从Apple“芯片门”学到的代工教训

　　最近大家应该都听说了苹果(Apple)最新iPhone 6s/6s Plus智慧型手机同时采用两种不同处理器晶片版本(Apple A9 SoC)的消息——其中一款A9晶片由三星(Samsung)制造，另一款则来自台积电(TSMC)。A9晶片虽然来自两家不同的代工厂，按理来说执行起来应该是一样的，然而，台积电与三星所采用的制程却不一样。

　　随着Apple采用两家代工厂供货的秘密传开来，科技网站开始测试这款手机，并比较两种版本的A9处理器。结果显示两种版本的效能似乎并非完全相同。这可能会影响到消费者选择哪一个晶片版本的手机，同时也导致一些消费者担心情况可能被一些不实的测试结果夸大了。

　　事实上，真正的差别之一就在于SoC的实体尺寸——三星的晶片比台积电的晶片更小8%。晶片尺寸的差别可能是由于电晶体大小的不同。两家公司都采用新的3D电晶体制程——台积电发布其制程为16nm FinFET，而三星则称其制程为14nm FinFET，这表示三星晶片的电晶体应该比台积电的电晶体更小。不过，制程名称并不见得直接关系到制程几何尺寸，如今它已经成为一些行销用语。

　　采用不同的设计工具库来打造晶片，也可以解释为什么两款晶片的大小不同。即使两款晶片的功能相同，Apple的A9设计团队也必须分别与每一家代工厂专用的设计工具库相互配合。例如，取决于不同标准库的设计，用于实现快取的SRAM单元中电晶体数量与面积可能也有所差异。但无论何，晶片大小的差别应该不至于影响到消费者的体验。

　　然而，从一些网站的测试结果显示，还有另外一项差异——采用台积电晶片(至少是至今几款测试结果)的手机显示拥有较三星版本更长的电池续航力。实际的差异程度正是目前一些争执的焦点。包括像GeekBench与AnTuTu等测试结果，都显示出两款晶片版本之间存在明显差异。

　　Apple觉得有必要发表评论了。该公司表示，实际情况中应该只有2-3%的差别。Apple的回应点出了问题的核心：现实世界的测试是否足够?这些测试显示在大量密集的CPU处理工作负载下，电池的确消耗得更快。但在实际情况下，一般用户通常是周期性地使用CPU，而不会持续性地使用。不过，两款晶片之间的确存在明显差异，但问题是为什么会有这样的差异存在?

　　台积电的晶片之所以能够实现较长的电池续航力，主要的原因在于它比三星的晶片具有较低的漏电流，或是稍低的供电电压。一般来说，更高的漏电流就意味着电池续航力较短，即使是在待机状态下，更高的操作电压效应更可能出现在密集的工作负载中。

　　漏电流的原因来自于电晶体未能在逻辑关闭状态下完全关断，导致微量的电流“泄漏”出来。即使是在处理器闲置的状态下，这些漏电流也会持续缓慢、微量地耗用电池电量。

　　在这个案例下，电池续航力的差异更可能出在每个元件的工作电压。在智慧型手机中，电源管理晶片(PMIC)可控制电压，让处理器因应各种不同的作业条件。PMIC用于控制电源管理的细节，在轻负载时降低处理器功耗以及减缓时脉速度，从而协助延长电池续航力。为了达到与台积电晶片相同的性能和时脉速度，三星的晶片可能必须以稍高的电压作业，因而也从电池中汲取了更多电量。

　　测试结果显示最主要的差别就在于电池续航力，这表示为了符合Apple的时脉速度要求，三星的晶片必须以稍高的供电电压作业。较高的工作电压可能会导致一些制程变异的结果，但这样的结果会在低负载时带来更高功耗。因此，为了有效判断三星与台积电制程中的变异，还需要大量的统计样本，而不是仅比较两款晶片。就算是在同一家代工厂，也可能会发生显着的变异。因此，仅由几个测试网站进行几项受限的测试，并不代表对这种情况的最后结论。

　　虽然台积电的晶片更省电，但三星的晶片尺寸较小，可以让Apple更省成本。假设这两家代工厂的良率差不多，晶片面积更小表示相同晶圆中可容纳更多晶片。晶圆的良率高，产出的晶片更多，每颗晶片的固定成本就更低。虽然两款晶片面积的差异仅8%，但却可让每片晶圆产出更多9%的未封装晶粒。

　　当分析早期制造良率的影响时，这实际上意味着每晶圆产出更多11%的合格晶片。每片晶圆的合格晶片良率越高，意味着每颗晶片的成本更低。实际的成本当然还取决于封装与测试合格晶片的成本，但光是晶片本身节省8%，对于数千万台的单位来说，已经意味着相当庞大的数字了。

　　此外，在相同的量产条件下，每片晶圆产出更多晶片也意味着三星能够提供更多元件。以成本与产量的优势来看，Apple可能就不在意三星晶片稍高一点的功耗，而更着眼于其更低的成本优势。