图说芯片技术60多年的发展史（七）

10.移动终端对芯片的要求很高，促进了芯片技术创新

移动终端极致地追求轻、薄、短、小，一般把尽可能多的外围接口电路和中央处理器(CPU)集成在一颗芯片中，形成所谓的单芯片系统(SoC)。例如智能手机、智能音箱、

汽车导航仪、智能家电等，都是用SoC芯片来实现。移动终端芯片量大面广，功能复杂，要求尺寸尽可能小和薄，功耗尽可能小，这对芯片的设计、制造和封装提出了很高的要求。先进制造工艺、多核心CPU、低功耗设计、3D制造和堆叠封装等技术，在移动终端芯片上都有极其重要的应用。

图59.一些面向应用的SoC芯片举例

芯片技术按照摩尔定律发展是现实和迫切的需要。每两年不到的时间里，芯片集成度翻倍和性能提升，这是摩尔定律预示的发展规律。而对芯片集成度和功能的提升要求，也是桌面互联网和移动互联网时代对芯片现实和迫切的要求。进入14nm工艺节点以后，光刻机技术难度陡然上升。ASML EUV光刻机的售价达到1.2亿美元，光刻机设备成本占到所有制造设备成本的35%，光刻工序占到所有制造工时的40%左右。光刻工艺成为芯片制造的灵魂技术，光刻机成为了芯片技术的卡脖子装备。

图60.芯片制造工艺沿摩尔定律演进年表(来源：网络图片)

2014年，华为海思推出第一款手机SoC芯片麒麟910。它使用了当时主流的28nmHPM工艺制程，初次在手机SoC芯片市场崭露头角。同年6月，华为海思发布了麒麟920。它全球首次商用LTE Cat.6，采用业界最先进4xA15＋4xA7的八核心SoC异构架构，性能非常强悍，满足了3G向4G转换时期用户对高速上网体验的需求。当年，搭载麒麟920的荣耀6、荣耀6plus、Mate7成为一代神机。

2015年，三星旗舰产品Galaxy S6弃用美国高通的手机芯片，采用了三星半导体自研的猎户座Exynos7420手机芯片。早在2011年2月,三星半导体正式将自家处理器品牌命名为Exynos。它由两个希腊语单词Exypnos和Prasinos组合而成，分别代表“智能”与“环保”之意。Exynos系列处理器主要应用在智能手机和平板电脑等移动终端上。

图61.三星半导体最新的14nm到5nm的移动处理器芯片(来源：三星半导体官网)

2016年，华为海思推出麒麟960。该芯片各方面综合性能均达到业界一流水准，正式跻身行业顶级手机芯片市场。华为海思的手机芯片与高通、苹果形成三足鼎立的之势。搭载麒麟960的Mate 9系列、P10系列、荣耀9、荣耀V9等手机在市场上取得了巨大的成功。2017年，华为海思发布了麒麟970，首次在SoC中集成了人工智能计算平台NPU，开创端侧AI行业先河。

2017年7月长江存储研制成功了国内首颗3D NAND闪存芯片。2018年三季度32层产品实现量产。2019年三季度64层产品实现量产。目前已宣布成功研发出128层3D NAND闪存芯片系列[13]。长江存储3D NAND闪存技术的快速发展，得益于其独创的“把存储阵列(Cell Array)和外围控制电路(Periphery)分开制造，再合并封装在一起”的XtackingTM技术。

图62.长江存储的XtackingTM技术(来源：网络图片)

2019年，华为海思发布了最新一代旗舰手机芯片麒麟990系列，包括麒麟990和麒麟9905G。麒麟990处理器采用台积电二代的7nm工艺制造，最大的亮点在于内置巴龙5000基带，可以实现真正的5G上网。

图63.华为海思手机SoC芯片研发年表(来源：参考资料9)

2020年，美国美光(Micron)176层3D NAND Flash已开始批量生产。它采用了将双88层融合到一起的设计(堆叠512Gbit TLC闪存)。该芯片技术换用了电荷陷阱存储单元的方案，似乎极大地降低了每一层的厚度。目前176层的裸片仅为45μm，与美光的64层浮栅3D NAND相同。16层裸片堆叠式封装的厚度不到1.5 mm，适用于大多数移动/存储卡使用场景[14]。

图64. 美光176层3D NAND Flash结构示意图(来源：由网络图片整理)

2020年10月，华为公司发布了基于5nm工艺制程的手机SoC芯片麒麟9000。该芯片上集成了8个CPU核心、3个NPU核心和24个核心的GPU，采用了5nm的制造工艺，其上集成了153亿个晶体管。它与联发科最强的5G手机芯片天玑2000相比，性能测试的跑分明显占优。

可惜！由于美国多层次对我国芯片产业链的精准打击，封堵了华为高端智能手机芯片的生产渠道，使华为海思设计的高端芯片无法生产，搭载麒麟9000的华为旗舰手机Mate40系列可能成为绝版。

图65. 华为海思最强5G手机芯片麒麟9000 (来源：网络图片)

2020年11月，苹果公司推出了搭载了自研处理器芯片M1的MacBook Air、Pro和mini。M1是一颗8核心的SoC芯片,它基于ARM架构开发，拥有4个高性能的Firestorm CPU核和4个高效率的Icestorm CPU核，以及8核心的GPU。M1采用5nm工艺制作，在大约120mm²的芯片上集成了约160亿只晶体管。

图66.苹果公司自研的Mac电脑处理器芯片Apple M1(来源：网络图片)

苹果公司的电脑处理器共经历了四次CPU架构迁移。第一次是1984年，从Macintosh128k开始，CPU从原来MOS Technology的6502处理器转换到了Motorola的68000处理器；第二次是在1994年，CPU改换为IBMPowerPC处理器；第三次是在2005年，乔布斯宣布采用IntelX86处理器。现在则是第四次，苹果公司抛弃了Intel X86处理器，今后将采用自研的基于ARM架构的处理器[16]。

2020年，国产CPU厂商飞腾公司发布了一款面向服务器应用的多核心CPU芯片——腾云S2500。该芯片采用16nm工艺制造，芯片面积达400mm2，最多可配置64个FTC663架构的CPU核心，主频2.0～2.2GHz，三级缓存64MB，支持八通道DDR4内存，可提供800Gbps带宽的四个直连接口，支持2～8路并行，单系统可提供128～512个CPU核心的配置，热设计功耗为150W。长城、浪潮、同方、曙光、中兴通讯等15家国内厂商也同时发布了各自基于腾云S2500的多路服务器产品，软件生态建设取得了可喜突破。

图67.飞腾公司64核心CPU芯片腾云S2500 (来源：网络图片)

2020年11月，三星半导体发布旗舰级芯片猎户座Exynos1080。它采用5nm的制程工艺，采用ARM最新的CPU架构Cortex-A78，以及最新的GPU架构Mali-G78。这是三星半导体首次在中国发布芯片产品，该款芯片专为中国市场设计，vivo将首发搭载该款芯片的新品。

图68.三星半导体发布旗舰级手机SoC芯片发布会 (来源：网络图片)

2021年6月的华为鸿蒙发布会上，华为消费者业务CEO余承东公布了华为P50系列的消息。因为众所周知的原因，华为没有公布P50系列上市时间。

2021年7月有网文透露，即将发布的华为P50系列将会有三个芯片版本，一个是4G版的美国高通骁龙888 4G芯片版，一个华为海思麒麟9000L 4G芯片版，一个是华为海思麒麟9000 5G芯片版。据说华为P50系列主推的4G版本手机只准备了三百多万的量，而的麒麟9000 5G版本手机则更少，只有三十多万的量。因为有华为鸿蒙系统加持，相信未来销售将供不应求[12]。

图69.预售网站曝光华为P50pro真机图片(来源：网络图片)

在后摩尔时代，先进封装技术接过工艺微缩、FinFET和3D集成技术的接力棒，延续着摩尔定律的生命力。2020年以后，芯片工艺进阶到7nm以下时，设计、制造和封装费用极高。封装技术从2000年发展至今，已较为成熟。许多先进封装已把不少的芯片集成技术和工艺后移到封装中去，继续谱写着微电子和集成电路技术不断追着“微小而强大”的传奇。目前先进封装技术种类多达几十种，芯片封装可以应不同需求灵活选择。

目前主要的先进封装技术包括：WLP、FIWLP、FOWLP、eWLB、CSP、WLCSP、CoW、WoW、FOPLP、InFO、CoWoS、HBM、HMC、Wide-IO、EMIB、Foveros、Co-EMIB、ODI、3D IC、SoIC、X-Cube、SiP等[15]。

图70. 12种当今主流的先进封装技术年表(来源：参考资料15)

图71.几种先进封装技术示意图(来源：参考资料15)

11.回眸60多年发展历史，梳理芯片技术里程碑事件

芯片技术是人类智慧长期积累的结果，但是在关键时刻，一个重要发明和创造可能改变芯片技术发展的走向。并且芯片技术在某一路径上前进的时候，为了满足实际的应用需求，还需要不断进行技术攻关和技术创新，力求克服技术道路上的一道道难关。这些重要的技术发明、创造、和突破都是芯片技术发展的里程碑。

图72.芯片技术发展的里程碑

1833年～1947年晶体管的发明，这114年可看成芯片技术的萌芽期；1947年～1971年微处理器i4004推出，这24年可以看成是芯片技术的初创期；1971年～2007年苹果iPhone推出，这36年可以看成桌面互联网推动芯片技术发展的成长期；2007年～至今15年可以看成移动互联网推动芯片技术发展的成熟期，在这期间，新技术发明和创新层出不穷，但由于事项太多，时间间隔很短，并且大多是公司发明，都是集体智慧的结晶。所以，要梳理出2000年以来的里程碑事件难度很大。另外，2000年以后物联网、5G通信和人工智能也是驱动芯片技术发展的一些主线，本文为了文路清晰，并没有介绍这些方面的事件。

后记：进入二十一世纪，人类处于信息爆炸式增长时代。在芯片技术领域，新的技术创新和重要事件在不同时间、不同地点不断发生，要写好2000年以后的芯片技术发展史较为困难。如果大致把芯片技术发展分为三部曲的话，本文上篇是介绍芯片技术的萌芽期和初创期，本文中篇是芯片技术在桌面互联网驱动下的发展成长期，本文下篇是芯片技术在移动互联网驱动下的发展成熟期。2000年以来，物联网、5G通信和人工智能又为芯片技术和产业注入了新的动能，应用、创新和竞争是芯片技术和产业发展的不竭动力。

参考资料：

1. 电子爱好者，ARM新架构性能提升放缓 未来将聚焦每瓦性能提升，网络：http://www.yidianzixun.com/article/0VoRScSH?appid=s3rd_op398&s=op398， 2021.7.15

2. 歪睿老哥，大话手机处理器-世界上最复杂的芯片，腾讯网：https://mp.weixin.qq.com/s/uIGh1RN3Gb6jvPjYwqEqwQ，2021.7.26

3. felix86，iPhone触摸屏，网络：http://fishnetvip.blog.chinaunix.net/uid-25985452-id-3072972.html，2012.2.14

4. 杭州精显，触摸屏的发展历史，搜狐网：https://www.sohu.com/a/240330869_494129，2018.7.10

5. Herbert今日看科技，深度解读“中国芯”之触控芯片龙头，简书：https://www.jianshu.com/p/9ee1fc674267，2018.7.29

6. 吴子鹏，汇顶科技/AuthenTec/FPC/新思/敦泰等指纹识别厂商如何应对全面屏手机时代？与非网：https://www.eefocus.com/sensor/392785，2017.9.23

7. w我的工程，千亿市值：汇顶科技发展史，个人图书馆：http://www.360doc.com/content/20/1026/13/40520079_942439075.shtml，2020.10.26

8. 贝壳投研，营收八年暴增75倍，汇顶科技到底是怎么做到的？新浪网：https://t.cj.sina.com.cn/articles/view/7437683051/1bb52096b00100wot5?display=0&retcode=0，2021.7.9

9. IoT一线评论员，麒麟990系列芯片背后：九死一生的华为芯片发展史，搜狐网：https://m.sohu.com/a/339835018_100269328/?pvid=000115_3w_a，2019.9.9

10. 芯片制造工艺技术，超详细的集成电路产业链！，搜狐网：https://m.sohu.com/a/275929779_99904561，2018.11.16

11. 乔诺之声，史上销量最高的10款手机，苹果竟然只有一款！，搜狐网：https://www.sohu.com/a/277981578_283333，2018.11.26

12. 张星橙说科技，华为P50系列发布时间确认，8+128G预计4588，麒麟9000L疑似为Pro+，腾讯网：https://new.qq.com/omn/20210706/20210706A0CSHT00.html，2021.7.6

13. 爱集微，长江存储宣布成功研发128层3D NAND Flash芯片系列，电子发烧友：http://www.elecfans.com/d/1286790.html，2020.9.2

14. cnBeta，美光发布第五代3D NAND闪存堆叠达到176层，百度：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1682951127434407581，2020.11.10

15. Suny Li，“先进封装”一文打尽，腾讯网：https://mp.weixin.qq.com/s/2jDl2A1QkFbiho2KQOJ2rw，2021.3.28

16. 天高云淡Andi863，苹果公司弃用Intel CPU自研Mac电脑处理器芯片，引发业界震动和思考！腾讯网：https://mp.weixin.qq.com/s/N0DfKmbeErmNrc4pnEDU3w，2020.11.15

－ The End －

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