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10年iPhone带来的芯片和设计创新

eettaiwan ·2017-11-16 08:53·半导体行业观察
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来源:内容来自eettaiwan,谢谢。


2017年是iPhone诞生以来的第十个年头,理所当然地受到媒体的广泛关注。苹果(Apple)还为此改变了沿用多年的命名规律,推出iPhone X;而TechInsights的拆解团队则为此里程碑采取另一种分析途径,着眼于这款手机所带来的硬体演进与创新。

特别是随着iPhone 8/8 Plus的发表,回顾这支手机从2007年以来的演进以及Apple为其进行的硬体选择,将有助于了解Apple的产品开发策略与未来方向。


第一代iPhone:最初的创新

在第一支iPhone的发布会上,Apple前执行长贾伯斯(Steve Jobs)将其形容为「具有触控功能的宽萤幕iPod,一款具有革命性和突破性网际网路通讯功能的手机装置」。他确实将手机萤幕做大了——3.5吋(当然不是目前所认为的大尺寸),并透过萤幕背后的软体定义这支手机,使其实现多点触控功能,让使用者透过触控或翻转手机选择音乐清单和照片、放大和缩小萤幕,以及让萤幕连接至各种功能,当然也提供了文字键盘。萤幕本身支援相当高的解析度(以当时的标准而言),包括160ppi与200万画素相机。

第一代iPhone的电子元件分别位于两块电路板

苹果还将其Safari浏览器移植到手机上,并加强了电子邮件功能,提供比任何竞争产品更加丰富的介面,各种功能的组合使得iPhone成为当时最独特的手机。

当时最令人印象深刻的是微机电系统(MEMS)加速度计,它能让萤幕翻转以横向格式查看图片和视讯。那时还没有人这么做,也很少有手机结合MEMS功能,就算有也只是用于一些与萤幕无关的应用程式。而当Apple一推出MEMS应用,不久就有应用开发社群加以扩展了。

此外,它还支援环境光和近接感测器,可用于调整萤幕亮度,并在通话时关闭触控萤幕功能,以避免误触而启动其他功能。

Chipworks在2007年7月拆解了第一代iPhone,其电子元件分别位于两块电路板——iPod与无线。看看无线部份的电路板,还可以了解当时的业界供应商动态。

透过拆解与分析,可一窥当时的元件供应商动态...

自从英飞凌(Infineon)将其无线部门卖给英特尔(Intel)、CSR被高通(Qualcomm)吸收,Skyworks至今仍然是射频(RF)前端的主要厂商。遗憾的是,我们一直无法确定Apple采用谁家的EDGE多芯片封装(MCP)。值得注意的是内部的Peregrine开关采用了蓝宝石硅晶(silicon-on-sapphire)技术,虽然不是率先采用但极其罕见。Peregrine如今隶属于村田(Murata),所开发的UltraCMOS制程已成为RF-SOI(甚至是300mm晶圆)的最大用户之一。

另一块电路板包括应用处理器+DRAM、快闪记忆体、音讯编解码器、电源管理芯片和MEMS。还有凌力尔特科技(Linear Tech)的USB电源管理和美国国家半导体(NS)的行动画素连接(MPL)介面芯片。相机则是由美光(Micron)制造的。

同样地,我们在此见证了业界的发展变化;Wolfson如今属于Cirrus、德州仪器(TI)收购了NS,美光的相机业务卖给Aptina成为现在的安森美(ON Semi),而恩智浦(NXP)即将被高通收购(如果监管机构核准的话)。

事实上,iPhone的市场优势或其出色性能并不是建立在其中某一款独特的先进芯片上,而是整合了创新的触控萤幕、多种应用以及流畅的设计。

封装来看,iPhone遵循手机的发展趋势,完整地套用当时流行的密集封装:两个MCP (Peregrine开关和英特尔的记忆体)、三星(Samsung) NAND快闪记忆体的双层堆叠,以及三星应用处理器+SDRAM的PoP封装。Marvell和CSR的芯片则采用覆晶(flip-chip)封装。

早期iPhone的第二块主板元件(a),以及应用处理器芯片与芯片标记(b)


转折点:iPhone 4

从过去十年间所拆解的iPhone来看,iPhone 4可说是一个发展的转捩点,因为Apple开始将手机主板从单面PCB改成更紧凑且高密度的双面PCB。

iPhone 4的主板(a)、芯片与芯片标记(b)

更重要的是Apple自此时开始使用A系列应用处理器,虽然在iPad中率先使用,但iPhone 4所用的刚好称为A4。

从第一代iPhone到iPhone 3GS都采用三星的处理器,iPhone 4开始才使用自家设计的A系列处理器,而后在很长的一段时间内,A系列处理器一直都由三星代工,直到A8才加入台积电(TSMC)代工。

iPhone应用处理器的十年进展,反映芯片制程技术从90nm到10nm (A10)的变化

iPhone 4同时也是最先使用罗盘芯片、陀螺仪与三轴加速度计的iPhone;相机升级至具有视讯功能的5M画素单元(当时还没有自拍镜头,5S以后才有)。无线方面则升级至涵盖3G CDMA和2G GSM标准,但仍然采用3.5吋萤幕。

后置相机影像感测器的一些变化也值得回顾。第一代iPhone诞生时采用的是Micron Imaging的CMOS影像感测器(CIS),当时该公司的CIS市占率排名第二,而Sony还只能排名第五。Apple于2009年选择OmniVision的背照式OmniBSI平台,取代了Micron,直到2011年后才开始改用Sony的客制化解决方案,如今它在CIS市占率方面已处于领先地位。

从iPhone 4S后开始采用Sony的影像感测器


iPhone 7和7 Plus

相较于原始的iPhone设计,iPhone 7系列几乎已没什么辨识度了。7系列机型支援4G LTE,可作业于40余种无线频段,并配备载波聚合(CA)功能,以提升其讯号灵敏度。萤幕采用3D Touch压敏多点触控技术,分别为iPhone 7与7 Plus提供326-ppi的4.7吋萤幕,以及401-ppi的5.5吋萤幕。

iPhone 7系列提供7M画素的前置自拍相机——iPhone 7的主相机支援12M画素单元,7 Plus则配备双镜头相机,分别是f/1.8孔径的12M广角和f/2.8孔径的远摄相机,以及2倍光学变焦与10倍数位变焦。自拍相机部份采用ST的飞行时间(ToF)感测器,作为近接(或可能的自动对焦)侦测器。

Apple在iPhone 5S时导入指纹感测器,到7系列已进展至第二代。除了动作和方向感测器,还加进了气压、温度和湿度感测器,以及心率监测器等功能。

iPhone目前拥有33亿个电晶体、64位元的四核心A10处理器,采用台积电的16nm技术、6核心GPU和2GB DRAM (Plus手机从前一代6S Plus的128MB升级至3GB)。由于快闪记忆体(flash)的进步,以及对于越来越多资料的需求,记忆体最高容量在十年间从8GB提升至256GB。

A10芯片图及其芯片标记


随着无线功能扩展,主板的RF端越来越复杂。北美版本的iPhone手机中,英特尔利用收购自英飞凌的技术获得了一些设计订单(其他地区的版本则采用高通芯片)。此外,我们还看到也了Skyworks、Broadcom/Avago、TDK和Qorvo的芯片。

iPhone 7手机电路板的拆解显示采用了更多的元件


以半导体逻辑元件的整合观点来看,较新的手机通常会采用更少的元件。然而,由于新一代的手机应用范围十分广泛,主板实际上采用了更多的芯片。

目前iPhone的每个元件几乎都十分先进或采用客制化设计,包括从RF前端到电源管理芯片、相机、记忆体,以及采用最新FinFET制程打造的A10处理器等。A10处理器率先采用台积电的InFO技术,板上的其他许多芯片则采用芯片级覆晶封装。


iPhone的制造成本比较

在十年之间,8GB容量的第一代iPhone售价599美元,进展到32GB iPhone 7时起价为649美元,透过比较就能看出制造成本如何随时间而变化。

2007年,TechInsights估计第一代iPhone的制造成本为221.45美元。针对iPhone 7的制造成本最佳估计为253.82美元,较原始版本贵了32.37美元。尽管这款手机在性能和功能方面取得重大进展,但Apple也成功地控制了成本。

原始的iPhone配备了Apple设计、由三星生产的应用处理器,以及英飞凌的GSM/EDGE基频处理器,这一组合估计约为22.58美元。而iPhone 7配备由台积电制造的Apple A10应用处理器和高通MDM9645 LTE基频处理器;这种更强大的元件组合最多增加了58.45美元,即原始成本的2.6倍。然而,在此情况下,手机用户也获得了2.34 GHz的四核心处理器以及LTE Advanced的数据机。

原始8GB iPhone和32GB iPhone 7的成本比较

成本差异较显著的领域还有连接能力和感测器。这部份的元件成本让原始iPhone增加了8.21美元,iPhone 7则增加13.61美元或多了1.6倍。两款手机都配备了Wi-Fi、蓝牙和加速度计。iPhone 7中还增加了安全的NFC、陀螺仪、罗盘、气压感测器、Touch ID和环境光感应元件。

从第一代iPhone到iPhone 7系列,相机类的成本从7.10美元上涨到23.31美元,涨幅为3.3倍。虽然原始iPhone采用2M画素相机,但iPhone 7支援7M画素前置相机、12M画素的后置相机和LED闪光灯。

不断地增加了这么多元件,Apple如何节省成本?其方式之一来自于显示器/触控模组。十年前,原始版3.5吋TFT显示器的成本约60.68美元,而iPhone 7采用的4.7吋TFT (延续自iPhone 6/6S)市场成本目前约32.48美元。十年是一段漫长的时间,足以带动这些元件的成本下降。以目前的市场成本来看,3.5吋的显示器/触控模组价格大约在10-15美元之间。

另一个可节省成本的领域是记忆体。十年前,Apple为其iPhone配备8GB (当时的高阶) MLC NAND和128MB DDR SDRAM。8GB NAND在60美元成本中占据了很大一部份(当时大多数装置搭配的是2GB NAND)。到了iPhone 7已配备高达32GB MLC NAND和2GB LPDDR4 SDRAM了。该类别的元件成本在这款机型中增加了1倍,而DDR4甚至占这一类别21.49美元的三分之二。

我们还看到混合讯号/RF类的成本呈现爆发式成长。该类别主要由构成RF部份(收发器、功率放大器、滤波器、RF开关等)的元件所组成。原始iPhone仅采用GSM/EDGE的成本为4.70美元。iPhone 7由于增加许多HSPA和LTE频段,导致成本跃升至24.53美元。据此而言,更多的功能和复杂度意味着更高成本。

同样地,电源管理/音讯类在iPhone 7时变得越来越复杂,使其成本从6.95美元增加到10.56美元。

其他电子元件也有类似的增加态势。原始iPhone时约15.89美元的成本,到了iPhone 7时提高到23.47美元。事实上,从成本角度来看,手机的差异可归结于更多的元件和功能。

两支手机之间的机械成本则大致相当,原始iPhone的成本为17.24美元,iPhone 7的成本为18.76美元。从这部份来看,其差异就在于制造过程。

测试/组装/辅助材料类的成本则从13.04美元增加到21.33美元,这主要来自于更高的劳动力成本、组装时间以及增加了更多元件。


结语

过去十年来,Apple将其iPhone产品线业务经营得有声有色。从首款iPhone到iPhone 7,Apple随时间演进逐步更新以控制其制造成本,而不是跳跃式进展。该公司节制地使用特定技术(如AMOLED显示器及其较TFT的成本溢价),以免压缩其利润或导致售价增加到超过原有位置。Apple还有效维持了市面上的售价,仅在iPhone 7略微增加。

随着iPhone 8与iPhone X的发表,整体来看,iPhone 8并没有太多的功能升级,它仍然是Apple递增手机功能计划中的一步,有时在软体上的更新进展比硬体更显著。预计要到售价999美元的iPhone X才会有更大的进展,但这至少要到11月以后上市才能知晓了。

未来,Apple将会继续在其先进设计上递增功能,还是拥抱更多未知的新技术?无论如何,iPhone的演进路径让我们期待看到另一个10年的更多进展。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1458期内容,欢迎关注。

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