三星14nm Exynos 7420深入解读

功臣ASV

在这里，我们需要简单介绍一下ASV（Adaptive Scaling Voltage），也就是自适应电压控制的相关内容。因为处理器在制造过程中，由于误差、杂质等问题的存在，不可能保持完全一样，不同的硅晶体管也就拥有不同的电气特性。一些比较糟糕的芯片可能不能稳定在目标频率上，那么只有通过增加一些电压来使其稳定运行。在确定了相关电压后，芯片测试工厂会使用一些物理手段来永久标记芯片所需的电压情况。

Exynos 7420的14nm工艺被证实采用了FinFET技术，图中高耸的gates即是明证。示意图源自ChipWorks。

在Exynos上，由于芯片体质不同而出现不同电压等级的情况，被称为ASV组。一些需要比较高电压的芯片，被称为“冷”芯片或者“慢”芯片，这意味着这些芯片可能不能完全达到高频率，但是它们的静态电流泄漏同时也会变得很低。另一些被称为“热”或者“快”的芯片，使用很低的电压就可以达到较高的频率，因此往往是用较低的VDD，不过这类芯片的静态电流泄漏可能会略高一些。目前的移动处理器上，决定耗电量的主要指标是动态电流泄漏，比如从栅极到漏极、漏极感应势垒降低等，这些能耗远远超过静态电流泄漏。当然，全新的FinFET鳍状晶体管也能大幅度降低静态电流泄漏。总的来说，目前人们总是希望得到“热”或者“快”芯片，同时使用更低的驱动电压。

为了进一步说明晶体管体质对ASV的影响，三星给出了一张图片。如图4所示，这张图展示了不同档次晶体管的ASV电压。从图4中可以看出，差的和好的Exynos 7420在相同频率下所需要的电压差值高达150mV。举例来说，在1000mV时，好的Exynos 7420可以跑到2.1GHz，而差才仅仅1.7GHz。不过人们过分担心自己的处理器的体质，因为处理器的体质是遵循泊松分布的，绝大部分的处理器都会落在ASV10到ASV11之间或者附近。目前还没有收到低于ASV6的报告，这并不意味着这些不存在，但真的非常罕见。我们测试的这颗处理器CPU集群部分和存储控制器部分ASV值都是10，而GPU的ASV值是11。

除了有关晶体管本身的工艺和制造问题外，三星在电压和频率控制方面也有非常出色的方案。一般来说，目前芯片中所指称的电压，都属于“目标电压”。因为电压降压转换器（高效率降压稳压器）的PMIC可能不完全准确，那么这个时候需要在传统的软件电压控制DVFS（动态电压和频率调整）之外，使用其他的工具来更为精细化的控制电压。今年，三星推出了全新的DVS（动态电压调节）机制，并将其应用在Exynos 7420中，还额外采用了一片Cortex-M3架构的微处理器来实现DVS。

DVS的优势在于拥有更细的调节粒度和更为快速的实施响应速度。它可以快在一个毫秒内完成电压调节，比主DVFS的20毫秒至80毫秒速度更快。粒度方面低可调节650微伏，并且可以为处理器中不同的部分配置不同的调节电压。目前三星在Exynos 7420的CPU部分使用25mV的粒度，在GPU部分则使用12.5mV。

35年来的CPU发展趋势。不难看见，2005年前后，单线程性能增长开始放缓（蓝线），而多核开始抬头（黑线）

更细的电压调整能够有效降低电能浪费，这是Exynos 7420节能的一个重要方面。新工艺、低电压加上极为优秀、快速和细粒度的电压调整，使得Exynos 7420的功耗表现异常出色。目前Exynos 7420的电压低可达575mV，频率降低到416MHz，相比之下，上一代Exynos 5433低电压大概在750mV，高了不少。