A9 不同版本的功耗差異可能不是 Samsung 的問題。但買了就安心使用,一般應用情境下其實差別完全感覺不出來。


前陣子 Apple iPhone 6S / Plus 續航力表現與溫度落差都被歸咎於 Samsung 的製程技術問題,但事實上似乎不是如此。

製程是影響晶片性能與功耗表現的重要因素,對 Apple 最新版本的 iPhone 6s 而言,似乎重要性要更高。

我們都知道新版 iPhone 的 A9 晶片分別以 TSMC 的 16nm 與 Samsung Electronics 14nm 製造。在部分使用者發現利用 Geekbench 這套測速程式在非常高壓的測試情境之下,使用不同來源晶片的 iPhone 有著截然不同的表現,使用 TSMC 16nm 製程 A9 的 iPhone 電池壽命明顯比使用 Samsung Electronics 14nm 製程的 A9 要來得長,同時溫度也要更低。

所以 Samsung Electronics 的 14nm 製程遠比 TSMC 的 16nm 製程糟糕?這結論,可能下的太早了。

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根據 Chipworks 的晶片解析,Samsung Electronics 確定使用較早的 14nm LPE(low-power early)製程,而 TSMC 則是有很大的機率使用其最新的 16nm FinFET+。我們相當清楚,16nm FinFET+ 是 TSMC 為了對抗 Samsung 在 14nm 製程的功耗與面積優勢而緊急提出來的方案,取代原本在性能與面積偏弱勢的 16nm FinFET,由於只是製程部分的小調整,既有的晶片設計很容易就可以從 16nm FinFET 升級到 16nm FinFET+,當然,如果是像海思(HiSilicon Kirin)這類客戶已經開光罩投產,要用 FinFET+ 可能還是要重新投片。Samsung Electronics 也提出 14nm LPP(low-power plus)反制,在性能與功耗上都會比原本的 LPE 更好。

目前 Samsung Electronics 14nm LPP 還未正式量產,最快導入該製程的將是 Qualcomm Snapdragon 820 及自家的 Exynos M1,投產時間預計在 2015 年第四季。

從 Chopworks 的解析中可以發現,Samsung Electronics 14nm LPE 製程在晶片面積方面要比 TSMC 的 16nm 更小,當然,這也符合業界的預期以及 TSMC 之前在法說會的說法。在面積上大約有 10% 的落差,這會許也是 Apple 會選擇 Samsung Electronics 作為 A9 的主要代工伙伴的原因之一。

目前 Samsung Electronics 和 TSMC 在 14nm 與 16nm 之間的晶圓報價差距約在 3 成,如果加上面積的差異,且不計算良率的話,那麼單位晶片的成本差距可能就會達到約 4 成,面對這麼龐大的成本差距,即便二者在製程性能上有差距,Apple 會如何取捨其實不言可喻。

當然 16nm FinFET+ 的確有其性能優勢,但不同製程的 A9 在 CPU 的性能極端測試表現落差如此之大,真的只是單純製程的因素嗎?

我們可以看看更多的測試細節,可以發現如果是測試 GPU 高負載運算,二者在功耗表現方面其實差距微乎其微,如果單純只是因為製程的因素,不會 CPU 落差這麼大,GPU 卻幾乎沒有不同。另外,在多數情況之下,基於不同製程 A9 的手機在性能與功耗上的差距極小,因此我們可以大膽的推論 CPU 部分的設計可能出了問題。而從 Chipworks 的晶片照片也可以發現,不同製程的 A9 在晶片布局方面也不一樣,當然,這是因為 Samsung 和 TSMC 在周邊的 IP 方案也不同,必須根據不同的製程設計與最佳化,但是不是因為這些搭配的差別,使得晶片上的布局出了問題,才是導致 Samsung 的 14nm 製程 CPU 核心在功耗方面遠落後於 TSMC 的元兇?

在極端情況之下的 CPU 負載測試雖然對於晶片體質是一大考驗,但對於判斷晶片的日常應用體驗其實一點幫助也沒有,跑 3D 遊戲,大部分的功耗落在 GPU 上,看網頁與傳輸資料,基頻與 Wi-Fi 晶片功耗也要考量進來,甚至螢幕也是功耗大戶。另外,所有 ARM 架構高階處理器在高壓負載之下,溫度要是上升到一定程度就會強制降頻,換句話說 CPU 的高壓負載測試情況下,從滿電到沒電,應該有 99.9% 的時間都是在 6 成,甚至一半的時脈限制下運作,加上整個系統也有功耗預算限制,某些評論說 Samsung Electronics 製程耗電的問題可能是因為比較不耐高頻運作,其實也無法反映其 CPU 高壓測試的結果。

A9

Samsung Electronics 自己的 14nm LPE 製程方案 Exynos 7420 早期曾有因為製程品質不穩定,導致不同批次在 CPU 電壓的需求有落差,因而功耗與溫度,甚至性能不同的問題發生,但從不同製程 A9 的 CPU 高壓測試觀察,所有基於 Samsung Electronics 14nm LPE 製程的 A9 在電池壽命和溫度都有一致的結果,並沒有表現特別好、或者是接近 TSMC 版本測試結果的狀況,所以也可以排除可能是製程品質不穩定的推論,也證明 Samsung Electronics 14nm LPE 雖然弱於 TSMC 的 16nm ,但品質應該算穩定。畢竟客戶是 Apple ,他們可不會接受品質落差太大的狀況。

另外,傳聞 Apple 也要為了功耗落差的問題重新修改在 Samsung Electronics 投產的 A9,如果該傳聞為真,也等同 Apple 承認是自己設計的問題,加上 Samsung Electronics 在這陣風波中完全不吭聲,更可能落實了以上的推論。

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