详谈三星5nm工艺，Exynos 1080芯片，和Cortex-A78

三星电子系统LSI在上海举办了Exynos 1080芯片的发布会，电子工程专辑已经第一时间发布了相关的快讯。这是三星电子系统LSI首次在中国内地召开芯片产品的首发会议。这个动作应该是在很多人的意料之中的：本月早前，BusinessKorea就报道System LSI“计划在2021年向中国智能手机制造商提供Exynos芯片”，而且除了常规合作伙伴vivo之外，还包含OPPO和小米等。

所以在中国召开Exynos新品发布会，显然是System LSI要铺开中国市场的开端——预计明年我们会看到更多国产手机搭载三星Exynos芯片。

Exynos 1080并不在旗舰定位，它理应属于Exynos 980的继任者，而非Exynos 990。其同档竞品应该是麒麟820、骁龙765G。

值得一提的是，三星此前宣布不再采用自研架构的CPU，实则与Exynos 1080/980这个定位及以下的产品也是无关的，比如Exynos 980采用的是Cortex-A77大核心，而Exynos 990的大核心才是三星自研的M5。猜测这一代更高定位的Exynos 1090会加入Cortex-X1大核心。

本文分成三部分：（1）Exynos 1080本身；（2）三星5nm工艺；（3）Cortex-A78核心。读者可以按照兴趣选择性阅读。

配置综述，Exynos 1080的一些亮点

这场发布会上，三星透露有关Exynos 1080芯片的技术细节比较少，但我仍然期望借着这篇文章来简单谈谈其中的一些亮点。主要包括了三星的5nm工艺，以及这颗芯片的CPU部分率先采用的Cortex-A78大核心（GPU部分的Mali-G78此前已经撰文详述过，本文不再单独讨论）。

Exynos 1080主要配置罗列如下：

▪ CPU：1x Cortex-A78 2.8GHz，3x Cortex-A78 2.6GHz，4x Cortex-A55 2.0GHz；

▪ GPU：Mali-G78 MP10

▪ 内存支持：四通道 LPDDR4 & 5；

▪ ISP：单摄2亿像素支持，双摄3200万+3200万像素支持，最多可接收6个传感器信号（6摄），同时可接收3路输入信号；

▪ NPU：与DSP联合算力5.7TOPS，另可与ISP协作，实现AISP“AI图像处理”；

▪Modem：支持5G Sub-6GHz 5.1Gbps下行 1.28Gbps上行；毫米波 3.67Gbps下行 3.67Gbps上行；支持2G-4G网络，4G LTE Cat.18 6CA 1.2Gbps下行 2CA 200Mbps上行；
▪其他无线连接：蓝牙5.2，WiFi 6；

▪其他：显示支持WQHD+ 90Hz，FHD+ 144Hz；HDR+高动态范围视频技术，原生10bit 4K 60fps视频编码与解码；游戏加入了Amigo电源管理系统；

▪ 制造工艺：三星5nm（5LPE）

这里面还是有不少内容是值得拿出来好好说一说的。因为篇幅关系，本文仅略微带过。其中CPU终于采用了Cortex-A78，这是Arm今年年中对外公开的CPU IP。前不久的华为麒麟9000就没有赶上Cortex-A78的时髦。

Exynos 1080的CPU整体是1+3+4的核心搭配，其中有个频率最高的Cortex-A78核心，频率为2.8GHz。这个频率在如今的旗舰市场上是不算高的。骁龙865+与麒麟9000的Cortex-A77大核都已经把频率提到了3.0GHz以上。

但2.8GHz还是比Exynos 980的2.2GHz要高不少的。这一点其实也能看出Exynos 1080的定位是偏次旗舰的。三星半导体中国研究所所长潘学宝表示，与上代产品相比，CPU单核性能提升50%，多核性能提升100%（基于Geekbench 5的数据）。

这里的所谓“对比上代”是指Exynos 980。不过50%和100%的提升仍然是比较恐怖的数字，略有旗舰水准。尤其大核的Cortex-A78，应该是贡献良多的，单就三星宣称的Geekbench 5成绩来说，应该已经超过了骁龙865的水平。

Exynos 1080的GPU部分是Arm最新的Mali-G78，麒麟9000采用的也是这个GPU。但在规模上前者就远远小于后者了：麒麟9000的GPU是采用Mali-G78最高支持的24个核心，而Exynos 1080为10核心。

三星没有公布GPU的频率，只是提到“计算核心从原来5个，提升到10个，存储通道由双通道变为四通道”，这显然说的就是对比Exynos 980了。与此同时，“GPU性能相比上代，提升130%，是上代的2.3倍之多”（基于Manhattan 3.0测试数据）。

此前Exynos 980的GPU大约可以应付《和平精英》这类游戏的中低特效，虽说Exynos 1080的GPU规模仅有麒麟9000的一半不到，不过这次至少相比前代应该会有游戏方面较大程度的提升，而且效率可能会提升不少——当然主要还得看具体的实施方案。

有关Mali-G78，我在麒麟9000的剖析文章中已经有比较详细的介绍。Mali-G78是Valhall架构的第二代核心IP，G78实则相比G77是个小改款。不过在性能和效率上，Mali G76/G77已经与同代的高通Adreno比较接近。上代Exynos 980采用的是Mali-G76MP5的方案，G76仍然是Bifrost架构，所以在架构翻新、核心数翻倍、工艺改进的基础上，性能提升130%是在意料之中的。

在图形计算部分，比较值得一提的是潘学宝提到的Amigo电源管理方案。这是主要面向游戏的一个方案。潘学宝表示，这种节电解决方案能够实时监控各流程电源消耗情况，优化游戏过程中的总功耗，令电源效率提高10%。“在游戏运行时，动态监测功耗，并作出预测，实时给出最佳电源分配方案，保证游戏性能的同时，节约整体功耗。”

“拿《王者荣耀》做测试，Amigo能够在保证性能不变的前提下，总体耗电下降10%以上。”潘学宝说。除此之外，他并未再透露更多有关这项技术的细节。不知道这是个硬件方案，还是个软件方案。

听起来和华为的GPU Turbo以及更为传统的reactive DVFS驱动有些类似（一个是GPU驱动之间有个监听层用于监听渲染调用；另一个则是通过硬件计数来监听GPU利用率，再做调整；前者有着更细的调节粒度），而且GPU Turbo实际的功耗红利也在10%左右。

以上硬件参数中，另外值得一提的是AISP，即“基于AI的图像处理”，也就是NPU+ISP的融合。这一点，麒麟9000的媒体沟通会上也提过。我在此前的文章中也提到了，NPU+ISP是拍照与拍视频后处理的一个趋势。苹果和谷歌在更早的时间就已经在做了，谷歌也时常介绍Pixel手机怎样利用机器学习，做自动白平衡、防抖等的加强——虽然谷歌是通过外置一颗PVC芯片的方案。

所以潘学宝也提到通过NPU，做拍摄物体与风景的检测，优化白平衡与曝光——这在当代算是比较常规的思路。不过三星并未透露Exynos 1080所用NPU的型号和性能。三星有将NPU与DSP融合做AI计算的传统。Exynos 1080的官方页面提到，NPU+DSP，令Exynos 1080能够达到至多5.7 TOPS的性能表现[1]。作为参考Exynos 990的AI算力在15 TOPS左右。

三星的5nm工艺

这颗芯片的亮点主要在5G modem和5nm工艺上。有关5G支持部分，支持载波聚合达成5.1Gbps最高下行速率。三星对此介绍也比较简单，这还是要看终端产品的实施方案。另一方面，以Exynos 1080的定位，想必明年也会有更多便宜的5G手机上市了。

5nm工艺很有必要多谈一谈。Exynos 1080的5nm工艺具体应该是5LPE。发布会上，三星半导体System LSI市场部副总裁CY Lee提到，三星5nm EUV工艺，芯片面积减少25%，功耗效率提升20%，性能表现提升10%。这组数字其实还是比较抽象的。

三星5LPE相对于7LPP工艺来说，算是个1/4代工艺——这一点就与台积电N5很不一样（三星路线图中，7LPP、6LPP、5LPE、4LPE都属于一代内的进化，而下一代工艺应该是3GAE），或者说三星7LPP->5LPE的跃进幅度远没有台积电N7->N5那么大。其标准单元库的晶体管密度提升1.3倍。

实际上，5LPE工艺晶体管的fin pitch、gate pitch、metal各层间距基本上都没什么变化。从Wikichip的数据来看，5LPE的UHD（超高密度，54PP）单元库密度在126.89 MTr/mm²（HD单元库密度91.36 MTr/mm²）[2]。

如果一定要对比的话，台积电N5工艺的超高密度库晶体管密度在171.3
MTr/mm²，相比N7的密度推进为1.84倍[3]。当然，我在《为什么说Intel的10nm工艺比别家7nm更先进？（上）》一文中就提到过，晶体管密度的计量方法有差异，而且晶体管在芯片上也不是均匀分布的，以及即便是同代工艺的不同单元库的密度也不一样，所以不同厂商的晶体管密度数字实则并不应该直接比较。

5LPE实际上更像是三星7nm工艺的一个扩展。因为三星此前的工艺路线图上，7nm工艺就已经比别家的更为激进，更早在某几层采用了EUV（极紫外光）。所以5LPE所用的晶体管、SRAM也都和7LPP基本相同。而且7LPP的设计IP在5LPE上是可以复用的，迁移比较平滑。

来源[4]

晶体管各项参数没什么变化，又如何实现密度提升呢？这就叫scaling booster了。主要还是从单元（cell）来着手。

5LPE最大的提升是新的6T UHD单元库，主要特性包括SDB（single diffusion break）、36nm的M2间距，CB on RX edge等（RX是指单元的活跃区域，CB属于额外的本地互联层，在单元内横向布局，将接触层的触点连接到多晶硅本地互联——位于第一层金属层之下，也就是MOL互联；所以CB on RX edge也就是CB互联层用到单元活跃区域边缘）；还增加了一种低漏电的1-fin device（1个p fin，1个n fin）能够提供至多20%的功耗节约。

这里的SDB，我在介绍Intel 10nm工艺的文章里也提到了，实际上就是单元之间共享单个dummy gate的方案，对于增加晶体管密度都是有价值的。三星曾在14nm工艺中用过这个结构，只不过7nm没有采用SDB，而是DDB（也就是两个dummy gate）。前面这些都属于常规晶体管缩放之外的技术，被称作scaling booster。

5LPE相比7LPP的实际提升是：对于HD高密度（7.5T）库而言，性能提升了11%（同功耗下，速度提升11%；同性能下，功耗降低约20%）；而UHD超高密度（6T）库则实现了大约33%的密度提升，也就是前面提到的126.89 MTr/mm²。下面这张图是三星在Arm TechCon 2019会议上提供的：

再看下Wikichip画的这两种单元库，相比之前7nm单元之间的差异。8nm和7nm HD单元都减掉了一个fin，而且7LPP每个fin也实现了更高的驱动电流，也就能有更好的性能——减fin则能够获得面积方面的收益。5LPE的UHD单元库再减1个fin——所以整个单元高度就变小了，加上稍作加强的晶体管（包括low-k spacer、DC加强等），实现面积和功耗的小幅缩减。

来源：WikiChip[2]

当然，若考虑性能的话，HD库还是必要选择。HD库的CPP（gate pitch）仍然是60nm，和7LPP工艺一样，另外单元间用MDB（mixed diffusion break，混合间隔，即pMOS用SDB，而nMOS用DDB），性能肯定会更好。

有关Cortex-A78大核心

最后再花一点笔墨谈谈Arm的Cortex-A78处理器核心。Cortex-A78仍然是Arm v8.2指令集的一颗CPU；它也是Austin家族中的第三代产品。

Cortex-A78的微架构调整，从前到后主要着重在效率提升，包括面积效率和功耗，尤其是针对A77的部分结构和尺寸做了缩减——针对那些收益并不是很高的资源做缩减，或者说进一步找准了性能与功耗/面积的甜蜜点。

前端部分最大的变化是分支预测器：除了精度提升外，现在能够处理至多每周期2个分支——平衡了去年A77后端多出的第二个分支执行单元。即A78每个周期可并行处理2个预测，增加这部分的核心吞吐，并且更快地从分支错误预测中恢复过来。前端设计变化主要还包括可选32KB的L1I cache（指令缓存）。

核心中段到执行管线部分，绝大部分提升是针对面积缩减和能效提升的：包括更多的指令融合；发射序列设计新结构提升能效；寄存器重命名结构和寄存器堆，也特别针对效率做了优化——包括尺寸的缩减，条目密度增加，相同空间内可以容纳更多数据，减少结构的整体尺寸，但对性能无影响；re-order buffer效率，可以塞进更多指令；乱序窗口尺寸缩减；6Mops的dispatch宽度，应该是比去年增加了的。

执行部分，唯一较大的变化是整数执行模块，升级了一条更复杂的ALU管线，可处理乘法，令整数MUL宽度加倍。

核心后端和存储子系统有更多相关性能的调整。首先是新的load AGU（地址生成单元），令核心的load操作带宽增加了50%；load/store队列到L1D cache（数据缓存）的带宽翻倍，核心到L2的读取与写入带宽翻倍；可选更小配置的L1D（32KB）；L2 TLB缩减至1024 pages——仍然足够应对4MB L3 cache。

这么看下来，感觉的确有不少的结构、尺寸缩减。Cortex-A78作为着重在效率提升上的一代微架构，看来明年高性能的担当的确会落在Cortex-X1身上。最终还是落地到Exynos 1080身上来看看吧。

市面上还不怎么能见到采用A78核心的CPU产品。因为没有对比对象，我们无从了解Exynos 1080对于Cortex-A78的实施方案具体怎么样。

Arm年中给出过一组A78相比A77各方面提升的数据，但那些主要是基于台积电的N5工艺——就让此处的对比没有那么凑效，所以提升数字就权当参考吧。

Arm的数字是，一个核心相同的1W功耗下，A78（3.0GHz，N5工艺）会比A77（2.6GHz，N7工艺）提升20%的性能；而在相同的性能水平上，A78（2.1GHz，N5工艺）功耗是A77（2.3GHz，N7工艺）的一半。这两组对比看起来还是略有点随意的……如果以相同制造工艺为前提，加上相近的核心配置，A78相比A77大约有7%的性能提升，同时降低4%功耗和4%的占地面积。

三星提及Exynos 1080的Geekbench 5单核性能成绩相较Exynos 980提升50%。考虑这两代产品工艺上是8LPP->5LPE，频率提升27%，外加架构迭代，似乎有50%的性能提升还算合理。但Arm针对两代架构所说的20%性能提升，实则已经加入了频率和工艺差异。个人认为50%的性能提升还是略超出预期的——或许5LPE工艺带来的性能提升是部分超出了预期的。

有兴趣的同学可以参考联发科天玑1000（2.6GHz Cortex-A77，N7工艺）以及Exynos 980（2.2GHz Cortex-A77，8LPP工艺）的Geekbench 5成绩来算一算，按照单核性能50%提升、多核100%提升，Exynos 1080的性能水平在哪里，以及5LPE工艺和Cortex-A78架构实际可能带来了多大的性能红利。

另外，三星不曾在发布会上提到Exynos 1080的功耗与能效表现。Arm此前公布的数据显示，在A77达到峰值性能，且A78达到与其相同性能的情况下，A78的功耗可降低至多36%（相同功耗水平下，A78提升性能至多7%）。所以Exynos 1080 CPU的效率还是可以期待一下的。

总体来看，上述CPU提升，再加上Exynos 1080对GPU的Mali-G78MP10实施方案，若三星在设计和制造上都相对得宜，这颗芯片或许会成为明年非常有竞争力的甜品级、且长寿命的芯片。因为其各方面表现都比较均衡，而且性能和效率就中端市场定位来看，还有个飞跃。

三星在发布会上提到，首款搭载Exynos 1080的手机会由vivo推向市场。另外三星也强调了vivo也参与了Exynos 1080的研发过程。这些在去年的Exynos产品中就已经是传统了。就纸面数字来看，三星的确在推广自家芯片、拓宽芯片市场的问题上开了个好头，具体还是要看这颗芯片的实测表现——以及Exynos 1080将会在多少机型上应用。

参考来源：

[1] Mobile Processor Exynos 1080 - 5G processor that will make your phone fly

(https://www.samsung.com/semiconductor/minisite/exynos/products/mobileprocessor/exynos-1080/)

[2] Samsung 5 nm and 4 nm Update - Wikichip Fuse

(https://fuse.wikichip.org/news/2823/samsung-5-nm-and-4-nm-update/)

[3] TSMC Details 5 nm - Wikichip FUse

(https://fuse.wikichip.org/news/3398/tsmc-details-5-nm/)
[4] High-Performance 5LPE Implementation Next-Generation Arm “Hercules” CPU. Kevin K. Yee (Samsung), Fakhruddin Ali Bohra (Arm), Edson Gomersall (Cadence). Arm TechCon 2019

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