為何台積電16奈米A9處理器會勝過Samsung 14奈米呢?

最近在亞洲果迷們最沸沸揚揚的議題,非「iPhone6s 台積電與三星A9處理器的效能與續航力效能差異」莫屬。網友針對台積電與三星代工的A9處理器做測試在效能的跑分或是手機的續航力表現,16奈米的台積電A9處理器明顯贏過14奈米的Samsung A9處理器(測試狀況詳見這裡),雖然蘋果官方已表示不同代工廠出貨的 A9 晶片都符合 Apple 標準,根據官方測試實際電池續航力,兩者差異僅在 2-3% 之間,不過似乎無法平息亞洲地區果迷們的疑慮,香港果粉甚至已醞釀換機或退機風潮。

三星採用的是較新的14 奈米製程理論上不但在成本上佔優勢,效能上也會贏過台積電所使用的則是 16 奈米製程。不過就實際使用的效能實測結果來看不管是蘋果官方認證的2-3% 之間實際電池續航力或是網友實測的近兩小時差異台積電所代工A9的處理器勝過三星代工A9處理器卻是不爭的事實。為何台積電16奈米A9處理器會勝過Samsung 14奈米A9處理器? 以下整理網路的相關資訊及版主個人見解,供大家參考

葉問  

圖片來源: 葉問劇照

1. FinFET製程是什麼?

FinFET(Fin Field-Effect Transistor,鰭式場效電晶體)是新型的多重閘道 3D 電晶體,是曾任台積電技術長的柏克萊電機系教授胡正明所發明。FinFET源自於目前傳統標準的晶體管—場效晶體管 (Field-effecttransistor;FET)的一項創新設計。在傳統晶體管結構中,控制電流通過的閘門,只能在閘門的一側控制電路的接通與斷開,屬於平面的架構。在FinFET的架構中,閘門成類似魚鰭的叉狀3D架構,可於電路的兩側控制電路的接通與斷開。這種設計可以大幅改善電路控制並減少漏電流(leakage),也可以大幅縮短晶體管的閘長。

finfet  

圖片來源: eettaiwan

 

根據三星官方說法, Samsung 14nmFinFET製程在Low Vdd與Less Delay上的表現會優於台積電(TSMC) 20nm Planner

samsung 14nm

 

Samsung 14nmFinFET製程與台積電16nm FinFET製程相比,三星14nm製程的晶體Die Size較小,相同良率下,成本會較佔優勢Ptt網路爆料台積電的A9晶片報價大約是22美元三星的報價則可能低30%~50%,版主則認為三星報價可能低10~20%。不過,三星的良率因不如台積電,三星的供應量無法滿足蘋果大量的供給需求兩家業者目前對蘋果的供應佔比仍在伯仲之間

chip work  

圖片來源: Chipworks

 

2. 為何三星的14nm會輸給台積電16nm?

A. 三星半導體製程技術超越台積電的始末:

三星電子在半導體製程技術,過去曾被台積電董事長張忠謀稱為「雷達上一個小點」,但三星卻已在2014年12月初,開始量產14nm FinFET技術的晶片,領先台積電至少半年震驚整個半導體產業。三星在半導體製程技術大躍進的關鍵與台積電研發部戰將梁孟松離職轉戰南韓三星有密切關係(詳見獵殺叛將-揭密梁孟松投效三星始末)

梁孟松是加州大學柏克萊分校電機博士,在台積電的十七年間,戰功彪炳,是台積電近五百個專利的發明人,負責或參與台積電每一世代製程的最先進技術。梁孟松的強項之一正是台積電與三星激烈競爭的FinFET技術這與其恩師與博士指導教授,正是FinFET發明人~胡正明教授有關 。由於對於調任「超越摩爾定律計劃」的安排不滿梁孟松選擇在2009年投奔敵營。原本三星產品技術源自IBM,在粱孟松指導協助下,三星的45nm、32nm、28nm世代,與台積電差異快速減少。

根據台積電委託外部專家製作的一份「台積電/三星/IBM產品關鍵製程結構分析比對報告」三星幾個關鍵製程特徵與台積電極為類似雙方量產的FinFET產品單純從結構分析可能分不出係來自三星公司或來自台積電公司。因此台積電認定「梁孟松應已洩漏台積電公司之營業祕密予三星公司使用」並提起法律訴訟。 二審法院法官同意台積電的要求,「為了防止洩漏台積電的營業祕密」,梁孟松即日起到2015年12月31日止,不得以任職或其他方式為三星提供服務梁孟松已上訴最高法院另外一方面台積電找回兩度退休的台積電研發大阿哥蔣尚義為董事長顧問,目標能讓台積電7奈米做到全世界最領先。

 

梁孟松  

圖片來源: 天下雜誌

 

B. 三星FinFET的效能與良率為何輸給台積電:

三星A9處理器不但在效能與電池續航力輸給台積電,媒體報導三星與格羅方德合作A9晶片良率僅有30%,遠落後於台積電。三星電子在網羅台積電前研發大將及其部屬下關鍵製程技術源自於台積電並領先使用更先進的製程,但為何卻在實際使用的效能與良率輸給台積電?

相較於台積電的晶片製程是按部就班由28nm > 20nm Planner > 16nm FinFET演進而來,三星則是由32nm/28nm Planner技術直接跳階到14nm FinFET技術由於半導體FinFET技術與過去2D平面技術的經驗不同FinFET無論在製程、設計、IP與電子設計自動化(EDA)工具各方面都必須經過克服眾多挑戰才能成熟,就結果論來看三星似乎尚未能成熟駕馭FinFET這項新技術,尤其是良率與漏電控制上三星雖然挖走了台積電FinFET技術的戰將但高階主管通常只記得大方向,防漏電及改善良率的苦功則還是要仰賴基層大量、高素質且年輕的肝堆砌而來這目前仍是台積電的強項。兩家公司產品的效能的差異以跑步來舉例三星雖然速度優於台積電,但跑起來卻老是蛇行,最終還是輸給直行的台積電

不過,話雖如此,三星A9的效能仍是通過Apple的認可,不是三星A9的效能不好,而是台積電做得太好。基於成本的考量與Apple過去的風格三星仍在A9處理器訂單爭奪上佔了上風 雖然台積電暫時透過法律途徑暫時讓梁孟松無法正式在三星任職,但關鍵人才遭挖角導致原本技術的落差鴻溝被彌平的傷害已經造成台積電仍將面臨三星與中國很大的挑戰與嚴酷考驗台積電如何善用蔣尚義的指導及過去數十年累積的經驗與基礎儘早讓台積電7nm做到全世界最領先,將是台積電擺脫三星纏鬥之道

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