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任天堂3DS采用40nm制程SoC  

2011-07-14 22:06:27|  分类: 游戏 |  标签: |举报 |字号 订阅

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带有“Nintendo”标志的SoC独揽了“任天堂3DS”的主要处理作业。那么,该SoC是由谁设计,又是由谁制造的呢?与上一代SoC相比又有那些变化呢?本文通过详细分析SoC,来探索任天堂的设计思想。
任天堂3DS采用40nm制程SoC - Crayon - Crayon
  独揽任天堂便携式游戏机“任天堂3DS”大部分处理作业的,是封装上带有“Nintendo”标志的SoC。因为除了该SoC以外,3DS配备的大规模LSI就只有东芝的闪存和富士通半导体的FCRAM。通过详细分析SoC,我们看到了任天堂充分利用成熟技术的设计思想。
“全数字”SoC
  3DS的SoC尺寸为16mm×16mm(实测值。以下全部相同),收藏在512端子的封装内。封装上除了任天堂的标志外,还印有“1037 21”、“CPUCTR”及“ARM”等字样。可以推测出该SoC集成了英国ARM的CPU,从封装外部能获得的信息仅此而已。
  拆除掉SoC芯片的封装后,呈现在眼前的是尺寸为7.65mm×7.64mm的裸片(die)。通过剥离裸片的布线层,可以依稀看到SoC的电路构成(图1)。
任天堂3DS采用40nm制程SoC - Crayon - Crayon
图1:“任天堂3DS”的SoC裸片
基本上全部由数字电路构成的任天堂3DS的SoC。据推测,CPU、GPU、SRAM和PLL以外的电路块用于视频及音频处理、安全处理、摄像头图像处理等。尺寸为实测值。用途为《日经电子》的推测。
  某半导体技术人员看到3DS的SoC裸片后指出,“看上去是按照功能整齐地集成在电路模块上的。因为有的部分没有制作电路,所以算不上是高集成度的LSI。可能是提前确定了稍微留有余地的布局(Floor Plan),然后按照电路模块分别设计的”。这在LSI的设计中虽属于普通方法,但估计是为了在设计过程中发现问题时能将返工等风险降到最低才这样设计的。
  从SoC裸片上也能看出以下特点。①SRAM占整体面积的1/3左右;②除PLL以外全部是数字电路,逻辑电路部几乎都由标准单元构成;③不存在DDR等接口电路块。上述技术人员认为,“由于未使用依赖于芯片制造公司的特殊IP(Intellectual Property)内核,因此能灵活应对生产厂家的变更”。
裸片尺寸与DSi基本相同
  SoC是由哪家厂商开发制造的呢?为了弄清这个问题,我们与任天堂DS系列的上一代机型“任天堂DSi”的SoC进行了比较。二者封装尺寸相同,裸片尺寸也基本没变。在实测值中,3DS的SoC的裸片面积比DSi的SoC裸片增大了约2.5%(图2)。
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图2:芯片面积与DSi相同
将任天堂3DS的SoC“CPU CTR”与上代机型任天堂DSi的SoC“CPU TWL”进行了比较。封装面积相同,芯片面积也基本没变。端子数由352增至512。
  任天堂在3DS中追加了很多新功能。例如,裸眼立体观看以及利用立体摄像头拍摄3D照片等。另外,大幅增加了液晶面板的显示像素。3DS的显示像素为上画面400×240(3D显示时),下画面320×240。DSi的上画面和下画面均为256×192像素注1)。这样不但绘图处理负荷增加,SoC处理的数据量也会相应增加。虽然强化了这些功能,但裸片面积却没有改变。毫无疑问,这得益于半导体制造技术微细化的进步。
注1) 假设所有液晶面板均以相同的帧数显示影像,那么支持3D显示的3DS每帧的像素为26万8800,而DSi为9万8304。3DS的计算量最大为DSi的2.73倍。
采用台积电的40nm产品
  从结论来看,3DS的SoC极有可能是由台湾台积电(Taiwan Semiconductor Manufacturing,TSMC)采用40nm工艺技术制造的(图3)。辨别制造公司和制造技术工艺时的判断根据是裸片四个角上形成的图案。3DS的SoC “与TSMC生产的40nm产品固有图案一致”(半导体技术人员)。DSi的SoC,其四角上形成的图案与富士通半导体的65nm产品一致。
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图3:由台积电采用40nm工艺技术制造
3DS的SoC四角上形成的图案与TSMC生产的40nm产品固有的图案一致。DSi的SoC四角上形成的图案是富士通半导体的65nm产品固有的。比较两个SoC芯片上印刷的型号可推测出,二者采用了相同的命名规则。
  任天堂开发技术本部负责研究SoC性能参数的梅津隆二称,“从2007年下半年前后就开始研究3DS原型的SoC”。那么,按照该公司要求的性能参数实际设计SoC的又是哪家企业呢?这一点从SoC的裸片上并看不出来。
  仔细观察SoC裸片发现,3DS用SoC上印有“SC040U03”字样的型号,而DSi用SoC上印有“SC09U06”。可以说,二者是采用相同命名规则的同一系列产品。“采用相同命名规则的IC在夏普的烤箱‘Healsio’的图形控制器中出现过。该SoC似乎跟夏普有某种关系”(半导体行业的相关人士)。
  不过,能够在近60mm2的尺寸内设计40nm工艺的高集成LSI的企业为数不多。“考虑到DSi的SoC是富士通半导体制造的,认为3DS的逻辑设计由夏普负责,物理设计由富士通半导体负责,制造由台积电负责的想法极为自然”(半导体行业的相关人士)。
配备两个CPU
  3DS的SoC估计配备了两个CPU。分别是负责3DS的游戏处理和机身配备的各种软件处理的主CPU,以及负责DSi以前的机型用游戏处理的副CPU(图4)。据推测,主CPU为“ARM11”,副CPU为“ARM9”。
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图4:图形和图像处理电路实现大规模化的3DS
本图比较了3DS和DSi的SoC电路。制造技术的工艺由65nm变为40nm,由此可知,新配备了运行3DS游戏的CPU、SRAM容量几乎增加了一倍、负责绘图及图像和音频处理等的电路规模大幅增加,等等。电路块的用途基于《日经电子》推测的。
  在以往的任天堂DS系列中,主要利用ARM9处理DS用游戏,利用“ARM7”处理“Game Boy Advance(GBA)”用游戏。任天堂在DSi中停止支持GBA用游戏,但DSi的芯片上有两个看起来像CPU的电路块,估计这就是ARM9和ARM7。
  此次,为了使3DS与DS用游戏兼容,任天堂将ARM9作为副CPU配备。要求更高处理性能的主CPU方面,“根据缓存和逻辑电路部的面积来判断,可能是ARM11”(半导体技术人员)。
利用“成熟”技术
  将3DS与DSi的SoC裸片相比后发现,CPU和SRAM以外的电路所占的比例大幅增加。可以推断,这一部分负责绘图及图像和音频处理等,是3DS功能得以强化的主要原因。
  作为3DS的SoC绘图电路(GPU)配备的是Digital Media Professionals(DMP)的“PICA200”。没有采用最近GPU常用的可编程着色器(Programmable Shader)*,而是固定着色器*GPU。任天堂采用DMP的GPU的理由是,比可编程着色器方式GPU省电。除了支持OpenGL ES 1.1的PICA200基本绘图功能外,还部分安装了DMP作为扩展绘图功能提供的功能。
*可编程着色器=GPU的一种,通过编程进行顶点座标计算和像素绘制的方式。通过改变GPU上运行的程序,可导入新的绘图方法。
*固定着色器=GPU的一种,将已确定的绘图方法通过硬连线(Hard Wired)逻辑电路实现的方式。
  PICA200是DMP于2006年发布的GPU用IP内核首款产品。作为主CPU配备的ARM11则是2002年发布的,可以说二者都是已经“成熟的”技术。支持裸眼立体观看的3DS,其液晶面板会较以往消耗更多的电力。3DS在有限的电力中,不过度追求性能,而是通过使用成熟技术优先实现所需最低限度的性能。仅利用标准单元就构成了大部分逻辑电路也是基于这一设计思想。
利用大容量SRAM确保响应性
  3DS和DSi的SoC还有一处共同点,那就是大量集成了SRAM。考虑到制造技术微细化的进步,估计容量增加到了DSi的2倍左右。
  SRAM一般是作为CPU的缓存和GPU的帧缓冲器(Frame Buffer)使用的存储器电路。3DS的SoC除了估计是CPU、GPU和图像处理电路的电路块外,还集成了4个约4.4mm2的SRAM块。
  根据最近的研究报告,有采用40nm工艺技术在1mm2中安装2.98Mbit的SRAM的事例。3DS极有可能采用SRAM作为合计为32~48Mbit(4~6MB)左右的片上存储器(图5)。估计此举的目的是,通过使游戏等程序和数据在片上存储器中缓冲来缩短处理延迟。(记者:竹居 智久)
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图5:3DS的存储器结构
根据SoC的裸片推测的3DS存储器结构。据推测,为提高响应性,采用了SoC片上存储器。SoC外部安装了富士通半导体的FCRAM。存储器容量基于《日经电子》的推测。
任天堂3DS的全部芯片
  本图介绍任天堂3DS配备的主要LSI和IC。大部分芯片上都印有估计是开发年份的“2008”、“2009”或“2010”字样。除了这些芯片外,还安装了东芝的闪存和美国德州仪器的(TI)的锂离子充电电池充电IC。尺寸为实测值,用途为《日经电子》推测。
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