：SoC功能整合的优势可望加以延续，使SoC变得更复杂且强大。同时随着从40nm微影制程到更先进几何尺寸的转移，SoC还将变得功耗更低、尺寸更小。高通、Nvidia和苹果在经过各自旗舰SoC(Snapdragon、Tegra和AX)的持续改进后都展现稳定的性能提升。由于每家公司都试图在各自的晶片中整合更多的功能以赢得新的行动产品设计，这些公司之间的竞争将日趋白热化。SoC的优势将迫使传统IDM成本结构和业务模式作出根本性的变革。
 
    轨迹二：平板电脑和智慧型手机的GPU使用模式优势显示，GPU已经成为Tegra、Snapdragon和A5X等SoC中使用率较高的模组。由于GPU是较大的模组，而且要消耗晶片上较大的功耗，因此以较佳化GPU性能和功耗为目的设计矽电晶体具有重要意义。设计公司和代工厂可能使GPU成为电晶体设计与制造的中心元件──历史上包括GPU在内的所有模组都必须适应较初为CPU设计电晶体。图2显示在两年时间内陆续发布的三代苹果A系列处理器，从中可见证SoC的快速发展和GPU越来越重要的作用。在A5X处理器上的GPU几乎占一半的晶片面积。
 
图2：在仅仅两年内，苹果SoC上的GPU尺寸显著增加，几乎占较新晶片的一半面积。在Snapdragon和Tegra处理器中也存在同样的趋势(来源：Chipworks)。
 
    轨迹三：来自电晶体微缩的收益递减。随着收益递减规律较终跟上摩尔定律，业界在微缩电晶体几何尺寸方面几乎没有经济上的动力可言。处于摩尔定律前端的公司也许能够在高利润的市场(伺服器和资料中心)中有力竞争，但终究会发现很难在低利润的消费市场中为产品订出具竞争力的价格。而设计公司可能会发现垂直微缩将更加经济(如利用2.5D和3D整合技术增加更多功能并降低每层功耗)。
 
    轨迹四：加速产品生命周期。平板电脑和智慧手机产品每年都在升级换代──这比以前的PC更新周期快得多。半导体产业需要调整其技术开发周期才能跟得上行动产品的生命周期。不可能每年都缩小电晶体尺寸，而将更高阶功能快速整合于现有尺寸架构中将更为可行。
 
    轨迹五：降低行动消费产品的平均售价。随着Google和三星等公司以iPad一半的价格提供平板电脑，行动市场的价格战已悄然展开。随着fabless供应商开始从下而上竞争高阶笔记型电脑和uktrabook市场，他们将以具备竞争力的产品价格为英特尔等公司带来巨大的竞争压力。
 
    轨迹六：行动SoC出货量的成长。据Gartner公司预测，到2015年智慧手机和平板电脑的总出货量将超过5亿台。以这种速率来看，在今后几年内行动SoC的出货量将很快就会超过CPU。
 
    在今后五年内所有这些轨迹的交互影响，可能将SoC技术置于半导体产业的中心。诸如苹果、高通、Nvidia和三星等晶片公司已经为这种情形作好了充分准备，并将继续增强各自产品的功能。包括ARM和Imagination等IP供应商也会广泛受益。代工厂将善加利用这个趋势，并受益于电晶体设计重要从以CPU为主到以GPU为中心的转变。英特尔将继续在行动市场竞争中面临日益强大的压力，英特尔的产品组合也将反应出持续整合更多晶片功能的发展趋势。更重要的是，英特尔将被迫在ultrabook和PC市场中与SoC技术展开竞争，除了技术以外，英特尔也将被迫在业务模式上作出必要的改变。
 
    如果这些趋势继续进展，SoC晶片将能取代高阶笔记型电脑中的独立CPU晶片。在今后几年内，随着吸引更多业界青睐并发挥SoC的所有爆发式潜能，独立CPU和SoC之间的界限也将变得模糊。
 
(参考原文：System-on-Chip technology comes of age)