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從Apple「晶片門」學到的代工教訓

上網時間: 2015年10月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:晶片門  iPhones 6s  A9  FinFET  代工 

最近大家應該都聽說了蘋果(Apple)最新iPhone 6s/6s Plus智慧型手機同時採用兩種不同處理器晶片版本(Apple A9 SoC)的消息——其中一款A9晶片由三星(Samsung)製造,另一款則來自台積電(TSMC)。A9晶片雖然來自兩家不同的代工廠,按理來說執行起來應該是一樣的,然而,台積電與三星所採用的製程卻不一樣。

隨著Apple採用兩家代工廠供貨的秘密傳開來,科技網站開始測試這款手機,並比較兩種版本的A9處理器。結果顯示兩種版本的效能似乎並非完全相同。這可能會影響到消費者選擇哪一個晶片版本的手機,同時也導致一些消費者擔心情況可能被一些不實的測試結果誇大了。

事實上,真正的差別之一就在於SoC的實體尺寸——三星的晶片比台積電的晶片更小8%。晶片尺寸的差別可能是由於電晶體大小的不同。兩家公司都採用新的3D電晶體製程——台積電發佈其製程為16nm FinFET,而三星則稱其製程為14nm FinFET,這表示三星晶片的電晶體應該比台積電的電晶體更小。不過,製程名稱並不見得直接關係到製程幾何尺寸,如今它已經成為一些行銷用語。

採用不同的設計工具庫來打造晶片,也可以解釋為什麼兩款晶片的大小不同。即使兩款晶片的功能相同,Apple的A9設計團隊也必須分別與每一家代工廠專用的設計工具庫相互配合。例如,取決於不同標準庫的設計,用於實現快取的SRAM單元中電晶體數量與面積可能也有所差異。但無論何,晶片大小的差別應該不至於影響到消費者的體驗。

然而,從一些網站的測試結果顯示,還有另外一項差異——採用台積電晶片(至少是至今幾款測試結果)的手機顯示擁有較三星版本更長的電池續航力。實際的差異程度正是目前一些爭執的焦點。包括像GeekBench與AnTuTu等測試結果,都顯示出兩款晶片版本之間存在明顯差異。

Apple覺得有必要發表評論了。該公司表示,實際情況中應該只有2-3%的差別。Apple的回應點出了問題的核心:現實世界的測試是否足夠?這些測試顯示在大量密集的CPU處理工作負載下,電池的確消耗得更快。但在實際情況下,一般用戶通常是週期性地使用CPU,而不會持續性地使用。不過,兩款晶片之間的確存在明顯差異,但問題是為什麼會有這樣的差異存在?

台積電的晶片之所以能夠實現較長的電池續航力,主要的原因在於它比三星的晶片具有較低的漏電流,或是稍低的供電電壓。一般來說,更高的漏電流就意味著電池續航力較短,即使是在待機狀態下,更高的操作電壓效應更可能出現在密集的工作負載中。

漏電流的原因來自於電晶體未能在邏輯關閉狀態下完全關斷,導致微量的電流「洩漏」出來。即使是在處理器閒置的狀態下,這些漏電流也會持續緩慢、微量地耗用電池電量。

在這個案例下,電池續航力的差異更可能出在每個元件的工作電壓。在智慧型手機中,電源管理晶片(PMIC)可控制電壓,讓處理器因應各種不同的作業條件。PMIC用於控制電源管理的細節,在輕負載時降低處理器功耗以及減緩時脈速度,從而協助延長電池續航力。為了達到與台積電晶片相同的性能和時脈速度,三星的晶片可能必須以稍高的電壓作業,因而也從電池中汲取了更多電量。

測試結果顯示最主要的差別就在於電池續航力,這表示為了符合Apple的時脈速度要求,三星的晶片必須以稍高的供電電壓作業。較高的工作電壓可能會導致一些製程變異的結果,但這樣的結果會在低負載時帶來更高功耗。因此,為了有效判斷三星與台積電製程中的變異,還需要大量的統計樣本,而不是僅比較兩款晶片。就算是在同一家代工廠,也可能會發生顯著的變異。因此,僅由幾個測試網站進行幾項受限的測試,並不代表對這種情況的最後結論。

雖然台積電的晶片更省電,但三星的晶片尺寸較小,可以讓Apple更省成本。假設這兩家代工廠的良率差不多,晶片面積更小表示相同晶圓中可容納更多晶片。晶圓的良率高,產出的晶片更多,每顆晶片的固定成本就更低。雖然兩款晶片面積的差異僅8%,但卻可讓每片晶圓產出更多9%的未封裝晶粒。

當分析早期製造良率的影響時,這實際上意味著每晶圓產出更多11%的合格晶片。每片晶圓的合格晶片良率越高,意味著每顆晶片的成本更低。實際的成本當然還取決於封裝與測試合格晶片的成本,但光是晶片本身節省8%,對於數千萬台的單位來說,已經意味著相當龐大的數字了。

此外,在相同的量產條件下,每片晶圓產出更多晶片也意味著三星能夠提供更多元件。以成本與產量的優勢來看,Apple可能就不在意三星晶片稍高一點的功耗,而更著眼於其更低的成本優勢。

對於消費者來說,晶片之間的差異並不容易區別。極端測試放大了晶片之間些微的差異,不過,也很少有產品會像Apple的產品會被這樣過度的分析。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Apple Gives a Foundry Lesson,by Kevin Krewell,Tirias Research首席分析師)





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