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华为首次披露:麒麟芯片发展史2

送交者: 不清不楚[♂☆★★声望品衔11★★☆♂] 于 2019-09-16 15:05 已读 14 次  

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回答: 华为首次披露:麒麟芯片发展史 由 不清不楚 于 2019-09-16 15:05

7、新一代自研射频芯片Hi6362,支持更广泛的全球漫游。

8、新组织架构的首次全方位练兵。一款手机SoC芯片,通常是提前2~3年开始研发,从规划、设计到生产,环环相扣,每个环节都很重要。2014年中,无线终端芯片业务部完成组织架构调整,可以说麒麟950是组织结构优化调整后第一个真正意义上的芯片团队和解决方案团队通力配合研发出的产品版本。新的组织架构需要磨合,到底是否有效,产品说了算。

2015年春天,麒麟950回片,团队在上海举办了开工会,海思总裁何庭波在开工会上给大家总结了十二个字:夯实基础、踩稳节奏、开放创新。每个模块的负责人都立下了“军令状”,团队开足马力向“跨越”这个目标挺进。但到了下半年,因为麒麟950的高规格,全新的工艺、处理器、模拟IP(知识产权)、PMU、RF,导致套片量产过程中出现了种问题,工艺和功能问题耦合在一起,DDR误bit(比特,二进制制位,信息的最小单位)问题、供应商模拟IP的低概率问题、PMU的应力不足的die crack(芯片裂纹)问题、RF的ESD(静电阻抗器)问题,每个问题都非常棘手。

最要命的是,那时距离手机产品上市只有2个月了。这才出现了前文King所说的:“麒麟950有可能重演当年梅里的风险。”这话并不过分。庆幸的是,这时候的团队已经不是梅里时的团队。海思领导Julian亲自带头连夜跑到供应商处解决问题,Paul也身先士卒和大家一起讨论解决方案,King立即赶赴产线,在一线集合海思SoC、RF、模拟封装、可靠性、产品线等各方面专家集中攻关两个月。

在所有兄弟的共同努力下,终于麒麟950得以成功量产。那么这些问题是如何解决的?先看看麒麟950上惊心动魄的RF问题。麒麟950配套的RF芯片是H6362,海思从3G时代自研RF芯片,到4G时代已经基本追平了业界主流水平,Hi6362已经是第二代4GRF芯片,大家信心满满。2015年秋天,那时Mate8手机已经投入试产,大家在紧锣密鼓地测试中。一天,由于被测试手机比较多,检测人员无意中发现两台Mate 8手机叠放在一起信号会立刻失效。这太恐怖了。

RF专家Orion立即带领团队进行问题定位,经过两个多月的攻关,终于发现是ESD出了问题,也就是RF芯片生产过程中少了一层膜(mask),这个失误会直接影响到RF芯片的可靠性,最终导致芯片无法正常工作。发现问题的当天下午,开发团队第时间奔赴RF的代工厂,与对方专家一起看版图,最终在凌晨3点半发现版图调错的问题,并对另外一个量产版本做了检查,幸运的是这个版本是正确的。完成这些工作已是第二天早上6点,大家都如释重负,两个月来的攻关终于尘埃落定了。旧版本全部报废,开足产能生产新版本。

到这里,问题似乎解决了。但一个更棘手的问题摆在大家面前:那时已经生产出来6万台Mate 8手机,怎么办?按照测试人员的说法,只有两台手机靠在一起,才会出现问题,这种概率比较小。从这个角度来说,这些手机可以销售。而如果出问题,则会直接影响到华为手机的口碑。考虑到如果这些手机全部报废,会出现价值几亿元的损失,大家不知道怎么办才好。最终海思总裁何庭波果断决策——6万台有问题的手机直接报废,因为华为手机的品质和消费者的信赖是公司生命之本。

麒麟950上除了RF问题,还有前面提到的工艺问题、ISP问题等,都一一得到解决。这些内容我们后面分别详细介绍。

2016年6月20日,任总给麒麟950(含巴龙)研发团队颁发了总裁嘉奖令。2016年6月28日,海思举办主题为“跨越”的庆功会,徐直军、余承东、何刚、李小龙等均到场,祝贺麒麟950的成功,并对未来的麒麟提出了更高的希望。

无线终端芯片业务部主管Paul说:“别人说我们是奇迹,每一步都很成功,其实每个成功的背后都是大家的艰辛付出。我们是一群普通人,却做出了一流的产品。这其中,目标导向的价值观起到很大作用,大家力出一孔,艰苦奋斗,致力于把事情做好。不服输,长期坚持朝目标努力。新征程,现在,我们要面向未来。”

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先进工艺:提前布局决战巅峰

2013年1月个寒冷冬日的午后,Leo和几位领导和同事一起去拜访台积电,目的是希望和对方合作开展业界顶尖的16 nm FinFET工艺。当时的海思在工艺上并不领先;规模上,在台积电的客户清单上排名50位左右。所以,导入16nm,这几乎就是“ mission impossible”(不可能完成的任务)。这个任务能完成吗?

作为一家半导体设计公司,海思对先进工艺的追求是锲而不舍的,而先进工艺又是最难的。按照提前2~3年立项的时间节奏,2013年,海思就开始规划麒麟950,工艺是一项重要规格。那时手机芯片的主流制造工艺是28nm。对于2年后要上市的麒麟950,海思如何选择?

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为什么选择16 nm FinFET?

持续数十年的 Bulk cmos(体效应互补金属氧化物半导体工艺)工艺技术在20nm走到尽头,加州大学伯克利分校胡正明教授在20年前就开始探索并发明的基于立体型结构的 FinFET晶体管技术和基于SOI的超薄绝缘层上硅体技术的UTB-SOI(超薄通道绝缘体上硅)技术,也就是行业内常说的FD-SOI(全耗尽绝缘体上硅)晶体管技术,能解决半导体制程到25nm后的制造和功耗难题,成为半导体产业仅有的两个重要选择。因为他的两个重要发明,摩尔定律在今天得以再续传奇。

但实际上,从胡教授在20世纪90年代发明 FinFET技术,到2015年 FinFET技术量产,这中间却用了近20年的时间。

海思很早就意识到了手机芯片工艺的技术极限,2012年底,海思总裁何庭波拜访胡正明教授,向其请教 FinFET技术在16nm工艺上的可实现性,做出了通过技术创新突破瓶颈的选择:跳过20nm,开始了16 nm FinFET+工艺的技术突破之旅。在两年后的2015年,在麒麟950发布会上,胡正明教授谈16 nm FinFET技术的视频,令所有与会者震撼。这是后话。

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台积电:为什么要和海思在顶尖工艺上合作?

虽然做出了选择16 nm FinFet+工艺的决定,但要真正实现商用却面临着巨大的难题和挑战。

首先是16 nm FinFET工艺的生产和制造问题,当时在手机芯片制造领域拥有 FinFET技术的芯片制造商台积电(TSMC),对芯片设计厂商的技术水平、技术积累、商用经验和商用规模都有着极高的要求。

2013年初的海思,手机芯片的量确实不大(麒麟910是2013年下半年才商用),更没有后来成为爆款的麒麟920,所以在台积电那里根本算不上大客户。在先进工艺上海思又一直处于跟随的状态,并没有率先商用顶尖工艺的经验。所以,当时几乎看不到台积电与海思在顶尖工艺上合作的可能性。

2013年1月,一个寒冷的午后,海思总裁何庭波带领骨干成员去台湾拜会了时任台积电轮值CEO刘德音先生,Leo是其中一员。他回忆道:到达台湾的当天,何庭波不巧生病了,发着高烧,但她还是坚持第一时间去台积电拜访。正是这次重要的会面,促成了双方在16nm FinFET上的战略合作。

海思作为大陆领先的芯片设计厂商,在台积电有着优秀的量产纪录,和台积电有着良好的合作关系,更重要的是具有清晰的战略思路。那时,华为手机已经决定做自有品牌高端手机,而其他领先芯片设计公司大多选择了在其他代工厂生产,台积电迫切需要一个与之抗衡的大客户这个大客户很可能就是海思。可以说,台积电看到了海思芯片在华为手机未来全球版图规划中的重要性,深刻地意识到此次合作对于双方的战略意义,于是选择海思作为16nm全球首发芯片合作伙伴,麒麟950终于拔得16nm头筹。

同样是16nm,麒麟950还做了几次切换:先是16nm LL(能效比较好),后来切换到GL(性能比较好),最后确定 FinFET Plus。芯片主管 William说:这无异于一辆汽车在飞驰中换引擎,开发工作量非常大。2013年10月21日立项,在2014年底投片之前,大家都异常焦虑。果然,一堆问题冒出来了。)

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首款自研 LPDDR:为什么要走钢丝?

先进的工艺总是伴随着很多工程化的难题,16 nm FinFEE新工艺要求单芯片集成的晶体管数目从20亿个增加到30亿个,金属互连的难度成倍提升;基于3D结构的晶体管,工艺复杂度大幅增加。

与此同时,麒麟950还首次搭载自研的 LPDDR,这是当时最有挑战性的技术方案之一。在选择更有竞争力但技术风险更大的LPDDR4,还是技术成熟风险更小的 LPDDR3的问题上,当时内部意见很不统一。经过五次反复,最终决定两代都做。同时兼容LPRRD3和 LPDDR4,业界没有可以参考的经验,甚至第一次面对定义封装的问题,首款、自研,这些字眼里充满了风险,负责芯片开发的高层主管 George亲自和 William带了30人的团队,一起和DDR研发主管Leo的团队检验设计,每天看代码、看设计。期间出现的警告log(日志)多达几万条,大家就一条一条过,每天都忙到夜里十一点,有同事甚至累到病倒。当时还赶上春节,大家也都基本没有休息,时刻在担心最终的效果。Leo说:那时候简直像在走钢丝。

庆幸的是钢丝终于走过去了。回过头来想,同时实现LPDDR3和LPDR4是多么英明的决策: LPDDR3已经成熟,可以快速调试和部署,争取宝贵的时间窗口,不影响整体芯片的开发,并且可以支撑中低端手机; LPDDR4面向未来,增强竞争力。

此外,团队还解决了铜污染、MIM(金属注射成形)技术等各种问题。每个问题也是艰苦攻关才得以解决。

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麒麟950:终于站上工艺最前沿,这是整个中国半导体产业的创举和骄傲

最终,华为在16 nm FinFET工艺上,在2014年4月实现业界首次投片——在海思的网络处理器Phosphor 660(它就是现在的鲲鹏920的前身)上,2015年1月实现量产投片——在麒麟950上,并于10月实现量产发货。麒麟950终于实现了16 nm FinFeT工艺的率先商用。从 FinFET技术概念的提出,到今天16 nm FinFET技术在华为麒麟芯片得到商用,20年的过程艰难又曲折。

自此,海思开启工艺领先之路。麒麟960第一次在封装工艺上站上业界最前沿,并且其安全性达到了金融级安全标准。2016年11月,麒麟960荣膺第三届世界互联网大会“领先科技成果”。麒麟970采用了当时业界最顶尖的10nm工艺。但更重要的是,麒麟970首次在手机SoC中集成了专用NPU(嵌入式神经网络处理器),开启了端侧AI行业先河,其难度也是非常大的。麒麟980是业界首款7nm工艺的手机SoC芯片。7nm相当于70个原子直径,逼近了硅基半导体工艺的物理极限,麒麟980实现了在针尖上翩翩起舞。

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ISP:全球人才布局,麒麟拍照如何做到从追赶到一骑绝尘?

2013年夏天的一个周末,在法国海边小城尼斯,Joe和8位“居家好男人”一起“组团”去家具城买家具,他们买了若干桌子、椅子、柜子等,用自己的私家车运到空空如也的办公室,卸货,组装,忙得不亦乐乎。终于,他们拥有了像样的办公环境。

那天正好是中国的传统节日端午节。Joe去超市给法国同事们买来了粽子,想让他们尝尝中国的传统美味。法国同事们对中国文化和美食非常感兴趣,让Joe觉得好笑又温暖的是,因为是第一次吃粽子,他们不知道粽子皮能不能吃。作为图像图形学的科学家, Stephen解决这个问题的办法是:试下。他咬了一口,觉得粽子皮太硬了,于是得出结论:应该不能吃。

他们是麒麟芯片拍照团队的成员。

在麒麟950之前,华为没有自研的ISP。早在2011年,就有人反映华为手机拍照功能不尽如人意。在一次高层会议上,任总问海思总裁何庭波:“为什么华为手机的拍照不强?”何庭波说:我们缺乏自研ISP。”任总说:“为什么不投资做自研ISP?”何庭波说:“没钱。”任总说:“没人投,我投!”

经过多方论证和准备,2012年,麒麟团队终于启动了自研ISP的立项,商用目标是2015年的麒麟950及Mate 8手机。随后,ISP团队、3A(自动对焦、自动曝光、自动白平衡)算法团队和PQ(图像质量)团队开始筹备和构建,但还是缺人,缺专家。

2012年,TI解散了他们的ISP团队OMAP(TI的开放式多媒体应用平台)听到这个消息,负责芯片研发的老大 George第一时间飞到海外,希望将Ti的ISP团队吸纳过来。可是,他见了OMAP在全球不同城市的人,都没有收获,很多优秀的人才要么已经被其他公司抢走,要么就是不符合海思的要求。George很失望。

正在这时,一位朋友告诉他,TI在法国尼斯还有个团队,可以去碰碰运气。于是 George立即飞往尼斯。这次运气不错, George与温文尔雅、思维缜密的Stephen相见恨晚,力邀其加盟。自此,ISP团队正式组建,除尼斯外,还有北京、深圳、上海、日本等团队,大约100多人,全力投入ISP技术攻关。Robin和Joe就是那个时候从其他团队抽调过来的, Robin担任ISP芯片团队主管,Joe是SE(系统工程师)。

Joe于2013年5月去尼斯,与Stephen等8位同事并肩作战。刚开始的时候,没有办公室。大家在一个公共写字楼里租了一间大约20平方米的会议室,里面只有一张会议桌,9位同事围着这张桌子办公。没有网络,大家只能靠手机的无线信号网络工作。

这种情况持续了一个半月左右,办公地点终于定了下来,有了自已独立的办公室,但里面什么都没有,也没有行政人员帮忙。按照当地的办事流程,这些都配齐,可能还要两三个月,于是就出现了文章开头所描述的场景:大家干脆自己去家具城买办公家具,自己动手组装。这期间,Joe与尼斯团队一起经历了跨国工作的磨合期——大家来自不同的国家,面临语言障碍和文化差异,粽子皮能不能吃,只是文化差异的一个小缩影。最终,大家克服语言障碍、团队熟悉度不足、工作习惯和环境差异等问题,形成了协同、高效的战斗力和良性的工作氛围。

大家都很关注自研ISP的成像效果,不同部门的人也都在积极配合。Robin回忆,当时华为终端部门对麒麟自研ISP非常重视,硬工部老大亲自坐在电脑前,一张一张地对比图片成片质量。秘书们义务帮忙,进行图片盲测,对麒麟芯片以及其他手机拍摄的图片进行对比和排序,发现有不好的,及时返回给算法改进。

用户拍照体验好不好,除了ISP芯片本身,软件和算法解决方案也至关重要。Robin和Joe的芯片团队已工作了近两年,而大量的解决方案软件和算法亟待开发或成熟,时间已非常紧张。2015年4月,Roc加入拍照团队,担任麒麟拍照解决方案研发主管,那时距离自研ISP回片时间不到一个月,距离首产品Mate 8手机商用也不到半年。他紧急整合解决方案软件、算法、PQ团队,与ISP芯片、终端、2012媒体工程部等兄弟团队集中队伍、协同作战。开始时拍照的体验很不理想,功耗、性能、基础效果体验都大幅度落后竞品,他带领联合团队持续开发、攻关和优化,在Mate8上市前的半年时间里,经常每天晚上11点开晚例会,每月休整1~2天,终于功耗、性能、基础效果体验的问题都陆续得到解决,拍照体验的竞争力开始浮出水面。

经过3年多的艰难攻关,在2015年推出的麒麟950上,海思第一代自研ISP正式亮相。首产品即商用,这在海思历史上还是很少见的,但这次自研ISP不负众望,支持14bit双ISP,吞吐率性能提升4倍,高达960 MPixel/s(每秒百万像素),让Mate 8手机拍照效果实现了大幅提升。但Roc的团队几乎一口气都没有歇,立即投入P9的拍照能力的攻关。它们两个最大的不同是:Mate8只考虑单摄像头,而P9是双摄像头,所以需要修改架构。

终于,到第二年第一季度,自研ISP技术与徕卡双镜头“双剑合璧”,助力P9、P9 Plus成为2016年的明星手机产品,黑白彩色双摄开启了华为手机拍照优势的新篇章。当时一家著名分析机构的首席分析师如此评价麒麟自研ISP:“这比买商用ISP肯定更贵,但值得。”

事实证明一切,麒麟960拍照性能继续提升。麒麟970不仅ISP性能得到提升,还开创性地融入了AI,搭载麒麟970的华为Mate10和P20手机都分别冲上了 DXOMark(法国知名图像处理软件DO公司推出的成像质量排行榜)榜单第一;而P20 pro更是在 DXOMark榜单第一的位置上稳居一年多,直到被后来的搭载麒麟980的P30 pro超越。

唯坚持,得突破。选择最难走的道路,看最美的风景,这需要智慧和勇气,更需要巨大的努力和付出。每一代麒麟的演进,都“太难了”,但即使是在最难的时刻,团队也没有放弃对创新的追求。麒麟为什么能成功?是因为大家长期坚持追求三个词Focus(聚焦)、 Persevere(坚持)、 Breakthrough(突破)。

注: 文中 Julian、Paul、 George、 William、King、Sean、Benjamin、 Orion、Jerry、Jim、 Andrew、 Robin、 James、Jary、Joe、Leo、Roc等均为化名。他们可能不是特定的某个人而是这么多年来矢志奋斗的麒麟和巴龙团队的缩影。
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