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華為mate60的芯片

發布時間: 2023-10-23 11:41 閱讀: 文章來源:1MUMB1485PS

華為公司三十年芯片自研之旅回溯

1991年,華為芯片事業剛起步,由集成電路設計中心負責。

當時,華為面臨著芯片成本高、產品利潤空間小的困境。首款流片成功的芯片為SD502,用于交換機多功能接口控制。

1993年,華為依托海外采購的EDA軟件,成功開發出支持無阻塞時隙交換的SD509,并用于自主研發的第一臺數字程控交換機C&C08,該款交換機后成為全球銷量最大的交換機之一。

1995年,華為中央研究部成立,下設基礎業務部,接手通信系統芯片研發工作。

2004年,華為決定成立海思半導體,以數字安防芯片起家。

2009年,推出一款GSM低端智能手機的一站式解決方案,芯片名為K3V1,開啟了手機芯片的漫漫探索之路。

此后,華為2012實驗室成立,海思歸屬實驗室管轄,但地位等同于華為一級部門。

經歷三十載的辛勤探索,目前,華為共有五大系列芯片。

麒麟芯片為手機SoC芯片,集成應用處理器與基帶處理器,廣泛應用于華為系列手機上。

計算芯片中,鯤鵬用于高性能計算,昇騰為商用AI芯片。

通信芯片中,巴龍與天罡分別用于基帶與基站,正打造5G布局。

聯接芯片對應萬物互聯時代,包括Boudica與凌霄兩大品牌。

視頻芯片是華為長期發力的方向,安防芯片、機頂盒芯片占據大量市場份額,芯片出貨量也達到千萬級。

快速崛起的計算芯片雙底座:鯤鵬、昇騰

當今數字化時代,萬物互聯帶來數據量的爆發式增長,向IT基礎架構的計算能力提出了更高要求。IDC預測,到2023年,全球計算產業投資空間高達1.14萬億美元,中國占比近10%,是全球計算產業發展的重要驅動。

為滿足新算力需求,華為圍繞“鯤鵬+昇騰”雙算力引擎,打造了“算、存、傳、管、智”五個子系統的芯片族,實現了計算芯片領域的全面自研。華為是唯一同時擁有“CPU、NPU、存儲控制、網絡互聯、智能管理”5大關鍵芯片的廠商。我們將重點圍繞核心芯片“鯤鵬+昇騰“展開分析。

2023年,何庭波任華為董事、科學家委員會主任、ITMT主任、海思總裁!

(一)計算芯片鯤鵬系列

鯤鵬系列包括服務器和PC機處理器。

早在十余年前,華為開發的嵌入式CPU Hi1380小有所成,成為鯤鵬處理器的開端。

后歷經鯤鵬912、916兩代產品,最終開發出旗艦產品鯤鵬920與鯤鵬920S,分別用于服務器和PC機。

鯤鵬處理器具備“端邊云算力同構”的優勢。

其基于ARM V8架構,處理器核、微架構和芯片均由華為自主研發設計。

市場上目前存在超過500萬基于ARM指令集的安卓應用,與ARM服務器天然兼容,無需移植即可直接運行,且運行過程中無指令翻譯環節,性能無損失,相比X86異構最高能夠提升3倍性能。

2019年1月,華為宣布推出業界最高性能ARM架構處理器——鯤鵬920,以及基于鯤鵬920的TaiShan服務器和華為云服務。

鯤鵬920處理器,采用7nm制造工藝。

規格方面,支持64內核,主頻可達2.6GHz,集成8通道DDR4,支持PCIe4.0及CCIX接口,可提供640Gbps總帶寬。

鯤鵬920主打低功耗、強性能,在典型主頻下,SPECint Benchmark評分超過930,超出業界標桿25%;同時,能效比優于業界標桿30%。

之前的記錄保持者是富士通的7nm A64X,每個芯片可以達到2.7 teraflops的性能。

除了發布鯤鵬920處理器,華為還推出了三款泰山ThaiShan系列服務器,使用的就是自家的服務器芯片:

包括TaiShan 2280、Thaishan 5280/5290、ThaiShan X6000,

分別面向均衡服務器、存儲服務器及高密度服務器市場,具體規格如下:

華為研發高性能ARM服務器處理器已經不是新聞了,之前就有過基于Cortex-A57架構的32核服務器芯片,只不過并沒有大規模推廣。

此前還有爆料稱華為自主研發64核ARM服務器芯片Hi1620,基于7nm工藝。

2019年1月發布的鯤鵬920,就是這款產品Hi620的正式品牌及型號,跟“麒麟”處理器一樣,也是使用了中國古代神獸的名字“鯤鵬”!

鯤鵬(Kunpeng )920芯片的架構:

1、Chip:芯片(Chip)是指有大規模集成電路的硅片,我們見過的cPu這種是最常見的芯片。一般幾塊硅片可以封裝在一起組成一個芯片。

2、DIE:芯片的最小物理單元。Kunpeng 920封裝了3個DIE,兩個用來做計算,第三個用來做IO。

晶粒(die)是以半導體材料制作而成未經封裝的一小塊集成電路本體,該集成電路的既定功能就是在這一小片半導體上實現。通常情況下,集成電路是以大批方式,經光刻等多項步驟,制作在大片的半導體晶圓,然后再分割成方型小片,這一小片就稱為晶粒,每個晶粒就是一個集成電路的復制品。

3、Core:真正的計算單元,我們在操作系統側看到的“核”。

4、Cluster:若干個核(core)的集合。Kunpeng 920把4個core集合成為一個cluster,而一個DIE上有8個cluster。

5、soc:System on chip,例如,Kunpeng 920除了CPu外,還集成了RoCE 網卡、SAS控制器和南橋。

SoC可以理解為一個芯片集成了一個系統,可以完成特定的一系列的工作,例如,CPU是大腦,SoC是不僅有大腦,還有手、腳、身體等等,這些手腳就相當于,GPU,網卡處理器,聲卡處理器等。

1片SoC上包含3個DIE,2個計算DIE,1個IO DIE。

1個計算DIE中8個Cluster。

1個Cluster中4個Core。

因此一個鯤鵬kunpeng 920芯片中包含4*8*2=64個核。

計算DIE上的每一個core具有自己的L1和L2級Cache,所有的core共享L3級Cache。

IO DIE上集成有網絡模塊、PCle模塊。

這些DIE在芯片內部通過高速內部總線進行連接。

計算芯片昇騰系列

在摩爾定律逐漸失效的情況下,AI芯片有助于解決算力問題。昇騰系列是華為全面AI戰略的重要支撐。

2018年華為全聯接大會上,昇騰310與910同時發布,證實了外界對華為研制AI芯片的猜測。

昇騰310面向邊緣場景,高效、靈活、可編程。基于典型配置,八位整數精度(INT8)下的性能達到16TOPS,16位浮點數(FP16)下的性能達到8 TFLOPS,而其功耗僅為8W。

基于已實現量產的昇騰310,華為發布Atlas 200、Atlas 300、Atlas 500、Atlas 800等產品,廣泛應用于安防、金融、醫療、交通、電力、汽車等行業。

昇騰910面向訓練場景,具有超高算力,其最大功耗為310W,自研的達芬奇架構大大提升了其能效比。

八位整數精度下的性能達到512TOPS,16位浮點數下的性能達到256 TFLOPS。

昇騰910的測試表現遠超NVIDIATesla V100和Google TPU v3。

2019年8月,910正式發布,標志著華為AI戰略的執行進入新的階段。

未來,針對不同場景,華為仍將持續推出更多的AI處理器,提供更充裕、更經濟、更適配的AI算力。

華為部分在研與規劃的AI芯片包括,用于自動駕駛開發的昇騰610、310升級而來的昇騰320以及910升級而來的昇騰920。

介紹一下達芬奇架構:

達芬奇架構本質上是為了適應某個 特定領域 中的常見應用和算法。通常稱為 “特定域架構 ”

(Domin Specific Architecture,DSA)。

達芬奇架構包括三種基礎計算資源:

矩陣計算單元 (CubeUnit)、

向量計算單元 (Vector Unit) 和 標量計算單元 (Scalar Unit)。

在實際的計算過程中各司其職,形成了三條獨立的執行流水線,在系統軟件的統一調度下互相配合達到優化的計算效率,并且每一種計算單元都提供了不同精度和不同類型的計算方式。

達芬奇架構包含:scalar,tensor和cube運算,靈活性scalar>tensor>cube,效率 scalar

標量計算單元 (Scalar Unit):

類似一個MCU,可以是ARM的,也可以是RISC-V,用于標量計算、邏輯判斷、控制調度等;

向量計算單元 (Vector Unit):

類似一個DSP,用于矢量、向量計算,AI CPU即為向量計算單元;

矩陣計算單元 (CubeUnit):

類似谷歌TPU脈動陣列結構,是一個乘累加陣列,用于矩陣、卷積、張量計算,AI Core即為矩陣計算單元,適合計算密集型算子。

華為達芬奇核心分為三種,最完整的是“Max”,其次是Lite,再次是Tiny,Max可在一個周期內完成8192次MAC運算,Tiny僅512次。

整體來看,兩個bufferL0A和L0B作為輸入,其中一個暫存activition,另一個暫存權重。

紅色的Cube模塊,計算結果輸出存放在另外一個buffer L0C。

Vector Unit,從buffer L0C中取得乘累加計算結果,然后進行pooling/padding,BN,激活,加法等處理。

如果還沒得到最終結果,就暫時返回存儲在buffer L0C,如果得到了最終結果,就傳遞給Unified Buffer。

昇騰AI處理器的計算核心主要由 AI Core 構成,包含三種基礎計算資源:矩陣計算單元(Cube Unit)、向量計算單元(Vector Unit)和標量計算單元(Scalar Unit),負責執行張量、矢量、標量計算。

其中向量是數學上的叫法,矢量則是物理上的叫法。

AI Core 中的矩陣計算單元支持 Int8 和 fp16 的計算,向量計算單元支持 fp16 和 fp32 的計算。

AI Core 基本結構如下:

(二)麒麟手機SoC(System-on-a-Chip)

芯片由應用處理器(AP)與基帶處理器(BP)組成。

其中,AP包括CPU(中央處理器)、GPU(圖形處理器)、ISP(圖像處理器)等,負責操作系統、用戶界面和應用程序處理;

BP包括基帶和射頻部分,負責通信信號處理。

近年來,各大芯片廠商開始研發SoC芯片,提供整體解決方案,華為海思也積極布局。從技術上來看,SoC芯片研發的難點在于各個組成部分的集成與協同。

華為起步于一款算不上成功的產品——K3V1。

2006年,成立兩年的海思受聯發科啟發,開始研究手機芯片,三年后推出第一款應用處理器,即K3V1,但由于110nm工藝遠落后于當時的主流方案,且對應Windows Phone系統,最終未能上市。

2012年,K3V2發布,工藝仍相對落后且發熱較嚴重,但性能差距在縮小,搭載于華為D、P和Mate系列上,激勵著芯片技術的提升。

轉機最終出現于2013年,海思推出第一款手機SoC芯片——麒麟910,是全球首款四核SoC芯片,采用當時主流的28nm工藝,匹配Mali 450MP4 GPU,集成自研巴龍710基帶,應用于華為P6s。此次嶄露頭角為更大的成功奠定了基礎。

此后,麒麟920、925、928、930、935、950、960、970、980以及面向中端手機的620、650、710、810等先后發布,制程工藝不斷升級,實現了由追趕到并排,再到領跑的轉變。

其中,麒麟925應用于華為Mate7上,全球銷量超700萬部;

麒麟620先后應用于中端的榮耀4X、4C上,榮耀4X銷量破千萬;

麒麟930標志著手機芯片進入64位時代;

麒麟950、970、980分別在全球率先商用16nm、10nm和7nm工藝;

麒麟970還首次在SoC芯片中集成人工智能計算平臺NPU,開創端側AI先河,搭載該芯片的Mate 10出貨量累計達1000萬臺。

2019 年 9 月,華為一代旗艦芯片麒麟 990 系列推出,包括麒麟 990 和麒麟990 5G 兩款芯片。

采用 7nm+工藝 ,其中前者采用7nm工藝,后者采用7nm+工藝。

其中,麒麟990 5G是全球首款旗艦5G SoC芯片,首次將5G Modem集成到SoC芯片中,率先支持NSA/SA雙架構和TDD/FDD全頻段,是業界首個全網通5G SoC。

基于巴龍5000的5G聯接,麒麟990 5G實現了2.3Gbps的5G峰值下載速率,5G上行峰值速率達1.25Gbps。

(三)5G通信設備制霸的核心芯片:巴龍、天罡

布局一:巴龍系列基帶芯片

基帶芯片用來合成即將發射的基帶信號,對接收到的基帶信號進行解碼。

2007年開始,華為布局基帶芯片研發,原因是華為當時的熱門產品數據卡的基帶芯片依賴于高通,常常斷貨。

2010年,華為推出首款TD-LTE基帶芯片——巴龍700,打破高通的壟斷。

2014年,在麒麟910上,華為第一次將基帶芯片和AP集成在一塊SoC上。

目前,巴龍4G系列套片全球累計發貨過億,有完整的產品組合,能力從Cat 4到Cat 19,對應單連接速率從150Mbps到1.6Gbps不等。

2018年2月,華為發布巴龍5G01基帶芯片,是第一款商用的、基于3GPP標準的5G芯片,但體積較大;此前,高通曾發布業界首款5G調制解調器驍龍X50,但并非基于3GPP標準,且僅支持5G網絡而不兼容前代網絡。

2019年1月,華為發布巴龍5000。其體積小、集成度高,支持5G及前代網絡制式。

巴龍5000率先實現了業界標桿的5G峰值下載速率,在Sub-6GHz(低頻頻段,5G的主用頻段)頻段實現4.6Gbps,在毫米波(高頻頻段,5G的擴展頻段)頻段達6.5Gbps,是4G LTE可體驗速率的10倍。

華為表示,巴龍5000除用于智能手機外,還可以在家庭寬帶終端、車載終端等場景下使用。

布局二:天罡系列基站芯片

天罡是業界首款5G基站核心芯片,在集成度、算力、頻譜帶寬等方面取得了突破性進展。天罡首次在極低的天面尺寸規格下, 支持大規模集成有源功放和無源陣子;實現2.5倍運算能力的提升,搭載最新的算法及波束賦形,單芯片可控制高達64路通道;極寬頻譜,支持200M運營商頻譜帶寬。天罡芯片為有源天線處理單元帶來了革命性的提升,實現基站尺寸縮小超50%,重量減輕23%,功耗節省達21%,安裝時間比標準的4G基站節省一半。

(四)為物聯網而生的鏈接芯片:Boudica、凌霄

布局一:Boudica系列NB-IOT芯片

NB-IoT(NarrowBand Internet of Things,窄帶物聯網)聚焦低功耗、廣覆蓋物聯網(IoT)市場,可在智能停車、智慧農業、遠程抄表等垂直行業廣泛應用,具有低功耗、連接穩定、成本低、架構優化出色等特點。近年來,工信部以及三大運營商均在不同程度上予以扶持。但受限于技術因素,NB-IoT發展仍較為緩慢,其中終端芯片是核心難點之一。

華為2014年開始進行NB-IoT芯片研發。

2015年,推出基于預標準的芯片原型產品。

2016年9月,發布業界首款商用NB-IoT芯片Boudica 120。

此后,又推出支持3GPPR14的完全成熟的Boudica 150,可實現更低的能耗,并應用于更多的場景。

2019年4月,華為披露,Boudica 120出貨量突破700萬;性能更優越的Boudica 150出貨量則突破了1300萬。

2020年推出Boudica200,支持3GPPR15及后續標準演進,擁有更優的集成度、安全性與開放性。

布局二:凌霄系列WiFi芯片

在路由器的現實使用中,掉線、延時、卡頓等問題普遍存在,為了解決這些問題,華為研發了凌霄系列路由芯片,由路由CPU、路由WiFi芯片、電力貓芯片三大產品線組成。

2018年12月,凌霄芯片正式亮相,榮耀路由Pro 2搭載了凌霄5651和凌霄1151。其中,凌霄5651為四核1.4GHz CPU,凌霄1151為雙頻Wi-Fi芯片。

2019年的華為開發者大會(HDC2019)上,華為正式發布凌霄WiFi-loT芯片,服務于華為的全場景智慧生活戰略。該芯片于2019年底上市,用于家庭接入類產品。

(五)始于安防、彰于顯示的視頻芯片:鴻鵠

布局一:安防芯片

安防產品需要四類芯片:ISP(圖像信號處理)芯片對前端攝像頭采集的信號進行處理,DVR(數字硬盤錄像機)SoC芯片用于模擬音視頻的數字化、編碼壓縮與存儲,IPC(IP攝像機)SoC芯片支持視頻分析,NVR(網絡硬盤錄像機)SoC芯片用于視頻數據存儲。

海思芯片事業起步于安防領域,首先量產的是安防芯片,并在與德州儀器、博通等巨頭的競爭中茁壯成長。不同于德州儀器采用的ARM+DSP架構,海思采用ARM+IVE架構,在功耗、成本和運算效率上具備優勢。

目前,海思是全球IPC芯片的領頭羊,市場份額一度高達70%;在其他三大類芯片中,海思同樣具有較高的市場份額。在市場開拓方面,海思同??低暋⒋笕A長期保持緊密合作。

布局二:機頂盒芯片

在安防芯片領域取得巨大成就的同時,2008年海思也開始積極發力機頂盒芯片,并在與意法半導體和高通等的競爭中嶄露頭角,基本做到國內第一,全球第二,僅次于博通。智能機頂盒芯片方案分為OTT和IPTV兩種,根據格蘭研究,2018年,我國IPTV/OTT機頂盒采用的芯片方案以海思和晶晨為主。

布局三:鴻鵠系列顯示芯片

鴻鵠芯片主要用于智慧顯示領域。華為已積累多年,海思于2014年就推出首款4K電視芯片。華為2019年透露,鴻鵠視頻顯示芯片累計發貨已超4000萬片。

2019年7月,華為發布的榮耀智慧屏率先搭載了鴻鵠818芯片。鴻鵠818采用雙A73+雙A53架構CPU和4*Mali-G51 GPU,解碼速度領先。鴻鵠818具備動態畫面補償、高動態范圍成像等七重畫質技術,集成Histen音質優化技術,能給用戶帶來出色的音畫體驗。

目前,華為五大芯片系列正并駕齊驅,在各自的領域均取得了突破性成就,成功走出了一條“逆襲”之路。

回望華為芯片事業剛剛起步的1991年,正是當時對芯片獨立自主的覺醒,才為如今的輝煌埋下了伏筆;

正是在一步一步的試錯中,才走出了一條獨立設計之路。

展望未來,隨著我國自主創新力量的不斷崛起,以“中國芯”為底座的IT產業必將迎來巨大機會,華為公司作為國產之光,在“開源、開放”的戰略下,有望帶領產業鏈相關公司快速崛起。

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