小米澎湃S2多次流片失敗，中國晶片崛起何以如此困難？
【編者按】小米做手機處理器除了靠情懷，最重要的還是需要技術，對於流片失敗，筆者認為情有可原，畢竟研發手機處理器的難度很高，不是一下子就能成功。目前國內僅有華為能研製中高階的手機處理器，即便國外也僅有數家能造出，這是一個典型的深水區，難度係數高，小米挑戰的勇氣就值得鼓舞。
眾所周知，手機處理器是最常見也是最重要的一種處理器，它的重要性不言而喻。對於很多忠實的小米粉絲而言，它們迫切地希望國產處理器能替代部分的國外處理器，這也是小米堅決地研發澎湃處理器的關鍵原因。
近日，有網友爆料，小米自主研發的處理器澎湃S2多次流片失敗，讓米粉們揪心了一把，擔心國產的處理器又不行了。據小米公司產品總監王騰在微博回答網友提問時表示，小米自研澎湃系列處理器仍在做，流片失敗屬於正常現象。
前不久，小米新媒體高階工程師鄒師傅也曾經表態稱，小米澎湃處理器還在繼續進行，請給小米一些時間。據悉，2018年2月，小米推出了首款搭載自主處理器澎湃S1的智慧手機產品小米5C，引起了業內的廣泛關注，當然我們得承認這款處理器離澎湃S1與高通、華為的麒麟等有很大的效能差距，只能應用在低端手機上。
雖然搭載澎湃S1處理器的小米5C出貨量不大，但是這是小米試水處理器的第一款產品，意義重大。據筆者瞭解到，澎湃S2將搭載在小米6C和8C上，這款手機定位中端，小米將不再只是做低端手機處理器。 澎湃S2由臺積電製造生產，採用16nm製程工藝，八核五模架構設計，效能將會和驍龍660持平，有一定的市場競爭力。
小米做手機處理器除了靠情懷，最重要的還是需要技術，對於流片失敗，筆者認為情有可原，畢竟研發手機處理器的難度很高，不是一下子就能成功。目前國內僅有華為能研製中高階的手機處理器，即便國外也僅有數家能造出，這是一個典型的深水區，難度係數高，小米挑戰的勇氣就值得鼓舞。
手機處理器的發展史
說到當今的 主流手機處理器 ，必須提到幾家主要的廠商， 德州儀器、高通和蘋果 都是其中的佼佼者，雖然這些 處理器定位高階 ，但它們也離不開ARM，因為 主流手機處理器大多數是以ARM構架設計 的。中國的華為麒麟處理器人盡皆知，但是華為研究手機處理器十幾年了，知道現在的麒麟980處理器，它在效能上才超越高通，也是一步步走過來的、聯發科也是擁有多年手機處理器的經驗，但是目前它的處理器定位在中低端，也還有很多技術需要去突破。
提到手機處理器，必須要說到的就是 愛立信、諾基亞和摩托羅拉 ，儘管它們都不是現在的主流手機品牌，但它們 帶我們走進了智慧手機時代 。因為愛立信、摩托羅拉和諾基亞研製了世界上的第一批智慧手機，摩托羅拉在2000年生產了一款叫天拓A6188的手機，它是全球第一部具有觸控式螢幕的PDA手機，A6188採用了摩托羅拉自主研發的龍珠16MHz CPU，帶我們進入了智慧手機處理器時代。據瞭解，龍珠16MHz CPU是第一款在智慧手機上運用的處理器，雖然只有16MHz，但它為以後的智慧手機處理器奠定了基礎，有著里程碑的意義。
大家對英特爾的印象是電腦處理器其實英特爾也曾推出手機處理器。從英特爾的第一款PXA210上市，以其高主頻、對3D效果很好的處理，贏得了不少廠商的青睞，此後的產品在主頻和處理能力上也一直提升，但由於英特爾的晶片做工較高，相應的價格也比同期產品要高很多，耗電量也更大，所以市場反響也並不好，後來英特爾賭氣將Xscale賣給了Marvell，不做手機處理器了。
在1985年7月，7個行業資深高管聚集到了Irwin Jacobs博士聖地亞哥的家討論一個想法。這些夢想家們—Franklin Antonio、Adelia Coffman、Andrew Cohen、Klein Gilhousen、Irwin Jacobs、Andrew Viterbi和Harvey White—決定他們想要構建“高質量通訊”並制定了一個計劃，這個計劃最後演變為通訊行業最偉大的創業成功故事之一：高通公司。
高通從名字看來並不像德州儀器、英特爾那麼響亮，可在智慧手機玩家中，高通收到青睞的程度遠遠高於前兩者。高通公司的手機晶片組主要包括Mobile Station Modems(MSM晶片組)、單晶片（QSC）以及Snapdragon平臺。能夠相容各種智慧系統，我們在各廠商的主流智慧手機中都能發現其身影，高通CPU的特點是效能表現出色，多媒體解析能力強，能根據不同定位的手機，推出為經濟型、多媒體性、增強型和融合型四種不同的晶片。同時高通的CPU晶片是首個能夠相容Android系統的，所以一下佔據了Android手機CPU的半壁江山，Android是未來智慧系統的大勢所趨，高通就如同給這準備騰飛的Android加上了翅膀，前景一片光明。
手機處理器能大行其道，離不開NVIDIA的貢獻。在上世紀末，三星和NVIDIA合作推出Tegra平臺，三星自身的高效處理性及NVIDIA對多媒體效能的處理將完美的結合在一起，由此也看出三星對於手機CPU市場的重視。與三星合作的NVIDIA一樣不可小視，在PC顯示卡晶片上NVIDIA一直是所有發燒友們的不二選擇，強大的多媒體解析能力給了NVIDIA在手機方面有更大的空間，因為如今的手機系統已經越來越重視對多媒體的表現能力，這時NVIDIA的介入必將給手機多媒體能力帶來質的的飛躍。
如今的手機對視訊最高處理能力是4K，今後很可能就是8K乃至更高。近日，包括德州儀器、英特爾等都最出了主頻高達1GHz的CPU，在搭載高通生產主頻為1GHz的TG01上市後，高通還要釋出主頻為1.3GHz的QSD8650A晶片組，在未來CPU的主頻將會越來越高，相容能力和執行能力也會越來越強，搭配的功能也將會更多。
手機處理器的研發難度在哪？
手機處理器研發難度是多方面的，從它涉及的幾大主要技術就可以看出來。
一、手機處理器架構
架構是處理器的基礎，對於處理器的整體效能起到決定性的作用，不同架構的處理器在相同主頻下，效能差距可以達到2-5倍，這可見架構的重要性。那麼什麼是架構呢？架構就像是一座建築的結構設計部分，而處理器就相當於一個完整的建築，只有有了穩定的結構作為基礎，才能建造出各式各樣的房子。換句話說，架構只相當於一座建築的框架，至於最後建造出來的房子長什麼樣，舒適度如何，就是由處理器廠商自己決定了。
不過有一點需要說明，假如結構的設計值是10層，總戶數上限是100戶，那麼最後建好的房子的相關引數也只能在這個範圍內，不能超過原結構設計值。這也就是說，採用相同架構的處理器，其效能已基本鎖定在一定的範圍內，不會有大的突破。所以，看處理器的效能要先看架構。目前，手機處理器的架構主要有ARM和Intel X 86兩大類。
眾所周知：Intelx86架構在PC中佔據著無法撼動的霸主地位，包括Intel主要的競爭對手XAMD在內，都是使用的X86架構，然而在手機處理器領域，X86只能算是初出茅廬的小生，雖然潛力無限，但至今還沒有一款採用X86架構的手機上市。 ARM架構處理器在手機處理器領域佔有約90％的市場份額，處於絕對的壟斷地位，其晶片標註如圖1所示。目前，主流的處理器晶片廠商幾乎都是採用了ARM架構，如高通、德州儀器、英偉達、三星及蘋果等。
ARM 是微處理器行業的一家知名企業，公司成立於英國劍橋，主要出樓晶片設計技術。該公司開發了大量高效能、廉價、耗能低的RISC處理器及其相關技術及軟體，廣泛用於消費／教育類多媒體、DSP（數字訊號處理）和移動式裝置中。近年來，由於手機制造行業的快速發展，ARM架構處理器出貨量呈現爆炸式增長，迅速佔領了全球手機約90％的市場份額。
目前，千元級的低端智慧手機或者很多低價的國產手機處理器多采用比較陳舊的ARM 11架構，如德州儀器OMAP2420/2420主頻為330MHz）以及高通MSM7225/7227（主頻為528MHz -800MHz）和MTK的一些處理器，而高通MSM7227A採用的Cortex-A5架構實際上也是屬於這一級別，代表機型為最近新上市的HTC T328w手機。現在主流的中高階手機處理器基本上都採用了ARM Cortex-A8架構，工作頻率在60OMH：以上，很多已超過1 GHz，並能在較寬的頻率範圍內調節。在同頻下，ARMCortex-A8架構比ARM11架構效能提升3倍以上，而功耗卻大大降低。
採用ARM Cortex-A8架構的處理器有德州儀器的OMAP34 X 0和OMAP36 X0系列處理器，高通曉龍Scorpion架構的S2/S3系列，和三星蜂鳥及蘋果A4處理器，這些處理器均是在A8的基礎上優化而來，代表機型有摩托羅拉DEFY、三星19000、蘋果iPhone 4以及小米手機等。
現在最先進的處理器架構是ARM Cortex-A9，與ARM Cortex-A8架構相比，最大的區別是支援多核心和亂序執行，並且效能也得到了很大的提升。目前，大部分雙核處理器採用ARM Cortex-A9架構，如Tegra 2、德州儀器OMAP44 X0系列、三星獵戶座E4210和蘋果A5等處理器，包括最近推出的首款四核處理器Tegra 3，代表機型有摩托羅拉ME860,摩托羅拉Droid Razr、三星19100、蘋果iPhone 4S 16G和HTC One X等。但高通MSM8x60系列處理器依然採用上一代的Scorpion架構，如小米1S手機的處理器為高通曉龍SnapdragonMSM8260（雙核1.7GHz )，小米2手機的處理 處理為高通驍龍APQ8064（屬於高通驍龍S4系列，28nm工藝，1.5GHz四核CPU)。另外，高通的下一代Kraft（環蛇）架構，也是基於A9架構優化而來。更為先進的ARM Cortex-A15架構將是下一代ARM發展的趨勢。
二、處理器的工藝製程
製程工藝中所說的多少奈米（nm）是指IC內電路與電路之間的距離，這個數字越小也就意味著更低的功耗和散熱，同時也表明在相同面積晶片上能整合更多的電晶體，而電晶體的數量又是決定處理器效能的關鍵因素。所以，工藝製程越先進，處理器效能就越強。處理器從較早的90nm，到後來的65nm,45nm, 32nm，一直髮展到目前最新的28nmo 16nm製程工藝將是下一代CPU的發展目標。
晶片的工藝製程和架構是同時發展的，一般採用更新架構的處理器也會應用更先進的工藝製程。目前，低端手機一般還在使用比較落後的90nm製程工藝，如德州儀器OMAP1和OMAP2系列處理器，如圖2所示。另外，很多低價國產手機採用的MTK（聯發科）系列處理器也為90nm製程工藝。雖然這些處理器的效能比較差，功耗也很高，但是由於低端手機對效能的要求也不高，執行一般軟體時也較流暢（執行大的遊戲除外），加之其優點是售價便宜，降低了智慧手機的門檻，使使用者只需花費幾百元就能感受智慧手機的樂趣，所以仍有一定的市場佔有率。
到了ARMCortex -A8時級，比如德州儀器OMAP34 X 0系列等，如圖3所示，甚至有些已經提升到45nm級，比如德州儀器OMAP36 XO系列、高通驍龍S2/S3系列和三星蜂鳥處理器等。這些處理器一般用在中高階單核智慧手機和採用高通MSM8 X 60的雙核智慧手機中，代表機型有蘋果iPhone 4,摩托羅拉里程碑、魅族M9、HTCSensation系列和小米手機等。在ARM Cortex-A9時代，雙核處理器的工藝製程一般都達到了45nm級，比如德州儀器OMAP44 X0系列，三星獵戶座處理器等，而英偉達Tegra 2和Tegra 3的工藝製程達到了更為先進的40nm。這些處理器一般應用在高階的雙核手機當中，比如三星19100,19220、摩托羅拉Droid RAZR以及HTC One X,小米等手機。
三、手機處理器的主頻
處理器的主頻自然代表著一部手機的效能。雖然不同架構的同主頻處理器會有所差異，但在相同的條件下，高主頻顯然意味著更強的效能。CPU的主頻是指CPU核心工作的時鐘頻率（CPU Clock Speed）。通常所說的某某CPU是多少兆赫茲的，而這個多少兆赫茲就是CPU的主頻。由於主頻並不直接代表運算速度，所以在一定情況下，很可能會出現主頻較高的CPU實際運算速度較低的現象，例如經常被大家垢病“高頻低能”的高通處理器，由於架構比較落後以及採用了非同步雙核的方式，導致主頻雖然達到1.5GHz，但是效能卻並不強。這款雙核1.5GHz處理器用在小米1手機中，因該手機對系統進行了優化，則整機效能提升了30%。
提高CPU工作主頻主要受到生產工藝的限制。由於CPU是在半導體矽片上製造的，在矽片上的元件之間需要導線進行連線，由於在高頻狀態下要求導線越細越短越好，這樣才能減小導線分佈電容等雜散干擾以保證CPU運算正確。因此製造工藝的限制，是CPU主頻發展的最大障礙之一。
四、手機處理器的執行記憶體RAM
智慧手機中的儲存器有ROM和RAM之分。由於ROM是儲存作業系統等內容的地方，為了系統的安全，一般情況下是不允許擦寫的，故稱為只讀儲存器，它和處理器的效能關係不大，而影響處理器效能的關鍵元件是RAM。RAM 是指隨機儲存器（常稱之為記憶體），如圖5所示，其特點是儲存單元的內容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與儲存單元的位置無關。這種儲存器在斷電後將丟失其儲存內容，故主要用於儲存短時間使用的程式。
AM容量越大，執行大型遊戲以及多執行緒程式時速度就越快。比如同樣方1.5GHz主頻的雙核處理器，在同等條件下，配用512MBRAM時的速度就比配用256MBRAM的速度快。所以，手機的RAM越大越好。目前，比較高階的手機基本上都採用了1GB記憶體，甚至採用2GB記憶體。為了提高處理器讀寫記憶體的速度，在一些高效能智慧手機中採用雙通道體系，如圖6所示。該體系中設有兩個獨立、具備互補性的智慧記憶體控制器PIO，每個控制器控制一個記憶體通道，兩個記憶體控制器相互獨立並行工作，當控制器B進行下一次存取記憶體時，控制器A就讀／寫主記憶體，反之亦然。兩個記憶體控制器的這種互補的“天性”可以讓有效等待時間縮減50%，因此雙通道技術使記憶體的頻寬翻了一番。
對於手機處理器而言，能同時解決這四大難點，還可以相容彼此的效能就是很強大的技術，在保持處理器效能的同時，能做到價格不貴也是很難的，畢竟手機對於價格還是很敏感的，小米作為一家大眾化品牌，主動研究手機處理器可以說是非常不錯的，未來希望它能不斷追趕高通和華為，研究出具有自己特色的手機處理器吧。