從Apple“芯片門”學(xué)到的代工教訓(xùn)

　　最近大家應(yīng)該都聽(tīng)說(shuō)了蘋果(Apple)最新iPhone 6s/6s Plus智慧型手機(jī)同時(shí)采用兩種不同處理器晶片版本(Apple A9 SoC)的消息——其中一款A(yù)9晶片由三星(Samsung)制造，另一款則來(lái)自臺(tái)積電(TSMC)。A9晶片雖然來(lái)自兩家不同的代工廠，按理來(lái)說(shuō)執(zhí)行起來(lái)應(yīng)該是一樣的，然而，臺(tái)積電與三星所采用的制程卻不一樣。

　　隨著Apple采用兩家代工廠供貨的秘密傳開(kāi)來(lái)，科技網(wǎng)站開(kāi)始測(cè)試這款手機(jī)，并比較兩種版本的A9處理器。結(jié)果顯示兩種版本的效能似乎并非完全相同。這可能會(huì)影響到消費(fèi)者選擇哪一個(gè)晶片版本的手機(jī)，同時(shí)也導(dǎo)致一些消費(fèi)者擔(dān)心情況可能被一些不實(shí)的測(cè)試結(jié)果夸大了。

　　事實(shí)上，真正的差別之一就在于SoC的實(shí)體尺寸——三星的晶片比臺(tái)積電的晶片更小8%。晶片尺寸的差別可能是由于電晶體大小的不同。兩家公司都采用新的3D電晶體制程——臺(tái)積電發(fā)布其制程為16nm FinFET，而三星則稱其制程為14nm FinFET，這表示三星晶片的電晶體應(yīng)該比臺(tái)積電的電晶體更小。不過(guò)，制程名稱并不見(jiàn)得直接關(guān)系到制程幾何尺寸，如今它已經(jīng)成為一些行銷用語(yǔ)。

　　采用不同的設(shè)計(jì)工具庫(kù)來(lái)打造晶片，也可以解釋為什么兩款晶片的大小不同。即使兩款晶片的功能相同，Apple的A9設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也必須分別與每一家代工廠專用的設(shè)計(jì)工具庫(kù)相互配合。例如，取決于不同標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的設(shè)計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)快取的SRAM單元中電晶體數(shù)量與面積可能也有所差異。但無(wú)論何，晶片大小的差別應(yīng)該不至于影響到消費(fèi)者的體驗(yàn)。

　　然而，從一些網(wǎng)站的測(cè)試結(jié)果顯示，還有另外一項(xiàng)差異——采用臺(tái)積電晶片(至少是至今幾款測(cè)試結(jié)果)的手機(jī)顯示擁有較三星版本更長(zhǎng)的電池續(xù)航力。實(shí)際的差異程度正是目前一些爭(zhēng)執(zhí)的焦點(diǎn)。包括像GeekBench與AnTuTu等測(cè)試結(jié)果，都顯示出兩款晶片版本之間存在明顯差異。

　　Apple覺(jué)得有必要發(fā)表評(píng)論了。該公司表示，實(shí)際情況中應(yīng)該只有2-3%的差別。Apple的回應(yīng)點(diǎn)出了問(wèn)題的核心：現(xiàn)實(shí)世界的測(cè)試是否足夠?這些測(cè)試顯示在大量密集的CPU處理工作負(fù)載下，電池的確消耗得更快。但在實(shí)際情況下，一般用戶通常是周期性地使用CPU，而不會(huì)持續(xù)性地使用。不過(guò)，兩款晶片之間的確存在明顯差異，但問(wèn)題是為什么會(huì)有這樣的差異存在?

　　臺(tái)積電的晶片之所以能夠?qū)崿F(xiàn)較長(zhǎng)的電池續(xù)航力，主要的原因在于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(lái)說(shuō)，更高的漏電流就意味著電池續(xù)航力較短，即使是在待機(jī)狀態(tài)下，更高的操作電壓效應(yīng)更可能出現(xiàn)在密集的工作負(fù)載中。

　　漏電流的原因來(lái)自于電晶體未能在邏輯關(guān)閉狀態(tài)下完全關(guān)斷，導(dǎo)致微量的電流“泄漏”出來(lái)。即使是在處理器閑置的狀態(tài)下，這些漏電流也會(huì)持續(xù)緩慢、微量地耗用電池電量。

　　在這個(gè)案例下，電池續(xù)航力的差異更可能出在每個(gè)元件的工作電壓。在智慧型手機(jī)中，電源管理晶片(PMIC)可控制電壓，讓處理器因應(yīng)各種不同的作業(yè)條件。PMIC用于控制電源管理的細(xì)節(jié)，在輕負(fù)載時(shí)降低處理器功耗以及減緩時(shí)脈速度，從而協(xié)助延長(zhǎng)電池續(xù)航力。為了達(dá)到與臺(tái)積電晶片相同的性能和時(shí)脈速度，三星的晶片可能必須以稍高的電壓作業(yè)，因而也從電池中汲取了更多電量。

　　測(cè)試結(jié)果顯示最主要的差別就在于電池續(xù)航力，這表示為了符合Apple的時(shí)脈速度要求，三星的晶片必須以稍高的供電電壓作業(yè)。較高的工作電壓可能會(huì)導(dǎo)致一些制程變異的結(jié)果，但這樣的結(jié)果會(huì)在低負(fù)載時(shí)帶來(lái)更高功耗。因此，為了有效判斷三星與臺(tái)積電制程中的變異，還需要大量的統(tǒng)計(jì)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(huì)發(fā)生顯著的變異。因此，僅由幾個(gè)測(cè)試網(wǎng)站進(jìn)行幾項(xiàng)受限的測(cè)試，并不代表對(duì)這種情況的最后結(jié)論。

　　雖然臺(tái)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)出更多9%的未封裝晶粒。

　　當(dāng)分析早期制造良率的影響時(shí)，這實(shí)際上意味著每晶圓產(chǎn)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(shí)際的成本當(dāng)然還取決于封裝與測(cè)試合格晶片的成本，但光是晶片本身節(jié)省8%，對(duì)于數(shù)千萬(wàn)臺(tái)的單位來(lái)說(shuō)，已經(jīng)意味著相當(dāng)龐大的數(shù)字了。

　　此外，在相同的量產(chǎn)條件下，每片晶圓產(chǎn)出更多晶片也意味著三星能夠提供更多元件。以成本與產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)來(lái)看，Apple可能就不在意三星晶片稍高一點(diǎn)的功耗，而更著眼于其更低的成本優(yōu)勢(shì)。