历代iPhone为什么只有6s惹“芯片门”?两个版本的A9究竟相差多大?

手机评测网2019-06-13 07:30:19

来源:雷锋网

早在今年新一代iPhone面世之前,业界就已经得到消息称iPhone 6s/ Plus使用的A9芯片将交给台积电与三星两家芯片工厂代工。其中,三星使用的工艺是14nm FinFET,台积电则是16nm FinFET工艺。iPhone 6s上市后,专业机构的拆解分析迅速证明了以上传闻,且大量用户通过软件获取的芯片数据显示三星和台积电的代工比例约为2:3 。

令人惊讶的是,最近许多用户对两种版本的iPhone 6s的功耗、续航测试表明台积电生产的A9芯片看起来有更好的性能功耗表现。一些测试中,台积电版本的6s在续航能力方面相比三星版本的优势高达30%甚至更多。一时间舆论哗然,连苹果官方都要出来澄清事实,劝说消费者不要为芯片生产方操心。“芯片代工门”成了这段时间的热点话题。

那么,苹果为何要选择两家工厂来共同代工手机最重要的组件,三星和台积电的工艺水平真的有显著差异吗?

历史

时间倒回1998年,当时,刚刚回到苹果重掌大权的乔布斯率领团队拿出的第一个新产品就是五彩缤纷的一体机:iMac。漂亮的iMac一发布就吸引了广泛赞誉,消费者热情的订单蜂拥而至。然而就在iMac的市场反响最热烈的时候,苹果却沮丧地发现自己的工厂无法及时满足庞大的订单。一再拖延的交货时间让用户的热情迅速冷却,也让苹果损失了大量潜在用户。第一代iMac最终的市场成绩并不突出,供应链的缺陷是主要原因之一。

经历失败后乔布斯痛定思痛,开始将供应链管理当作一等大事高度重视。数年后苹果iPod征服了全球数字随身听市场,那时的苹果已经有了一套成熟高效的供应链战略,其中的关键一环就是零配件双供应商策略。

所谓双供应商,就是产品的每种组件都交给两家实力相近、水平相当的工厂来代工。这样代工成本会因为两家工厂的竞争而保持在低水平,且其中一家出现特殊情况无法满足产量需求时另一家可以快速补上,大大降低了产能不足的风险。

虽然这样的策略要求苹果在每种组件上都要花费两笔开模、调试等费用,但这点代价与热销的苹果产品带来的利润相比微不足道。十余年来,双供应商策略帮助苹果成为全球供应链管理水平最高的企业之一。然而虽然苹果几大产品线的几乎所有零部件都有至少两家工厂代工,却有一样重要的组件一直无法实施这一策略。这就是手机、平板、PC最重要的部件:主芯片。

芯片代工的难题

高性能芯片的制造是人类工业力量的巅峰之作。在区区数百平方毫米的硅片上蚀刻数十亿晶体管,晶体管间的间隔只有几十纳米,一颗芯片拥有每秒数千亿次的计算能力,成本却低至几十美元,如此高端的技术远非普通企业所能掌握。

几十年以来,业界只有寥寥数家企业掌握着一流的芯片制造工艺,而即便是这几家企业之间也往往有着明显的水平差异。

业界老大Intel虽然能力最强,但是自家工厂不对他人开放,即使是财大气粗的苹果也不例外;台湾台积电和韩国三星是Intel之外芯片制造水平最好的两家企业,而它们也有各自的优势和劣势——

台积电专注代工三十年,水平仅次于Intel,然而每一代新工艺的进度总是比计划推迟半年甚至一年;三星工艺水平进步神速,但是产能一直没有大幅扩张,无法满足太庞大的订单需求。

前些年苹果一直选择三星为芯片代工厂,但到了A8这一代,台积电以很有竞争力的价格获得了苹果青睐。虽然台积电的20nm工艺水平不怎么样,也还是如期完成了苹果的庞大订单。

与一般的零件制造不同,芯片制造的流程相当复杂。芯片的逻辑电路代码确定后,将电路逻辑“画”到硅片上的过程是一项艰难的任务。相当麻烦的是电路的具体布线方式与芯片工厂的工艺特性直接相关。同一套芯片代码用不同的制造工艺来实现,具体的电路布线会有很大差异。

而不同工厂之间的工艺特性都是不同的,意味着如果一颗芯片想要交给两家工厂来生产,芯片设计方就必须为两家各自设计出不同的电路布线方案。此外,由于代工企业间的工艺差异,很可能不同工厂生产的同款芯片的性能、面积、能耗都有区别。很多时候这些区别会大到消费者难以接受的程度,而要让两家代工企业做出各方面指标都接近的芯片非常困难。

不仅如此,在两家工厂生产芯片需要两倍的流片次数,而每一次的流片都需要巨额资金投入;同时间设计两套电路方案也自然需要更多的工程师劳力,对人力资源也是一大考验。

双代工厂策略:成功的冒险

因为以上原因,过去极少有企业的芯片是由两家代工厂联合生产的,苹果也自然不例外。然而到了2014年,苹果发现自己不得不面对一个“幸福的难题”:

iPhone的需求量如此庞大,如果下一代iPhone芯片使用最新的制造工艺,很可能没有哪家代工厂能够独自提供足够的产能—A8已经用上了20nm工艺,再往下走就是14/16nm,就连Intel都在这代工艺上遇到了产能的麻烦,何况是其它企业;如果为了保证产能而放弃使用新工艺,下一代iPhone的竞争力必将大受影响。

20nm的A8芯片只能跑到1.5GHZ,6s若继续用这个档次的芯片还会有什么吸引力?

在这样的背景下,苹果决定打破常规,首次在芯片制造领域全面实施双供应商策略。而苹果选择的两大合作伙伴就是三星与台积电,Intel之外业界水平最强的两家供应商。

本来三星的新一代14nm制造工艺的进度是比较落后的,赶不上iPhone 6s的进度。但之前三星从台积电那里挖来了关键人才,从而大大加快了14nm工艺的进程,最后竟提前台积电同代工艺多达半年时间(此事让台积电大为光火,然而却也无可奈何)。结果,三星的Galaxy S6早在今年春就用上了14nm工艺的芯片,一举拔得头筹。

不过Galaxy旗舰手机销量不高,到了下半年三星的芯片工厂有了很多空余的产能供苹果使用。台积电这边,16nm工艺的进度一直堪忧,甚至一度有传言说其难以在15年内完成。好在台积电紧赶慢跑,终于在6s发布前大规模量产16nm工艺。

到了6月,苹果总算确定了两家企业代工A9的订单比例:三星占4成,台积电占6成。

不得不说,这次苹果的计划还是冒了相当的风险的——

三星的产能扩张速度缓慢,而台积电跳票的传统历史悠久,如果后者未能如期完成量产,前者又无法补上空缺,苹果将面临6s严重缺货的惨痛事实,损失可能达数百亿美元。

还好,到了8月份两家工厂一切正常,A9芯片进入大规模生产阶段。

最终,新一代iPhone创下了惊人的纪录:由于PC市场低迷,Intel新一代工艺产能迟迟不能提升,iPhone得以一举超越PC,成为使用新工艺数量最多的设备。

2015年第四季度预计将有超过8000万颗面积100平方毫米的A9芯片出厂,远远超过PC业约上千万颗平均200平方毫米CPU的产量水平。这样的恐怖需求量显然不是三星或台积电任何一家能独立满足的。苹果的反常规策略取得了丰厚的回报。

前面提到,芯片选择多家代工厂供应的一个问题就是难以保证不同版本的产品有接近的性能。那么,苹果这次解决了这一问题吗?

两个版本的A9究竟相差多大?

三星和台积电共同代工A9芯片让苹果得以在应用最先进制造工艺的同时,又能保证手机主芯片的庞大供应量,然而芯片的复杂制造技术也让给这种分享代工的模式带来了麻烦。

14nm VS 16nm:谁更先进?

一直以来,大众对芯片制造工艺的印象都停留在“纳米线宽”的层面上。从上世纪的微米级工艺到现在的接近个位数纳米级工艺,每一代制造工艺进步的最明显特征就是线宽缩小。一般来说,工艺进步一代则线宽缩小为原来的约0.7倍,例如90nm到65nm再到45nm。两代工艺之间还往往存在着半代工艺的过渡,例如90nm到80nm就是进化半代,32nm到28nm也是半代改进。

从表面上看,线宽越窄的工艺应该是越先进的,这也符合人们的直觉印象。然而事实情况却要复杂得多。首先,工艺的技术水平评价参数很多,线宽只是其中较为重要的一个指标。比较典型的,影响同晶体管规模下芯片面积的指标就细分为晶体管栅极间距和内部互联最小间距,而不同的芯片工厂的同代工艺在这两个重要指标上一般都不相同;另外,晶体管制造技术不断进化,是否使用最新的晶体管技术(例如FinFET鳍式场效应晶体管)来减少漏电率、增强晶体管性能,也是区分不同代工厂工艺水平的重要因素。综合来说,Intel的制造工艺一直处于业界标杆地位,比台积电、三星等对手的同代工艺通常领先半代之多—也就是说,Intel 32nm工艺的综合实力就能达到台积电28nm工艺的层次,甚至可能更强。此外,每家芯片工厂的同代工艺也会细分为几个发展阶段,例如台积电的28nm技术就分为低功耗版和高性能版,后者是在前者发展成熟后才推出,性能也更强一些。

从上图可以看出,Intel 14nm工艺的实现面积是最小的,台积电16nm只比前者的22nm略小。

今年三星和台积电先后量产14nm和16nm FinFET工艺,表面上看提前半年量产的三星做到了更小的线宽,技术实力更强,但虽然三星的工艺实现的芯片面积会小一些,性能却不见得更好。

三星的14nm分为LPE低功耗版和LPP性能优化版两个阶段,目前后者尚未大规模量产,因此无论是三星自家的Exynos 7420还是为苹果代工的A9都在使用LPE版本。遗憾的是这个版本的性能(主要是同频率下的功耗或者同功耗下能达到的频率)要比LPP落后接近10%,且良率、稳定性皆没有太好的水平。

从7420的情况来看,三星的LPE工艺不同批次之间都有可度量的差异,且批次数量有六七种,实在不值得夸耀。相比之下台积电对自家的技术相当满意,甚至在内部讨论会上明确表示自家16nm工艺比对手三星“最先进的工艺都强10%”。倘若台积电指的是三星尚未规模出货的LPP版本,那就意味着前者的16nm工艺性能要比后者的14nm LPE强近20%,同频率下功耗低10%~15%,已经是很大的差距了。即使考虑到台积电的宣讲有夸大因素,其16nm技术强于现阶段的三星14nm也是几乎可以确定的事实了。

不同版本的A9实际表现相差多大?

然而,芯片的性能、功耗等指标并不是单由制造工艺来决定的。苹果作为A9芯片的设计方,可以通过一些手段来抚平两种工艺下不同版本芯片的各项指标差异。ChipWorks的拆解测量表明台积电代工的A9芯片面积仅比三星版本多出不足10%,对于手机设计的影响可以忽略。但更令消费者关心的指标是芯片的性能与功耗表现。最近很多用户使用各种手段对比了两个版本iPhone 6s的性能、功耗水平,结果一边倒地有利于台积电。那么,这些民间测试的参考价值有多大呢?

三星和台积电版本A9芯片面积对比,两者差异很小。

从目前网络能找到的测试来看,由于结果无一例外倒向台积电版本,按照统计规律可以基本确定现阶段台积电代工的A9的确拥有更好的功耗表现。但是因为测试的样本数量较少,暂时还不能准确判断台积电版本在相同任务负载下相比三星版本的优势幅度。虽然有些测试中,台积电版本在续航力方面比对手多出两个多小时耐久力,但此类测试对芯片的负载不够高,也无法代表所有场景中的性能差异。

其实我们可以直接引用台积电自己的宣传数据就能得出一个大致的结论:

相比三星版本,台积电版本A9芯片在同频率下的功耗要少10%~15%,而目前已有的测试数据也基本能印证这个数据。

但是既然差距可以达到这么多,为什么苹果官方却宣称两种版本iPhone的续航能力差异只有3%以下呢?

其实答案很简单,手机耗电的部件数量众多,主芯片只是其中之一。目前网络上的测试大都是关闭各种联网功能、后台任务,将屏幕亮度降至最低,运行纯CPU负载程序跑出来的结果,当然无法代表手机的实际使用状况。当其他耗电组件都正常运行时,日常应用下芯片的功耗差异就会被相当程度地掩盖。两种版本的A9或许有15%的差异,可计算整机功耗时这些差异就会减少到只有几个百分点了。

以上测试中,只有Geekbench测试是纯CPU负载。

国外媒体Arstechnica刚刚发布的一篇测试文章印证了苹果的说法。

从他们的测试结果来看,只有在纯CPU跑分环节两种版本的iPhone才会表现出明显的续航能力差异,而消费者使用手机显然不会一直跑分。就连GPU测试环节中两种版本的手机续航都没什么区别,说明喜欢玩游戏的用户也无需操心自己买到的iPhone里面究竟是三星还是台积电代工的A9芯片。如果有用户能在日常使用中明显察觉到两种芯片版本的功耗差异,恐怕他需要做的事情是把繁重的计算任务转移到PC上来完成。

购买建议:无需太纠结

虽然苹果的双代工厂策略最终还是无法避免不同版本A9芯片的功耗表现差异,但是这种差异对于实际使用的影响是足够微小的。一般消费者大可不必为此事头疼,顶多也就是买到三星版本后退换一两次碰碰运气,再去折腾实在没有意义。

即便“芯片代工门”成为了热门话题,它对消费者的实际影响远没有少数人预期的那么可怕。每一代iPhone都有各种各样的小毛病,这次的芯片版本差异甚至连“毛病”都称不上。

不管怎样,双代工厂策略让A9芯片得以满足庞大需求,苹果的豪赌最终获得了成功,也为后来者树立了良好的榜样。未来,我们或许会见到更多类似的案例出现,届时就不会有人再为芯片版本差异而纠结万分了。

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