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10/11/2015

Apple A9 Chipgate

自從 Apple iPhone 6s/6s+ 開賣後,最大的消息除了銷量跟 3D touch 之外,大概就是裡面的 CPU。其實不只是 CPU 差異,裡面的 RAM, MMC, LCD 因為需求量之大,也一方面確保供貨穩定跟來源,所以會有好幾家廠商提供,而 CPU 這次卻是第一次使用了兩家不同的製程跟來源。

一開始的消息大都是注意 Chipworks 這篇 A9 is TSMC 16nm FinFET and Samsung Fabbed 點出了真的開箱後,把之前年初到現在的 TSMC/Samsung 為蘋果生產的搶單新聞作個證實。而之後就有不少玩家,把兩個不同 CPU 拿來用 Geekbench 評測,發現 CPU 效能差不多,但是 TSMC CPU 的手機卻可以比 Samsung 多撐上快兩個小時,達 1:45 分鐘之久。

隨後蘋果也注意到,然後發表了聲明說,在正常的使用下,兩種 CPU 的差異大概在 2-3% 的範圍內。測試所使用的方式,完全是極端且不合理的情況。

蘋果的說法其實也沒說錯,即便是兩種規格一樣的手機,CPU 製程本身存在的差異,記憶體,電池各方面,最終會導致 5% 的差異我都認為可能,但是蘋果只說差異只有 2-3% 其實我是認為他們已經很努力在控制這些變數。除了這些變因外,正常手機的使用,大部分電池被消耗光的主因都是 LCD 跟網路,所以即便 CPU 製程科技進步到現在,但電池的電力所維持的時間都無法以更多倍數成長,就是因為 LCD 跟 Wifi/Baseband 所消耗的電力比例,比起 CPU 來說是很可觀的。

但是蘋果講的也有問題,因為如果長時間作 4K 錄影、影像編輯、或是玩手機遊戲,甚至瀏覽 Web 裡面含有大量 JavaScript 或動態效果,這些都是極大量消耗 CPU、GPU 的用處。這不也是蘋果主打手機效能的主因,不然他們就賣手機打打電話上網看影片就好。因此很難說這些用途和電池評測的方式有很大的出入。因此當你有這些用途時,就是會有 TSMC 與 Samsung CPU 的差異造成使用時間的差異。

再來說說技術上的變因,其實 14nm/16nm 並不是差太多,而是類似的製程源自於 20nm 製程技術,而只是把 device 也就是邏輯閘的元件改成 FinFET,而 14nm/16nm 的差異也只在於最細可以達到的技術,但是這並不代表所有的 device 線路都要是 14nm。Samsung 並不是一家純 IC 代工廠,而且他真正賺錢的在於 Memory/Flash 這些記憶體 IC,所以你去找歷史所有的新聞,Samsung 新的製程發表他都一定是記憶體相關的 IC(TSMC 本身不設計 IC,所以一定是可以準備量產才發表新聞,測試生產並不是真正生產,因為這些不是他可以賺錢的 flow)。而記憶體 IC 有個特點就是 device 和線路都非常的 regular,也就是 Memory 都為一個個記憶單元 cell 的集合,這些排列很多在平面上,就是一個大容量的記憶體 IC。因此非常有規律的特性,可以讓製程變得相對不那麼有挑戰性。但是 ASIC (Application Specific IC) 代工就不一樣,因為是各式各樣設計的線路都有可能,要面臨這些設計但是又能量產,是一種不同的挑戰。

再者,蘋果不可能把一份電路圖,交給兩家去生產那麼簡單。因為說簡單類比就好像你把一份文件拿去兩家 copy machine 那麼簡單。但是說到細節卻不同,因為不同的製程、不同的公司,有不同的 design rule,有不同的 physical design kit,不同的 reference flow。所以這裡就不像類比的例子那麼簡單。而是蘋果把 CPU 設計得到 netlist (邏輯閘之間的連線線路,但是還沒有佈局和繞線) 之後,要去作兩家不同的 physical design。cell library size 和特性、placement/routing 那些結果都會被 design rules 和電路特性影響,因此 TSMC 和 Samsung 的 chip 設計上會完全不一樣。會一樣或類似的只有上面要求的參數和結果,就是面積大概多大,速度可以跑快等等。

傳說 TSMC 用的製程是 16nm FinFET+,而 Samsung 用的是 14nm LPE (Low Power Early),且 FF+ 比 LPE 省電,而 Samsung 要達到相同的省電,則是要用 14nm LPP (Low Power Plus/Performance) 的製程。但事實上製程是哪套和其省電效果差異,就要真正在裡面行內的才知道。但即便是業界人士,因為是不同兩家公司,不可能了解兩家的技術細節(這個領域非常注重機密,因此很難比較兩套),所以要得出一個相同基準的比較結果很難。

這邊 TSMC 16 nm finFET Process in Apple A9 Processor - Logic Detailed Structural Analysis 有提到相關的特性,
The A9 is fabricated using an 12 metal (11-Cu, 1-Al), 16 nm finFET CMOS process. The device features approximately 33 nm long metal gate finFET transistors having a 90 nm minimum contacted gate pitch
而 Samsung A9 還沒有發表結果,大家可以拭目以待。

但是結論是,不管蘋果說的 2-3% 是正常標準,或是他們要求建議的正常使用方式標準是如何,TSMC 應該還是大家會想要拿到的 iPhone 6s/6s+ CPU。因為在異常苛刻的環境下都能活得比較久,何嘗不是我一旦有大量需求時,就可以用得比較久?

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