
大約用了小半個下午的時間,我在海外平台上細讀了華為海思剛剛推出的這款麒麟9050 Pro芯片的一系列測評,真是蔚為大觀之至,可以說第一代韜(τ)定律芯片就這樣——大成了。所以,我乾脆就給麒麟9050 Pro用人工智能工具生成了一張金色麒麟圖片,圖片的背景上還飄滿了“τ”的圖案,也是為了好玩。 在全球半導體產業史上,從來都不乏令時人驚艷的產品,但是,絕大多數驚艷都是站在既有技術路徑上的迭代演進——即更先進的製程、更大的晶圓和更精巧的版圖。但是,現在搭載於華為Mate XT 2手機和Mate90 Pro Max手機上的史上最強麒麟芯片——麒麟9050 Pro明顯不同,它是在先進製程獲取受限、外部封鎖層層加碼的背景下,由華為集團下屬的海思公司以一種近乎工程浪漫主義方式完成的一次絕地反擊。 雖然,每個中國人都可以說如此絕對技術反擊我們已經期待許久,但真正能夠實現它的,只有海思一家。 雙芯片布局、垂直銅對銅混合鍵合、8萬個硅通孔、邏輯摺疊——這些新崛起的半導體名詞背後,是全球第一製造業大國完整體系的集體貢獻。 首先,你要理解,麒麟9050 Pro究竟奇蹟在哪兒?麒麟9050 Pro的核心創新是開創性的雙芯片+邏輯摺疊設計。 兩顆芯片分別為主Die(上半)與副Die(下半),單芯片面積是120.6mm²,雙芯合計是241.3mm²,而上一代麒麟9030 Pro的單芯片面積為141.7mm²,從9030 Pro至9050 Pro,總面積一下子擴張了70.3%。 這絕非是簡單的面積堆疊,而是一場立體架構的革命。 主Die,是純粹的計算單元:CPU採用三叢集架構,超大核3.13GHz(吉赫茲)、中核2.7GHz、小核1.75GHz,每個超大核內含INT整數單元、FPU浮點單元與L/S加載存儲單元;GPU為馬良955,62個計算單元核心運行頻率1050兆赫茲(62CU@1050MHz);此外還集成NPU、DSP、ISP、內存控制器、調製解調器與SLC控制器。 副Die,則是“緩存與I/O(輸出/輸入)之城”:1MB/2MB的L2緩存、8MB的L3緩存、12兆字節系統共享緩存(12MB SLC)、低功耗雙倍數據率內存(LPDDR PHY)、USB 3.2、RF接口與各類鎖相環和輸出輸入單元組(PLL/I/O塊)。 更值得注意的是,NPU(神經網絡處理器)的面積從上一代的8.6mm²躍升至21.5mm²,增幅達到了150%——這一算力怪獸被摺疊後跨越兩顆芯片安置,體現出海思對AI算力極限不可遏制的雄心。 那麼,主副兩顆芯片又如何協同呢?答案甚至能令人窒息。 這是一套極為精密的連接系統:兩塊硅片通過垂直銅對銅混合鍵合(Cu-Cu Hybrid Bonding)直接貼合,銅墊與介質層在亞微米尺度上對接,第一代實現了採用約1.5微米的鍵合間距,在層間製造出約5000萬個垂直連接。 5000萬個連接,就意味着每一次對準都必須精準到亞微米級,任何一顆微塵、納米級的翹曲都會讓整顆芯片報廢。 這裡還有一個細節最容易被忽略,即5000萬個垂直連接里絕大部分是用來供電的,真正用於信號通信的只有500萬到1000萬個。把這兩個數字分開講,就說明了海思在設計上的取捨:既要餵飽每一層的電力,又要保證層與層之間信息跑得足夠快。 與此同時,海思工程師還部署了8萬個硅通孔(TSV),將芯片連接至基板,這些貫穿硅體的“微縮地鐵隧道”占據了約8%的可用面積,是以犧牲寶貴硅面積為代價,換取電力與信號的垂直高速通道。 所謂韜(τ)定律邏輯摺疊的邏輯:副Die的緩存與I/O“發熱低,但占面積”;主Die的計算單元“發熱大、能效要求高”,於是發熱大戶被集中於主芯片,使之便於散熱設計;緩存與I/O被摺疊至底層,走線縮短,電流流動距離大幅壓縮——由此也帶來了延遲降低,進而在相同頻率下實現了更低電壓與更低功耗的三級傳導效應。 這就像海思把一塊平面上的芯片“摺疊”成了一座三維城市——寫字樓在上,倉庫與交通樞紐在下,通勤距離被壓縮到了極限。 說實話,這一刻讓我馬上就想了另一個情景,今年夏天我曾經探訪雄安新區,在一間展覽大廳里看到過一幅現在仍未准許公開示人的城市結構設計示意圖,這是一座在地下、地面和天空同步規劃、設計和建設的真正現代化城市。 真稱得上是無獨有偶,異曲同工,或者說,這就是中國在這個年代必然要在架構層面實現的一次新發明。 首先,這是鍵合工藝的天塹。 1.5微米間距的銅對銅混合鍵合,要求晶圓表面的平整度必須達到原子級,銅墊的潔淨度極為苛刻,兩片晶圓在數以千萬計的對位標記上實現了亞微米級的對準。此工藝在全球範圍內能夠規模化量產的企業屈指可數,海思公司不僅做到了,還將其集成到移動單一芯片系統(SoC)這種對成本、良率、功耗都極度敏感的消費級產品中。 8萬個硅通孔技術(TSV)的垂直互連,則涉及到深硅刻蝕、絕緣層沉積、銅填充、晶圓減薄等一系列工藝鏈的極限協同,每道工序威脅到了良品率曲線的崩塌。 更不要忘了,雙芯合計241.3mm²的硅片面積,就意味着每片晶圓產出的合格芯片更少,成本也會更高。把這樣的方案落地量產,本身就是對製造體系的極限考驗。 其次,又是系統工程的壁壘。 雙芯架構,意味着主副兩顆芯片必須要像一顆芯片一樣工作——3.13GHz(吉赫茲)的超大核要如何穿過鍵合面,訪問副Die上的8兆字節的三級緩存容量(8MB L3)?緩存一致性如何保證?時序同步、電源管理、熱耦合建模,每一個環節都是硬件、封裝、EDA算法與系統軟件的深度耦合。 所以,這根不只是一顆芯片的設計,而是一個橫跨了設計、製造、封裝、測試全鏈條的系統性微觀世界的的宏大工程。 最後,是被逼進絕境裡的創新邏輯。 當最先進半導體製程的獲取被美國人封鎖,常規的“製程追平”路線被全部堵死,海思用這顆芯片給出了新選擇:用封裝與架構的創新彌補製程的差距,以面積換取性能,以結構換取能效。 這是一種只能在全產業鏈壓力下才會倒逼出來的技術路線,需要設計者和製造者都要破釜沉舟,製造者還要有承接非常規工藝的能力,需要設備與材料環節有快速響應進行支撐。 那麼,下一個最大問題就來了,為什麼奇蹟只有在中國才能實現呢? 因為,第一,唯有這裡才擁有覆蓋全鏈條的半導體產業縱深。 從芯片設計、EDA工具、晶圓製造、先進封裝,到測試設備、電子化學品、高純靶材,中國都是全球唯一一個在幾乎所有環節都具備規模化布局的國家。麒麟9050 Pro所依賴的混合鍵合、硅通孔技術(TSV)、先進封裝產能,背後是長三角、珠三角密集排布的製造集群——企業與企業之間以小時計的距離,讓工藝協同的試錯成本降到了最低。 可能不會有人想到,不可複製的全世界唯一產業密度才是至關重要的。 第二,唯有中國擁有將尖端技術量產化、低成本化的製造基因。 世界上能夠做出工程樣片的實驗室並不在少數,但能把1.5微米鍵合間距、5000萬垂直連接做到消費級的良率,再裝進千百萬台手機裡,這考驗的是製造體系的規模與韌性。中國製造業增加值已經連續十數年位居全球第一,本質就是一種將極限工藝轉化為穩定產能的系統性能力,這讓麒麟9050 Pro從圖紙走向量產品完成了關鍵一環。 第三,唯有中國擁有被封鎖倒逼出來的完整人才與創新生態。 海思能夠完成邏輯摺疊這樣的架構原創,必須依賴於數十萬工程師的人才儲備,和從基礎研究到產業落地的完整創新鏈條。美國人機制化地,長期且苦心經營的制裁網絡非但沒有扼殺華為的創新,反而加速了中國“去美國化”的供應鏈的成熟,設備自研替代,材料國產突破,工藝協同攻關,這是對方當初累折了他娘的褲衩帶都絕對想不到的。 這種從壓力到響應,再到突破的漫長閉環周期,必須依託超大級國家製造體系才能夠運轉起來。 第四,唯有中國:擁有承載奇蹟的統一大市場。 麒麟9050 Pro誕生後,即刻需要海量下游應用來攤薄極為高昂的研發成本,否則無法反哺於技術迭代,而且美國人不會允許華為將其拿到全世界的市場上去實現——但中國是全球最大的智能手機市場,也是最大的5G基站部署國家,從終端到基礎設施的需求,已經提前給這顆芯片提供了天然應用土壤。 沒有市場,所謂奇蹟就是昂貴的擺設;有了市場,奇蹟即刻實現了自我造血,成就出量產產品。 這其實更是一個很恐怖的技術故事,因為它是絕對唯一的。 過去6年,華為已經連續發布了接近400顆各類芯片,在美國的打壓制裁之下,華為已經從一家電信設備製造商,變成了一個兼具強大研發和生產能力的芯片製造商,已經在全產業鏈擁有了核心技術。 
麒麟9050 Pro的雙芯片與邏輯摺疊,是全球半導體史上一次耀眼的範式大轉移,當平面縮小的道路受阻,向三維空間摺疊便是全新的邊疆,但支撐起這個大摺疊工程的,並不是某個孤立的實力雄厚的實驗室,而是一個擁有全門類製造能力的頭號製造業大國,這就是它獨一無二的實證。
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