從Apple“芯片門”學到的代工教訓

　　最近大家應該都聽說了蘋果(Apple)最新iPhone 6s/6s Plus智慧型手機同時采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)制造，另一款則來自臺積電(TSMC)。A9晶片雖然來自兩家不同的代工廠，按理來說執(zhí)行起來應該是一樣的，然而，臺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來，科技網站開始測試這款手機，并比較兩種版本的A9處理器。結果顯示兩種版本的效能似乎并非完全相同。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夸大了。

　　事實上，真正的差別之一就在于SoC的實體尺寸——三星的晶片比臺積電的晶片更小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該比臺積電的電晶體更小。不過，制程名稱并不見得直接關系到制程幾何尺寸，如今它已經成為一些行銷用語。

　　采用不同的設計工具庫來打造晶片，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，取決于不同標準庫的設計，用于實現(xiàn)快取的SRAM單元中電晶體數(shù)量與面積可能也有所差異。但無論何，晶片大小的差別應該不至于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——采用臺積電晶片(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(xù)航力。實際的差異程度正是目前一些爭執(zhí)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(fā)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(xiàn)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，一般用戶通常是周期性地使用CPU，而不會持續(xù)性地使用。不過，兩款晶片之間的確存在明顯差異，但問題是為什么會有這樣的差異存在?

　　臺積電的晶片之所以能夠實現(xiàn)較長的電池續(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。一般來說，更高的漏電流就意味著電池續(xù)航力較短，即使是在待機狀態(tài)下，更高的操作電壓效應更可能出現(xiàn)在密集的工作負載中。

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

　　在這個案例下，電池續(xù)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(yè)條件。 PMIC用于控制電源管理的細節(jié)，在輕負載時降低處理器功耗以及減緩時脈速度，從而協(xié)助延長電池續(xù)航力。為了達到與臺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(yè)，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于電池續(xù)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(yè)。較高的工作電壓可能會導致一些制程變異的結果，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臺積電制程中的變異，還需要大量的統(tǒng)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(fā)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，并不代表對這種情況的最后結論。

　　雖然臺積電的晶片更省電，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。

　　當分析早期制造良率的影響時，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于封裝與測試合格晶片的成本，但光是晶片本身節(jié)省8%，對于數(shù)千萬臺的單位來說，已經意味著相當龐大的數(shù)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(yōu)勢來看，Apple可能就不在意三星晶片稍高一點的功耗，而更著眼于其更低的成本優(yōu)勢。

　　對于消費者來說，晶片之間的差異并不容易區(qū)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。