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抢跑5G时代，解析华为麒麟990和三星Exynos 980

百家作者：微型计算机 2019-10-06 14:03:37

进入到2019年下半年，5G手机上下游竞争变得异常激烈起来。除了各大手机厂商争相发布5G手机之外，5G芯片厂商也没闲着，刚刚发布的华为麒麟990 5G芯片和三星Exynos980 5G芯片就异常吸引眼球。华为麒麟990定位旗舰，三星Exynos980面向中端，但都集成5G基带，下面就让我们一起了解一下两款5G芯片实际带来的提升与技术更新。

华为麒麟990

5G基带：从外挂到集成

相对于过去的SoC，麒麟990 5G版芯片最大的亮点就是集成5G基带，而不是简单地封装到一起，通信模块和CPU、GPU共享着内存，功耗更低，数据传输速率更快。在5G通信方面，麒麟990 5G版芯片采用NSA/SA双组网方式，向下支持TDD/FDD全频段，充分应对不同网络、不同组网方式下对手机芯片的硬件需求，不但适用于现阶段4G到5G过渡时期，还适用于之后的单5G时期。下行峰值速率达到了2.3Gbps，上行峰值速度达到了1.25Gbps，可以实现无缝加载视频、数秒下载1GB大小文件、畅快网络云游戏等功能。针对外场通信环境的挑战，麒麟990 5G采用带宽分配技术（BWP技术），在轻负载数据下功耗可下降44%，比其他方案功耗优化高了20%。

▲集成5G基带，下行峰值速率达到了2.3Gbps，上行峰值速度达到了1.25Gbps。

同时，针对两个重点场景——高速移动和5G信号覆盖弱的区域，麒麟990 5G版芯片利用AI技术进行了深度优化。针对高速移动的使用场景，它基于机器学习技术采用自适应的信号接收机制，加强波形束缚，利用机器学习技术进行信道匹配，让手机在移动过程中，自动选择最佳的5G信道。

余承东表示，这一技术在实际测试（每小时120公里的运动速率）中，5G下行速率可以提升19%。针对5G信号分布较弱的区域，对于上行速度要求比较高，麒麟990 5G版芯片采用了智能上行分流设计。在接入网NR上行资源受限时，上行速率仍可以提升5.8倍。

CPU：旧架构新工艺

为了控制芯片尺寸，集成5G基带的麒麟990 5G版芯片使用台积电7nm+EUV制程工艺，是业内目前晶体管数最多、功能最完整、复杂度最高的5G SOC芯片。EUV（Extreme Ultraviolet Lithography）又称极紫外光刻，是一种采用13.5nm长的极紫外光作为光源的光刻技术。相比于现在主流光刻机用的193nm光源（DUV技术），新的EUV光源能给硅片刻下更小的沟道，从而能实现在芯片上集成更多的晶体管，进而提高芯片性能。

随着半导体工艺的发展，芯片晶体管的面积和密度越来越接近物理极限，DUV技术在制造芯片时会产生严重的衍射现象，难以推进制程工艺的进步，因此EUV技术就成为突破这一瓶颈的关键。

资料显示，麒麟990 5G版芯片的面积超过100mm²，高于麒麟980（台积电7nm）的74.13mm²和麒麟970（台积电10nm）的96.72mm²，可能成为华为迄今为止面积最大的手机处理器。相较于单一采用7nm工艺，晶体管密度提升了18%，能效提升10%，晶体管数量也达到了103亿之多，与此前的麒麟980相比晶体管增加44亿个，可见新工艺带来的芯片面积减小相当可观。拥有极小“身材”的麒麟990 5G版芯片相较于外挂基带方案，可以在设计上为其他部件腾出更多的位置，提升能效之余，也能为增添更多的手机功能埋下伏笔。

▲基于7nm+EUV制程工艺，晶体管密度更高，数量达到了103亿之多。

性能方面，麒麟990 5G版芯片依然保留依然保留麒麟980上的2大核+2中核+4小核配置，其中2颗大核为2.86GHz Cortex-A76，较上一代麒麟980提升了12%；2颗中核为2.36GHz Cortox-A76，较麒麟980提升了35%；4颗小核为1.95GHz Cortex-A55，较麒麟980提升了15%。所有四个A76内核都具有512KB L2缓存，而A55内核各为128KB。从技术上讲，麒麟990 5G版芯片采用的A76内核针对缓存系统进行一系列增强，改善内存延迟，是“基于A76”的强化版。

▲采用2大核+2中核+4小核配置，性能跨越升级。

▲麒麟990系列SoC架构和主要技术

5G到来后，除了对核心CPU处理器的要求提升之外，还对手机存储速度有了更高的要求。于2018年1月30日发布的超高速闪存UFS 3.0是迄今为止最新的存储标准，采用双通道设计，可以最高达到23.2Gbps的传输带宽，能够更好地适应5G网络的速度。

从公开的测试数据来看，UFS 3.0 闪存（512GB容量）的顺序读取速度可高达2100MB/s、写入速度高达410MB/s，随机读速63K IOPS、写速68K IOPS，较UFS 2.1（1TB）分别提升了1.1 倍、0.58 倍、0.09 倍和 0.36 倍。除了能使信息、资料以更快速度读取和写入，UFS 3.0 的功耗也更低。麒麟990支持UFS 3.0和UFS 2.1存储标准，也就是说未来搭载该款芯片的旗舰级手机将会优先支持UFS 3.0闪存，平常无论是安装软件还是读取文件相较于过去的UFS 2.1都会变得更加快速。

进入2019年，ARM公司发布了最新的A77架构，较A76架构的性能提升非常可观。为什么今年发布的麒麟990 5G版芯片没有采用新的架构？华为表示虽然A77达到了更高的峰值性能，但A77和A76在7nm上的功率效率实际上不相上下。实际上，A76在7nm工艺上的技术更成熟，核心频率可以达到更高，而A77有待制程工艺的进一步提升，才能减少因性能提升而带来的能耗。

GPU+NPU：升级架构 AI性能翻倍

在图形处理方面，GPU比处理器性能更重要，是直接决定手机能否流畅运行大型游戏的关键因素。决定GPU表现的参数则跟处理器相似，架构和运算单元数量决定其性能。麒麟990 5G芯片采用和麒麟980一样的ARM Mali-G76架构，但核心数从10升级为16核。在核心数大幅度增加下，麒麟990的图像处理能力也有了大幅度提升，性能提升6%，能效提升20%。

为了更加有效提升GPU能效，麒麟990 5G版芯片采用了Smart Cache分流技术，显著提升GPU资源配置，带宽需求降低15%，DDR（Double Data Rate，双倍速率）内存功耗降低12%。同时，麒麟990 5G版芯片对调节资源配置做了优化，升级了全新的AI调频调度技术，从动态出发感知性能瓶颈，并且对原来的Kirin Gaming+做了大幅的升级优化，建立更为科学的性能功耗模型，促进游戏帧率更为稳定，每一帧调频准确率提升30%。

▲采用了Smart Cache分流技术，显著提升GPU资源配置。

华为在发布会上展示了《和平精英》游戏过程中的效果视频，可以看到在游戏过程中的性能功耗较比较机型更低，帧率基本保持在59~60fps之间，波动率并不大。

在AI性能上，麒麟990 5G版芯片相比于上一代也有了重大升级。华为将此次发布会定义为“重构”，其中非常重要的一点就是在NPU上。麒麟990 5G版芯片的NPU架构采用了华为自研的达芬奇架构，内部细分为诸多单元，包括核心的3D Cube、Vector向量计算单元、Scalar标量计算单元等，它们各自负责不同的运算任务实现并行化计算模型，共同保障AI计算的高效处理。

达芬奇架构以3D Cube的矩阵运算为基础，引入Vector向量计算单元作灵活的调整，针对矩阵运算进行加速，可以大幅提高单位面积下的AI算力。麒麟990 5G版芯片的3D Cube的立体阵列达到16×16×16，与目前主流的具备NPU架构的芯片相比较，能效最高多达8倍，性能最高多达6倍。和麒麟980和麒麟970的寒武纪NPU不同，麒麟990 5G版芯片采用了两个大核NPU+1个微核NPU设计，微核能在大多数场景下充当替代大核的角色，减少因算力提升导致的功耗大幅增加的问题。

▲达芬奇架构具有16×16×16的3D Cube立体阵列

此外，麒麟990 5G版芯片支持华为HiAI开放架构2.0、支持谷歌Tenorflow、Android NN。在全新的架构模式下，麒麟990 5G版芯片支持300多个算子，比上一代的麒麟980多了近100个。支持90%的视觉计算神经网络，涵盖了目前所有开源的网络模型，比如VGG、Resnet、VDSR、Deeplab等。

在AI算力的大幅度提升下，麒麟990 5G版芯片不仅对识别场景、AI算法、资源配置大有裨益，在实时视频场景下也能发挥大用处。在开视频的情况下，可以实时针对视频中的人、不同物体进行识别和分割。发布会上的Demo显示，用户可以实时改变视频背景，可以将多人中的一个人放到屏幕另一边，或者随意进行缩小和放大，而这些都是在实时状态下实现的。

ISP：自研技术双重降噪

除了CPU、GPU之外，SoC芯片往往还集成了ISP（图像传感处理器）和DSP（图像处理器芯片）。麒麟990 5G版芯片搭载了海思最新研究出来的ISP（Image Signal Processing，意为图像信号处理）5.0技术，吞吐率提升15%，能效提升15%。加入单反级BM3D图像降噪技术和双域联合视频降噪技术，照片降噪能力也提升了30%，视频降噪能力提升了20%。

单反级BM3D图像降噪技术先把图像分成一定大小的块，根据图像块之间的相似性，把具有相似结构的二维图像块组合在一起形成三维数组，然后用联合滤波的方法对这些三维数组进行处理。最后，通过逆变换，把处理后的结果返回到原图像中，从而得到去噪后的图像。通过发布会展示的样张对比来看，拍摄同一场景下，放大同一个蓝色毛线球可以清晰地看到麒麟990 5G版芯片在图像细节处理上要比麒麟980好上不少，缠绕着的毛线条条可见。

▲单反级BM3D图像降噪技术在图像降噪上的表现相较于上一代麒麟980芯片更为出色

在视频拍摄方面，画面中的噪声主要来自两个维度：空间域和时域。视频中的噪声在空间域上的表现就是同一时刻不同位置上出现的噪声，在时域上的表现就是同一位置噪声不停闪烁。麒麟990 5G版芯片在空间域的基础上叠加了频域，然后再和时域进行结合，对视频内的降噪处理也有出色表现。

▲双域联合视频降噪技术有效去除视频画面上的杂色

放大样张来看，麒麟990 5G版芯片在去除杂色方面十分到位，反观对比样张，原本一色不染的河沾染上了斑斑红迹，由此可见在视频拍摄处理上麒麟990 5G版芯片更胜一筹。麒麟990 5G版芯片的ISP配合AI算力，甚至可以仅通过实时动态面部图像来读取用户的心率。

三星Exynos 980

9月4日，三星发布5G处理器Exynos980。核心规格方面，Exynos 980采用8nm FinFET制程工艺，集成2颗2.2GHz Cortex-A77大核和4颗1.8GHz Cortex-A55效能核心，配备Mali-G76 MP5 GPU，内置NPU，支持LPDDR4X RAM和UFS 2.1闪存。

在架构和制程工艺上，三星Exynos 980没有过多的亮点，最大的卖点是集成5G基带，兼容NSA和SA两种5G组网方式，将5G通信调制解调器与高性能移动AP(Application Processor)合二为一，实现了超高速数据通信。

▲三星Exynos 980技术规格一览

根据官方数据，三星Exynos 980支持在5G通信环境下即6GHz以下频段，实现最高2.55Gbps的数据通信；在4G通信环境下，支持LTE Cat.16下行（5载波1Gbps）和LTE Cat.18上行（双载波200Mbps），最高可实现1.6Gbps的速度。4G-5G双连接（E-UTRA-NR Dual Connectivity）状态下，下载速度每秒最高可达3.55Gb，同时支持Wi-Fi 6，让消费者更迅速、更稳定地享受高清影像等大流量的流媒体服务。

与此同时，三星Exynos 980的人工智能计算性能也得到优化。它内置高性能NPU，人工智能计算性能比上代提高约2.7倍。计算性能提升后，Exynos 980可根据用户的设置为数据自动分流，实现内容过滤功能，还能快速处理连接虚拟与现实的混合现实（Mixed Reality）、智能相机等大容量数据，可适用于多种不同的环境。和依靠和云盘服务交换数据来实现的现有的人工智能计算不同，三星Exynos 980实现可自主计算的终端侧人工智能(On-Device AI)，这样一来便具备了保护用户个人信息的优势。

在手机拍摄方面，三星Exynos 980内置高性能ISP，最高支持1.08亿像素独立摄像头或双2000万像素镜头，最多可连接5个图像传感器，并支持3个传感器同时驱动，适配移动设备多摄像头的发展趋势。内置多格局编解码器（MFC），支持每秒120帧的4K超高清视频编码和解码，支持HDR10动态映射。综合ISP和NPU的强悍性能，三星Exynos 980可识别拍摄物体的形态、周围环境等，自动调节至最佳值。

面向5G，SoC会怎么发展？

近来，包括华为、vivo、三星、OPPO等手机企业在5G手机上的“军备”竞赛正式开始，5G芯片成为最关键的一环。截至今日，国内市场上可以购买到的5G手机已有多款，其中一款搭载华为5G芯片，其余大多搭载高通芯片。相较于当前5G手机普遍采用的外挂基带方案，更高集成度的SoC芯片不仅可以减少功耗和发热，还会降低对手机内部元器件空间的侵占，这被看作是5G普及的重要一步。今后，移动SoC芯片会有哪些趋势呢？

外挂5G基带将退场

除了刚刚发布的华为麒麟990和三星Exynos 980，联发科也宣布开始送样旗下首款集成5G基带的SoC M70，采用7nm工艺，CPU大核同样是Cortex A77，GPU为Mali G77，5G下行最快速度可达到4.7Gbps。过去，各大厂商通过采用处理器搭配5G基带芯片外挂的设计，抢先进入5G商用阶段，但这种方式在成本和效果上依旧存在弊端。

集成5G基带芯片的出现，对5G商用进程来说无疑是一大重要突破。华为、高通、三星、联发科这四家厂商的5G SoC量产商用将会集中在今年年底至明年第一季度中，届时外挂5G基带的手机将会完成自己的历史使命，逐渐退出5G手机市场。

▲三星和vivo宣布达成合作，vivo搭载三星Exynos 980处理器的手机将于今年年内上市。

向5nm工艺进发

在集成度更高的SoC芯片上，为了控制芯片尺寸，需要使用更先进的制程工艺。目前，7nm制程代表芯片市场的旗舰水准，5nm制程工艺将会是各家企业全力进军的下一个高峰。三星已在4月宣布完成5nm芯片研发，并称将于明年量产；代工巨头台积电也表示将于明年量产5nm芯片。

根据台积电资料显示，和7nm制程工艺相比，采用5nm制程工艺的芯片能够提供1.8倍的逻辑密度，性能提升15%，芯片面积缩小15%。这其中，EUV极紫外光刻技术是5nm制程关键技术。目前，台积电的5nm EUV工艺已开始风险性试产，量产则有望在2020年第二季度开始，正好满足集成5G基带的SoC芯片。

▲EUV光刻机成了制约5G发展的重要因素，先进制程工艺的芯片生产难度更高。

更快的RAM和ROM

5G网络的直接优势是网速更快，网速提升带来的是硬件需求提高，LPDDR5 RAM和UFS 3.0 ROM将会成为5G旗舰智能机将要占领的技术制高点。具体来说，LPDDR5的速度将达到6400Mbps，比LPDDR4翻番，比LPDDR4X（4266Mbps）提升50%。按照IC厂商Synopsys透露的，LPDDR5将引入WCK差分时钟，类似于GDDR5，从而在不增加引脚的情况下提升频率。

此外，LPDDR5还将引入Link ECC，具备从传输错误中恢复数据的能力。考虑到手机的续航能力，LPDD5在降低功耗方面也做了更细致的工作，虽然电压相较于LPDDR4X未变，但是闲置状态下的电流将减少40%。另一方面，全新UFS 3.0将取代现在的UFS 2.1接口，为闪存提供翻倍的读写性能（2000MB/s）。

▲三星电子开始量产最新的12Gb（单颗容量为1.5GB）的LPDDR5内存颗粒，针对5G与AI进行优化，速度达到5500MB/s。

UFS3.0闪存的标准电压为2.5V，比当代UFS标准的2.7~3.6V更低，这将带来更低的功耗和更长的电池续航时间。随着存储性能在手机上的重要性逐渐凸显，三星、东芝、西部数据、SK海力士、美光等均加快布局下一代存储技术UFS3.0和LPDDR5。

▲JEDEC(固态技术协会)推出UFS 3.0标准，比UFS 2.1性能翻番，理论的接口带宽最高23.2Gbps，达到了2.9GB/s。

▲麒麟990系列支持UFS 3.0

支持更高像素摄像头

3G时代，我们主要依靠图片进行交流；4G时代，我们主要依靠视频进行交流；那么到了5G时代，社交会不会以更加逼真的方式进行？在这当中，手机拍摄的技术变得非常重要。手机摄像头数量逐渐在增加，COMS的解析力也从800万、1200万、2400万递增到4800万、6400万像素。

▲Redmi Note8 Pro首发三星6400万像素GW1传感器，支持硬件直出6400万像素。

此前，三星宣布与小米联合开发1.08亿像素的ISOCELL Bright HMX传感器，将于晚些时候在小米手机上首发。现在，三星发布的Exynos 980也将支持最高1.08亿像素独立摄像头。得益于5G网络的超高清传输能力，超高像素摄像头手机的出现不仅仅是技术到位，更是全方位客观的市场需求。只有在5G情况下，超高像素摄像头的图片和视频才能快速分享，因此超高清拍摄将会是5G落地应用的又一展现。