SOC芯片是什么（为啥说SoC的性能取决于架构和工艺）

PC（包含台式机、笔记本、一体电脑、二合一设备等）和移动设备（智能手机、Android和iOS系统的平板电脑）的“心脏”都是一颗芯片，但它们却有着本质上的不同，从而让这两种类型的计算设备走向了迥异的发展道路。

本图仅供参考，手机芯片的尺寸远小于PC芯片

架构和指令集的天赋属性

虽然如今手机性能越来越强，但我们依旧不能指望它们可以取代PC，在3D游戏和很多专业设计领域，二者的表现依旧有着云泥之别。

究其原因，就是两类计算设备的“心脏”采用了不同的架构和指令集，各自存在“先天不足”。

ARM和X86架构

首先我们需要知道，手机处理器几乎都是“ARM架构”，而PC处理器则都多以“X86架构”为主。

但在某些领域和特殊时期，ARM和X86存在“跨界”的行为。比如英特尔就曾推出过手机专用的X86架构处理器（如Atom Z2580），而现在很多主打能效比的服务器也改用了ARM架构处理器。

RISC和CISC指令集

ARM架构处理器源于“RISC”（精简指令集），其最适合针对常用的命令进行优化，赋予它更简洁和高效的执行环境，对不常用的功能则通过各种精简指令组合起来完成。

RISC将复杂度交给了编译器，牺牲了程序大小和指令带宽，从而换取了简单和低功耗的硬件实现。

X86架构处理器源于“CISC”（复杂指令集），其适合更加复杂的应用环境。CISC是以增加处理器本身复杂度作为代价，以牺牲功耗为代价去换取更高的性能。

不过，X86架构则可通过对新型指令集的支持（如SSE4.1、AVX-512等），提高指定任务的执行效率和降低功耗。

换句话说，RISC拥有高效率、低能耗的先天优势，与智能手机、平板电脑这种主打能效比的计算设备完美契合，如果用于PC虽然可以延长续航时间，但在性能、兼容性和专业软件的运行效率上会大打折扣。

目前搭载ARM架构骁龙移动平台Windows设备的口碑并不理想

CISC虽然拥有高性能的天赋，但它同时也具备高功耗的先天缺陷，像智能手机这样的“小身板”很难驾驭它的发热和耗电。

搭载X86架构Atom Z2580芯片的联想K900手机，兼容性、发热和续航表现同样不佳

如果你想了解更多有关RISC和CISC指令集的知识，请参考《A12X和骁龙855这么强 ARM真的可以取代X86吗？》这篇文章。

RISC-V架构强势出击

为了打破X86架构的垄断和ARM架构极高授权费用的问题，在RISC指令集的基础上还出现了名为“RISC-V”的全新指令集架构。

和同宗的“ARM”架构相比，RISC-V最大的特点就是免费和开放，它可以自由地被用于任何目的、任何人设计、制造和销售基于RISC-V的芯片或软件。

这种开放性，在处理器领域是彻底的第一次。

可惜，RISC-V架构的生态还在建设和完善之中，目前它主要被用于嵌入式芯片领域，比如西部数据、高通、英伟达、阿里巴巴、三星等巨头就都已经加盟RISC-V架构，用于硬盘主控、GPU显存控制器、移动SoC、AI加速器以及5G RF射频前端模组的毫米波射频处理等不同领域。

西部数据开发的基于RISC-V指令集的自主通用架构SweRV处理器

有消息称，以RISC-V现在的发展速度，2022年就有机会与ARM争夺高通、苹果、三星、联发科等手机处理器客户，2025年有望挥师服务器市场。

不是所有处理器都是SoC

家用PC和智能手机都只有一颗“心脏”，但在前者口中这颗芯片就是“处理器”，但在后者口中却总强调这是一颗“SoC”。

那么，处理器和SoC到底有什么区别？

PC领域的处理器

在PC领域，酷睿i5-9400F、锐龙5-3600这些芯片都是单纯的“CPU”（中央处理器），因为它们在PCB基板上只集成了唯一的CPU核心。

但是，在以笔记本为代表的低功耗领域，处理器们正逐渐向SoC转型，将CPU、GPU、内存控制器和PCIe控制器等单元全部整合在一颗芯片或一块基板上。

集成了CPU/GPU和芯片组的第十代酷睿处理器

CFan曾在《胶水多核等于Low？处理器封装没有那么简单！》一文中介绍过英特尔最新的基于Foveros 3D封装技术打造的Lakefield处理器，这颗芯片在一枚硬币大小的面积内就集成了1颗Sunny Cove架构的大核CPU、4颗Tremont架构的小核CPU、Gen 11代的GPU核显，同时还将不同的IP单元整合在了一起。

换句话说，Lakefield完美实现了X86架构芯片从处理器到SoC的华丽转型，这意味着今后部分笔记本（包括二合一设备）所搭载的芯片也不再是单纯的CPU了。

手机平台的SoC

每一颗手机“心脏”的集成度都不逊于Lakefield，所以手机搭载的处理器芯片都是一个完整的SoC（System on Chip，片上系统），在一颗芯片内包含中央处理器（CPU）、图形处理单元（GPU）、图像处理单元（ISP）、数字信号处理器（DSP）、神经处理单元（NPU）、调制解调器（Modem）等功能模块。

SoC的单芯片设计可以最大限度节省主板布局，帮助设备瘦身，提升各个IP单元的交流速度，还能显著降低整体功耗。

制程工艺决定战斗力

和PC领域的处理器相同，智能手机专用的SoC也是由一整块晶圆上切割而来，它的性能潜力与制程工艺息息相关。

一颗SoC，它选用的制程工艺越先进，往往意味着可以解锁更高主频、发热量更低、功耗更低、不易降频，运行更强更稳定。

工艺的迭代更新

制程工艺的单位为“nm”（纳米），“理论上”数字越小越先进，比如7nm就比8nm强，12nm优于16nm。

目前，除了联发科Helio P65、P90和G90等少数芯片以外，其他最新上市的SoC都已经跨过了10nm工艺的门槛，整体能效比较14nm和16nm的前辈们有了明显的提升。

工艺数字背后存秘密

无论是英特尔和台积电，还是三星或格罗方德，不同晶圆代工厂都有着一套制程工艺的定制标准，相同的工艺在鳍片间距、栅极间距、最小金属间距、逻辑单元高度、逻辑晶体管密度等指标上可能存在极大的差距。

比如，英特尔14nm工艺在上述指标就都比三星和台积电的10nm还先进，而当年台积电16nm的口碑比三星14nm还要好。

制程工艺在进行10nm→7nm这种大版本升级之余，每隔一段时间也会对现有工艺进行小幅革新。

比如台积电16nm工艺就曾衍生出第一代FinFET（16nm FF）、第二代FinFET Plus（16nm FF ）和第三代16nm FinFET Compact（16nm FFC），三星则习惯用第一代Low Power Early（LPE）、第二代Low Power Plus（LPP）、第三代Low Power Compac（LPC）和第四代Low Power Ultimate（LPU）加以区别。

如果你想了解EUV极紫外光刻对工艺性能的影响，请参考《“芯”希望来自新工艺！EUV和GAAFET技术是个什么鬼？》这篇文章。

来自未来的预期

在首发7nm EUV工艺之后，台积电最新的6nm和5nm制程工艺也做好了量产前的准备，前者属于过渡性能的工艺，大家简单了解一下即可，而后者则是未来1~2年内最重要的制程节点，还会被台积电细分为5nm（N5）和5nm （N5 ）。

其中，今年就会有基于5nm工艺的芯片量产，比如苹果A14/A14X、华为麒麟1000及网络处理器。

2021年，苹果A15、华为麒麟1100、AMD Zen 4/RDNA3、骁龙875 X60 5G基带和联发科天玑2000等也将加入进来。据悉，相较于第一代7nm DUV，基于Cortex A72核心的全新5nm芯片能够提供1.8倍的逻辑密度、速度增快15%，或者功耗降低30%，同样制程的SRAM也十分优异且面积缩减。

三星在量产10nm LPP工艺之后跳过了第一代7nm DUV，直接启动最新的7nm EUV工艺。2020年往后，三星还会陆续导入6nm LPP、5nm LPE和4nm LPE，并于3nm节点开始引入闸极全环场效晶体管（GAAFET）来取代现有的FinFET（鳍式场效应晶体管）。

再过一段时间，ARM将正式发布下一代基于精简指令集架构定制的旗舰级CPU内核Cortex-A78，以及下一代GPU内核Mali-G78，当它们与5nm工艺结合后，将带来前所未有的综合性能改善。而麒麟1000系列应该是首款将上述元素集于一身的SoC，并有望在9月份发布，10月份随Mate 40系列量产。

届时，通过麒麟1000与现有的骁龙865等旗舰SoC的评测对比，我们就能更加直观了解下一世代的SoC的性能底蕴了。

那么你期待吗？

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