【原创】性能每两年翻一倍，摩尔定律还适用于现在的智能手机芯片吗？

DominicHu

智能手机处理器可能无法提供像PC和服务器硬件的最佳性能，但是这些小芯片在制造工艺方面一直处于业界的领先地位。智能手机芯片目前大多是10nm和7nm，有的也已经达到了5nm。先进的制造工艺为提高能效、减少芯片尺寸和增加晶体管密度铺平了道路。

而这里就不得不提及摩尔定律，因为它预言了芯片加工技术的持续改进水平。然而，随着智能手机处理器性能的过剩以及性能提升的放缓，不少人开始怀疑摩尔定律是不是已经过时，不再适用于当前智能手机芯片的发展。然而，事实果真如此吗？

1965年，当时英特尔的首席执行官戈登•摩尔发表了一篇论文，该论文观察到封装在集成电路中的晶体管数量每年都在增加一倍，并预测增长率将持续到1975年。而后来，摩尔修改了预测，称每两年晶体管数量将增加一倍。

晶体管是处理器和其他充当数字开关的集成电路中的小型电子组件。虽然它与处理能力没有直接关系，但更多的晶体管数量往往意味着芯片的功能更强大。因此，摩尔的理论还表明，处理器功能大约每两年也会翻一番。

由于工艺节点技术不断变小，摩尔定律得以继续。换句话说，芯片内部的晶体管越来越小。我们可以看到，制造工艺已从1976年的6μm缩小到2019年的7nm。

根据罗伯特·登纳德于1974年发表的论文，由于较小的晶体管开关，每瓦性能大约每18个月就会翻一番。这就是为什么较小的处理器可提高电源效率的原因。但是，自2000年以来，这一速度一直在放缓。较小的节点在达到物理极限时，其功率效率的增益逐渐降低。

并不是每个芯片制造商都会公布处理器中的晶体管数量，因为它们本身并不是一个很有意义的统计数据。幸运的是，苹果和华为的海思都公布了他们最新的芯片提供了大概的数据。

首先看一下现代SoC中的晶体管数量。2015年，麒麟950容纳了约30亿个晶体管。到2017年，麒麟970的数量为55亿个，在两年内翻了一番，而到了2019年的麒麟990则达到了约100亿个。再次，在两年内晶体管的数量翻了一番。

2015年，当时的英特尔首席执行官布莱恩·科赞尼奇指出，晶体管数量翻倍需要近两年半的时间。然而现在看起来，移动行业的发展速度可能要快一些，两倍的增长速度仍然只需两年。

当我们计算每平方毫米的晶体管密度时，智能手机SoC实际上在遵守摩尔定律方面做得非常好。在2016年至2018年之间，华为每平方毫米晶体管的数量增加了两倍多，从3400万到9300万，这要归功于从16nm技术跃升至7nm技术。同样，最新的麒麟990封装每平方毫米1.11亿个晶体管，几乎是2017年10纳米麒麟970的每平方毫米5600万个晶体管的两倍。这与苹果近年来的密度发展情况大致相同。

摩尔定律仍然适用于现代智能手机芯片。并且从1975年开始一直到2020年依然在持续，预计到2021年将全面向5nm转移，因此我们在明年将继续看到晶体管密度的提高。但是，芯片制造商可能会发现，在本世纪中叶和下半年过渡到3nm和更小尺寸的难度更大，摩尔定律可能会在2030年之前失效。

孤立的审视CPU和GPU的性能并不能真正反映出芯片组如何利用其不断增长的晶体管数量。智能手机SoC越来越复杂，包括了无线调制解调器，图像信号处理器（ISP）和机器学习处理器以及其他组件。

在过去的几年中，随着支持的传感器数量的增加，图像处理质量也得到了极大的提高。所有这些都需要一个更强大的ISP。芯片集成了4G LTE，有些还提供了集成5G支持。而蓝牙和Wi-Fi，它们也占用了硅空间。机器学习或“ AI”处理器在从人脸识别安全到计算摄影等各个方面的功能和普及度也在不断增长。

智能手机芯片比以往任何时候都更强大，功能更丰富，封装更密集。这全都归因于摩尔定律在智能手机处理器领域依然适用，至少现在来看是这样。