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iPhone 6sのA9チップは異例のマルチファウンドリ製造に

現在では珍しい2つのファウンドリでの製造

 iPhone 6s/6s Plusのチップが、2つの異なるファウンドリで製造されていることが話題になっている。iPhone 6s/6s Plusの中核SoC(System on a Chip)である「Apple A9」は、Appleの発表通り、新トランジスタアーキテクチャであるFinFET 3Dトランジスタベースだった。驚いたことに、これまでのApple AシリーズSoCと異なり、製造は1ファウンドリではなく、2ファウンドリの2つのプロセス技術にまたがっているようだ。Samsungの14nmプロセスと、TSMCの16nmプロセスだ。

 なぜ2種類のプロセスのA9があることが、そんなに驚くべきことなのか。それは、現在の先端プロセス技術での高性能SoCの場合、2ソースに向けた設計には、膨大なコストと労力が必要となるからだ。ほとんどが論理合成であっても、A9のような複雑で、性能と電力とコスト(PPA:Performance, Power, Area)のチューニングが要求されるチップの場合は手間がかかる。もちろん、半導体製造に必要なマスクのコストも倍になる。だから、現在ではチップメーカーは、よほどのことがない限り、ファウンドリをまたぐ設計をしない。

 それでも、あるプロセスでの製造をスタートして、遅れて別なプロセスでの製造をスタートするというケースはある。A製品向けのAチップをあるプロセスで製造し、B製品向けのAダッシュチップは別なプロセスを使うといったパターンだ。しかし、ローンチ時の製品に、2種類のファウンドリでの設計のチップを投入するのは、かなり異例だ。2つの異なるプロセスに対する最適化した物理設計を並行してやることになるからだ。そうした、通常ではないことを、今回、Appleはやっているようだ。

ファウンダリとIntelのプロセスロードマップ(PDF版はこちら

製造上の問題が示唆される2ファウンドリ戦略

 この件が示唆しているのは、Appleが1つのファウンドリの生産ラインからでは、iPhone 6s/6s Plusのローンチに必要なA9チップ数を確保できなかったことだ。あるいは、確保できない恐れがあり、そのためにコストをかけても保険をかける必要があったのかもしれない。iPhone 6s/6s Plusの販売は、初週末だけで1,000万台なので、それも、当然かも知れない。出荷量が桁外れなので、保険をかけても見合うという判断だった可能性がある。しかし、20nmプロセスのA8では、TSMC 1社に頼ったことを考えると、今回は異例だ。

 ローンチ時に両ファウンドリのチップが搭載されていたことから、この決定は、かなり前、おそらく1年以上前になされたことが推測される。そのため、A9の製造をSamsung系とTSMCの両方が担当するという、ウワサが流れていたと見られる。2ソースが望ましいという程度の理由で、A9を2ファウンドリに分散することは考えにくいため、何らかのせっぱつまった理由があったことは確実だ。

 もし、Appleがチップの生産個数の確保のためにA9をSamsungとTSMCに分散したのだとすれば、それは、FinFETプロセスの立ち上げ期の量産ボリュームが、かなり限られていることを意味している。あるいは、スムーズな立ち上げに不安があったか、どちらかだ。

 また、AppleがTSMCにも製造委託したことは、TSMCのFinFETプロセスを使う、Apple以外の顧客の製造ラインのキャパシティを圧迫していることも意味している。つまり、iPhone 6s/6s Plus以外は、FinFETプロセスでの生産量に制約が生じている可能性がある。TSMCのFinFETプロセスは顧客のチップメーカー数が多いため、影響は大きい。

 もちろん、SamsungとTSMCのFinFETプロセスの量産態勢が整うに従って、FinFETプロセスでのウェハ出荷量が増えて、製造量の問題は解決して行く。しかし、初期は、Appleが、製造キャパシティのかなりを占めることになりそうだ。

 ちなみに、Samsungは、大手ファウンドリのもう一角であるGLOBALFOUNDRIESと14nmプロセスで提携している。SamsungとGLOBALFOUNDRIESは、14nmプロセスをレシピレベルで互換にしているため、Samsungで製造するA9は、ほぼそのままGLOBALFOUNDRIESに製造を移すことができる。そのため、来年(2016年)にはAppleはA9を3ソースに製造委託できるようになる。

同一チップの製造で明確になったSamsung/GF FinFETプロセスのスケーリング

 2ファウンドリのA9の件の発端の1つは、iPhone 6s/6s Plusのティアダウン解析を行なったチップ解析企業のchipsorksのテックブログでTSMC版とSamsung版の存在が指摘されたことだ。TSMCとSamsungは、ファウンドリの中で、現在、FinFETプロセスを量産できている2大メーカーだ。Samsungは“14nm”、TSMCは“16nm”というプロセスノード名でFinFETプロセスを提供している。

 この「14」や「16」といったプロセスノードの数字は、実態がある数字ではなく、相対的な指標として付けられた型番のようなものだ。TSMC 16nmとSamsung 14nmは、ともに、配線層の配線間の距離であるメタルピッチ(Metal Pitch)についは、前世代の20nmプロセスと同じ64nm(M1)ピッチを採用している。Intelの14nmプロセスのような、52nmという狭い最小メタルピッチのプロセスではない。

 ただし、ややこしいのは、Samsung側のプロセスは、ゲート同士の間隔であるゲートピッチ(Gate Pitch)が、TSMCの標準より狭い。そのため、同じチップをレイアウトするなら、Samsungプロセスの方がダイが小さくなる。

Samsung/GLOBALFOUNDRIESの14nmはTSMCの16nmと比較して小さなチップを実現できる

 実際に、chipworksの解析ブログを見ると、A9についてもSamsung版は96平方mmなのに対して、TSMC版は104.5平方mmとレポートされている。Samsungの方が8%ほどダイが縮小している。SamsungやGLOBALFOUNDRIESは、同グループの14nmプロセスは、TSMCの16nmに対して最大で14〜15%のダイ縮小となると説明していた。そこまでの比率ではないが、Samsungプロセスのスケーリングの優位性が、同一のチップを製造することで証明されたことになる。現在の先端モバイルSoCのダイサイズとしては、どちらも穏当なラインだ。

モバイルSoCのダイサイズ(PDF版はこちら

 プロセスの違いは、当然、性能/消費電力にも影響するが、今回は、まだそこまで見えて来ない。ただし、両プロセスともFinFETなので、リーク電流(Leakage)については、従来プロセスより大幅に改善される。ちなみに、これまでのApple Aシリーズの製造プロセスは、Samsungの45nm(A4/A5)→32nm(A6)→28nm(A7)、TSMCの20nm(A8)、そして今回のSamsung 14nm/TSMC 16nm(A9)と移ってきている。

FinFETの比較(PDF版はこちら

LPDDR4 2GBへと帯域と容量ともにメモリを拡張

 チップ絡みでのiPhone 6s系の拡張の1つはDRAMだ。この世代から、AppleはこれまでのLPDDR3からLPDDR4へと移行した。また、メモリ量も、iPhone 6世代までの1GBから、2GBへと増量された。Android系の最先端端末並のメモリ量にようやくなった。そして、このことは、Wide I/O系メモリがまたも離陸に失敗したことを象徴している。

 iPhone 6s/6s PlusがWide I/O2を使わないことは、Wide I/O2の生産が動きださないために自明のことだった。Wide I/O2は、モバイル向けのスタックDRAM技術で、LPDDR4よりも同メモリ帯域時に、より低消費電力となる。しかし、製造コストが上がる。

 Wide I/O2のような新メモリは、立ち上げ時に、大きな顧客が必要となる。大量に使う顧客がついて、量産に勢いがつけば価格も下げることができる。価格が下がれば、顧客も増える。しかし、最初に巨大顧客がつかないと、量産効果によるコスト削減が見込めないため、メモリがいつまで経っても普及できないネガティブスパイラルに陥ってしまう。

 Wide I/O系メモリは、明らかにターゲットはAppleだが、Appleはメモリについてはかなり保守的で、新技術には飛びつかない。LPDDR4も、iPhone 6s/6s Plus世代からの採用なのは、製造量と価格の問題だろう。

 今回は、低電力に利点があるFinFETプロセスのSoCと、帯域当たりの電力消費を抑えられるLPDDR4が、iPhone 6s世代で揃ったことになる。

(後藤 弘茂 (Hiroshige Goto) E-mail