5nm高端“芯力量”　淺析三星Exynos 1080移動平臺

三星的芯歷史

如果說蘋果iPhone打敗了同期的Windows Mobile和Symbian（塞班）系統手機，成為了現代意義上智能手機的轉折點，那三星就是這一歷史時刻最深入的見證者（表1）。因為iPhone/3G和iPhone 3GS搭載的就是三星旗下的S5L8900和S5PC100處理器（圖1），iPhone 4自研的A4處理器，也與代號為“蜂鳥”（Hummingbird）的S5PC110處理器（圖2）流著相近的“血脈”（見表1）。

Exynos品牌誕生于2011年2月，首發型號為Exynos 4210（45nm，雙核Cortex-A9，集成Mali-400MP4 GPU），由于該系列芯片的開發代號“Orion”是獵戶座的意思，比Exynos這個生造詞（由Exypnos和Prasinos兩個希臘語單詞組合而來，分別代表“智能”與“環保”之意）更容易記憶和理解，因此Exynos就有了一個非官方的中文名稱“獵戶座”。至此，“獵戶座”就成為了與高通“驍龍”（Snapdragon）齊名的手機處理器商標（圖3）。

搭載蜂鳥S5PC110處理器的三星Galaxy S，又稱i9000

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如果你對Exynos980這顆SoC感興趣，可參考本刊2020年第4期《5G時代普及先鋒之二Exynos 980移動平臺解析》這篇文章。

有意思的是，在Exynos品牌取得成功后，三星還將在2010年上市的蜂鳥S5PC110處理器“追封”為Exynos 3110，而后者也成為了Exynos系列中唯一一顆單核處理器。

Exynos自誕生以來，一直都是三星Galaxy S系列的御用“心臟”（圖4）。而當年魅族MX系列手機的崛起，也離不開除三星外唯二搭載Exynos處理器的核心賣點。可惜，三星自Galaxy S4開始便引入了Exynos和驍龍雙平臺戰略，后期在國內銷售的版本多為搭載驍龍處理器的型號。魅族從2014年開始攜手聯發科，隨后更是全面倒戈高通，Exynos品牌在國內市場的知名度和影響力逐年下降。

這一局面直到2019年11月，三星攜手vivo在國內發布Exynos 980移動平臺才得以扭轉。Exynos 980是與驍龍765系列同一時期量產的中高端5G SoC（集成5G基帶），并被vivo X30系列手機首發（圖5）。借助vivo的影響力，Exynos品牌重新回到了國內大眾的視野。2020年5月底，定位更低的Exynos 880也隨vivo Y70s一同發布亮相，進一步拉低了5G手機的入手門檻。至此，更多的普通消費者才意識到，高通驍龍、華為（海思）麒麟、聯發科天璣和三星Exynos，原來都是5G SoC的資深玩家。

Exynos 1080全解析

按照三星的產品規劃，去年發布旗艦級Exynos 990的接班人是Exynos 2100，而Exynos 1080則是Exynos 980的續作。對于一款非旗艦定位的芯片，Exynos 1080同時集5nm工藝、Cortex-A78和Mali-G78架構于一身，以中高端芯片的身份卻有著旗艦級芯片的特性，因此它一經曝光便備受期待。

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全新5nm LPE工藝

截至2020年11月底，已經量產的5nm手機芯片只有蘋果A14、M1以及麒麟9000系列，它們都基于臺積電5nm工藝代工。作為同樣擁有晶圓代工業務的三星，自然會讓Exynos 1080選用自家最先進的制程工藝——5nm LPE（圖6）。據悉，三星5nm LPE引入了多層EUV工藝，其FinFET晶體管包含了智能雙熔點分離、柔性放置觸點等專為低功耗場景優化的技術。在晶體管密度方面，5nm LPE是上代7nm制程工藝的1.33倍，在同功耗下性能可以提升10%，或者同頻率設計下功耗降低20%。

除了Exynos 1080，5nm LPE還將用于旗艦級Exynos 2100的制造，而三星也表示其將是高通驍龍888 5G SoC的唯一制造商。

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如果你對ARM三大核心架構IP感興趣，請參考本刊2020年第13期《新工藝遇到新架構全面解讀ARM“三劍客”》這篇文章。

首發COrtex-A78架構

ARM在2020年5月底正式發布了Cortex-A78、Cortex-X1和Mali-G78三大核心架構IP。麒麟9000是首發Mali-G78 GPU的手機芯片，而Exynos 1080則將成為率先商用Cortex-A78公版架構的手機芯片（表2）。

簡單來說，Cortex-A78和Cortex-A77的微架構相同，但前者在分支預測器、指令調度器寬度和緩存子系統帶寬等方面進行了優化升級，搭配5nm制程工藝時在相同功率下較之Cortex-A77可提升20%的性能，又或在相同性能時減少50%的功耗（圖7）。

Exynos 1080此次采用了“1+3+4”的三叢集CPU架構設計，即1顆Cortex-A78大核（2.8GHz）+3顆Cortex-A78中核（2.6GHz）+4顆Cortex-A55小核（2.0GHz）。根據三星的說法，Exynos 1080較之上代Exynos 980，其單核性能提高了50%，多核性能大約提高了2倍。

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表2：Exynos 1080和家族前輩以及麒麟9000的規格對比?

*三星還有更低端的Exyno 880，屬于Exyno 980的降頻版;麒麟9000系列也有定位稍低的麒麟9000E，其GPU和NPU略有縮水

10核心Mali-G78

Exynos 1080的GPU跨越兩代，直接從Exynos 980的Mali-G76升級到了Mali-G78。根據ARM的資料顯示，得益于綜合架構、工藝等各方面的改進，Mali-G78較之Mali-G77的性能提升幅度最高可達25%，即便是在同等工藝條件下也可提升15%，同時能效提升10%，機器學習性能提升15%（圖8）。

此外，Exynos 1080 GPU的核心數量較之Exynos 980也實現了翻倍，從Mali-G76MP5加到Mali-G78MC10。要知道，三星上代旗艦級的Exynos 990也只是集成了11個計算核心的Mali-G77MC11而已，10個核心的Mali-G78絕對要比11個核心的Mali-G77強吧？

不過，同樣采用Mali-G78 GPU的麒麟9000，卻集成了“滿血”的24個計算單元，麒麟9000 E也有20個。不知道Exynos 1080能否為GPU賦予更高的核心頻率，用來彌補計算核心數量上的劣勢，減小與麒麟9000系列之間在3D性能方面的差距。

與此同時，Exynos 1080支持FHD+分辨率下最高144Hz的顯示刷新率，OEM廠商可以根據實際產品的成本和定位搭配LPDDR4X或LPDDR5內存，以及從UFS2.1到UFS3.1標準的閃存。Exynos 1080的GPU模塊支持HDR，可解析10bit的畫面，可讓游戲畫面色彩過渡更真實、畫質更細膩。Exynos 1080還對動態幀率自適應以及“陽光屏”的支持做了專門的優化，而且無需調高屏幕亮度就能增加顯示內容像素之間的對比，以達到優化顯示和節省功耗的雙重目的。

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真正的全網通

作為一顆“SoC”，Exynos 1080整合了三星最新的5G NSA/SA雙模調制解調器，除了我們熟悉的2G、3G、4G和5G NR Sub-6制式以外還支持毫米波（amWave），堪稱真正意義上的“全網通”。其最高上行和下行速率分別為5.1Gbps和3.7Gbps（圖9），比麒麟9000還要快。當然，最新的Wi-Fi6和藍牙5.2功能也在Exynos1080的支持列表中。

需要注意的是，驍龍865和驍龍765搭配的調制解調器也原生支持毫米波，但國內銷售的手機卻都不支持這一頻段。因為毫米波需要在手機內加裝更復雜的天線陣列，在國內運營商沒有正式鋪設毫米波基站之前，手機廠商是不會多花冤枉錢的。因此，Exynos 1080支持毫米波，但不代表搭載這顆芯片的手機就一定支持毫米波。

AI助力影像多媒體

Exynos 1080集成了算力高達5.7TOPS的新一代NPU，并強化了它與DSP和ISP間的聯動能力。比如NPU+DSP的AI解決方案能夠在沉浸式VR/XR、智能語音助理識別及AI增強的智能攝影等應用程序上進行準確、快速地對象識別或場景檢測。NPU+ISP的AI解決方案則能在原始RAW域上通過機器學習智能調節各參數至更佳值，讓ISP更智能地調整白平衡、曝光、色度、飽和度、清晰度等（圖10）。

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此外，Exynos 1080還支持最高2億像素的攝像頭，以及最多6顆攝像頭同時開啟進行1080P高清攝像，其ISP最多可以同時接收三個輸入信號，支持多路高清視頻的傳輸，帶來更加智能的攝像體驗，同時還能拍攝10bit色域的艷麗視頻。

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如果你對毫米波技術感興趣，請參考本刊2020年第2期《極致網速全靠它淺析毫米波頻段對5G的影響》這篇文章。

小結

如果按照2020年的標準，Exynos 1080其實已經跨入了旗艦級SoC的門檻，有著高主頻Cortex-A78和Mali-G78MC10的加持，可以讓上代Exynos 990這類旗艦級SoC羨慕嫉妒恨（圖11）。但是，如果將眼光放遠一些，2021年我們將看到更多引入Cortex-X1超大核的5nm SoC，比如三星自家的Exynos2100、高通驍龍888和聯發科天璣2000系列等。因此，真正適合Exynos 1080的戰場其實是2500元～4000元左右的價位區間，至于它的真實性能究竟如何，請關注CFan的后續報道。

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