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TSMC et InFo PoP pour l'A10 de l'iPhone 7
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Ce week end, la société Chipworks a procédé à son traditionnel "teardown" des puces incluses dans l'iPhone 7 , en se concentrant particulièrement sur le SoC A10 d'Apple.
Rappel sur l'A9
Avant de regarder l'A10, revenons un instant sur l'A9 inclus l'année dernière dans l'iPhone 6S. Il avait la particularité d'être sourcé en parallèle chez Samsung et TSMC, quelque chose de quasi unique pour des puces haut de gamme sur des process de dernière génération, ce qui nous avait permis d'effectuer quelques comparaisons.
Les deux A9 de l'iPhone 6S (2015)
La différence la plus visible était la densité des deux process : l'A9 "Samsung" mesurant 96mm2, contre 104.5mm2 pour la version TSMC. A l'époque nous n'avions pas de certitudes sur les variantes exactes des process utilisées. Depuis, Chipworks a confirmé qu'il s'agissait bien du 14LPE chez Samsung. Le cas de TSMC est plus compliqué, Chipworks ne répondant pas (gratuitement) à la question. Les rumeurs laissent penser qu'il ne s'agissait pas d'un simple 16FF, mais d'une version "custom" empruntant en partie au process 16FF+.
Outre la densité, les tests pratiques avaient suggéré une différence de consommation à pleine charge avec un avantage pour la puce de TSMC. De quoi laisser penser que son process avait besoin de tensions inférieures à celui de Samsung pour obtenir les mêmes performances.
Depuis, Chipworks a la aussi répondu partiellement à la question suggérant que le problème se situerait pour le process de Samsung sur le rapport puissance/performances de ses NMOS . On ne sait pas si le problème persiste sur la version 14LPP qui a remplacé le 14LPE.
L'A10 : 16FFC TSMC
Première différence par rapport à l'année dernière, l'A10 semble produit cette année exclusivement par TSMC. Il est plus large que l'A9, mesurant 125mm2 pour 3.3 milliards de transistors annoncés. Côté process il s'agit du 16FFC (ou d'une variante) de TSMC, la troisième version "optimisée" du 16nm de TSMC. Annoncée en janvier dernier, le C signifie "Compact" et ce process vise avant tout les usages basses consommation tout en réduisant de manière significative les coûts de fabrication.
D'après Chipworks, l'utilisation des bibliothèques optimisées permet une bien meilleure utilisation du die, avec une compacité équivalente à celle des process TSMC précédents. Chipworks estime que la même puce aurait demandé 150mm2 en 16FF. Etant donné que 70 tapeouts de clients de TSMC sont attendus sur ce process cette année, les progrès de densité du 16FFC devraient profiter assez largement, on attendra de voir les constructeurs qui annonceront des puces l'utilisant.
Chipworks note également que l'A10 est beaucoup moins haut que les générations précédentes. Comme beaucoup de SoC, il est de type PoP et embarque la mémoire au dessus du die logique. Cependant plutôt que d'empiler les quatre dies de mémoire (2 Go de LPDDR4 Samsung sur l'A10 de l'iPhone 7), ils sont placés côte à côte.
Qui plus est, comme nous le supposions la puce utilise le nouveau packaging InFo de TSMC (dans sa version InFo-PoP) pour relier les dies entre eux.
big.LITTLE et performances
Côté performances les premiers benchmarks synthétiques évoquent 40% de gains pour le CPU ARM par rapport à l'année dernière, tout en restant en 16nm.
Pour arriver à ce gain, Apple augmente d'abord significativement la fréquence, passant de 1.85 GHz sur l'A9 à 2.35 GHz sur l'A10. Sur ce point, la marque exploite à la fois la marge notée de son process l'année dernière (on peut supposer facilement que l'A9 aurait eu une fréquence plus élevée s'il avait été sourcé uniquement chez TSMC) et les gains apportés par le 16FFC.
Ce gain de 27% de fréquence est accompagné de changements au niveau de l'architecture. Ceux ci ne sont pas encore connus, au delà du nom Hurricane, mais Chipworks note que le cluster CPU prend une place plus importante sur le die, 16mm2 face à 13mm2 sur l'A9, malgré l'utilisation d'un process plus compact.
Il est cependant difficile de se baser sur cette différence de taille étant donné que l'A10 est en réalité un quad core big.LITTLE dans la nomenclature ARM. En plus des deux coeurs hautes performances à 2.35 GHz (big), deux coeurs basse consommation à 1.05 GHz (LITTLE) sont également présents sur le die (leur emplacement exact est pour l'instant inconnu, ce qui vaut les points d'interrogation sur le diagramme au dessus).
Contrairement à d'autres implémentations dans l'écosystème ARM, les applications ne peuvent pas utiliser en simultanée les deux blocs de coeurs, le passage de l'un à l'autre étant transparent pour elles (géré par la puce et l'OS). L'intérêt de cet arrangement est bien entendu d'augmenter l'autonomie en ne sollicitant les coeurs haute performances que lorsque nécessaire.
Déjà largement en avance côté performances sur le reste de l'écosystème ARM, l'A10 commence à devenir embarrassant même pour Intel, dépassant un Core M Skylake en monothread sous Geekbench 4 (voir ici et là ), avec un "TDP" au moins deux fois inférieur (et sans mécanisme Turbo).
Intel se consolera tout de même de sa présence dans une partie des iPhone 7 car c'est l'autre information de Chipworks, la société confirme qu'une partie des modèles utilise un modem Intel XMM 7360 (certains modèles intègrent un modem Qualcomm X12). Très en retard, le XMM 7360 est un modem LTE 450 Mb/s Cat 10 certes dessiné par Intel, mais fabriqué selon toutes vraisemblances comme ses prédécesseurs... par TSMC.
Intel Custom Foundry prend une licence ARM !
ARM l'a confirmé par un post de blog : Intel Custom Foundry, l'activité fabrication tiers d'Intel, est désormais détentrice d'une licence ARM Artisan pour le 10nm !
Il faut rappeler qu'Intel est plutôt un cas à part dans le monde des semi-conducteurs, étant l'une des rares sociétés à disposer de ses propres usines, utilisées quasi uniquement pour la production de ses propres puces. La plupart des autres acteurs du marché ont migré vers la séparation de l'activité design d'un côté (on parle de sociétés fabless, c'est le cas dans le monde du GPU avec AMD et Nvidia), et de l'autre la fabrication dans des sociétés tierces spécialisées (on parle de foundry, la plus connue étant TSMC qui fabrique des puces pour de multiples clients).
Avec la difficulté de la mise au point des nouveaux process de fabrication, qui n'a fait qu'empirer ces dernières années, il est de plus en plus complexe pour une société à elle seule de justifier l'investissement nécessaire pour faire évoluer sans cesse ses usines. Qui plus est, la réduction de la taille des transistors fait que la capacité des usines augmente d'année en année, et qu'il faut disposer de très larges volumes de puces à produire, au risque de voir ses usines tourner à vide.
Un casse tête qui aura poussé plusieurs sociétés à se séparer de leurs usines (pour des raisons différentes) d'abord AMD en 2009 (créant GlobalFoundries) et plus récemment IBM (dont l'activité fabrication à été rachetée elle aussi par GlobalFoundries).
Depuis quelques années, en plus de fabriquer ses propres puces dans ses usines, Intel a décidé d'entrer très timidement, en 2010, sur le marché des fondeurs tiers en ouvrant son process à de petites sociétés qui n'étaient pas en concurrence directe avec ses produits (le premier client était Achronix, designer de FPGA en 22nm). D'autres clients ont suivi, principalement sur les FPGA, le client le plus connu d'Intel ayant été Altera... même si au final Intel aura décidé de racheter son client à la mi-2015 !
Pour Intel, la nécessité d'ouvrir ses usines est un casse tête. D'un côté, la société tente d'être présent sur tout les marchés, en déclinant le x86 - technologie "maison" sur laquelle la concurrence est limitée - à toutes les sauces et avec un soupçon de recyclage, que ce soit avec des produits serveurs spécialisés comme les Xeon Phi basés sur des Pentium pour leur première génération, ou les Quark dédiés à l'embarqué et utilisant une architecture de 486 datant d'une bonne vingtaine d'années !
Si l'envie de la société d'être présente sur tous les marchés est là, en pratique les succès ne sont pas systématiquement au rendez vous, Intel ayant par exemple massivement raté le marché des smartphones. Cumulé à la baisse continue des ventes sur le marché historique des PC, l'ouverture des usines à des clients tiers se dessine de plus en plus comme une nécessité pour Intel, même si l'avouer semble impossible à la société, qui continuait donc d'envoyer des signaux mitigés aux possibles futurs clients de son activité fabrication.
Avec l'annonce d'aujourd'hui, les choses sont - peut être - en train de changer puisque la prise de licence ARM par Intel est tout sauf anodine. Ce n'est pas la première fois qu'Intel fabriquera des SoC ARM, on l'avait vu avec Altera qui utilisait un core ARM dans un usage très spécifique.
La licence Artisan Physical IP inclut en effet toutes les briques nécessaires pour la création de puces ARM de tout types. Il s'agit de tous les blocs de base avec des bibliothèques haute densité et haute performance de transistors logiques,et également tout le nécessaire pour les différents types de mémoire. La licence inclut surtout POP IP, qui est pour rappel l'idée qui fait le succès d'ARM : permettre l'utilisation de blocs interchangeables et compatibles pour créer des puces custom. Ainsi un client peut choisir d'utiliser des coeurs CPU dessinés par ARM (les gammes Cortex) ou créer ses propres coeurs (c'est le cas d'Apple et plus récemment de Nvidia), de choisir un GPU (que ce soit les Mali d'ARM, ou les populaires PowerVR d'Imagination Technologies), et également de choisir son fournisseur pour les interconnexions.
Concrètement, Intel va donc "porter" ces bibliothèques d'ARM aux particularités de son futur process 10 nm, ce qui permettra aux partenaires d'ARM de porter à leur tour - s'ils le souhaitent - leurs blocs POP IP. ARM et Intel travailleront conjointement pour le portage de deux futurs blocs CPU ARM Cortex-A (probablement un autre successeur 10nm de l'A72, voir l'annonce de l'A73 en 10nm lui aussi), la déclinaison que l'on retrouve dans les smartphones et tablettes.
Faut il y voir un virage pour Intel ? Fabriquer des puces ARM pour smartphones, ce qu'ils feront pour LG (nouveau client annoncé dans la foulée) va forcément à l'encontre des ambitions internes d'Intel d'imposer le x86 sur mobile. Car si un peu plus tôt dans l'année Intel avait décidé d'annuler sa nouvelle génération de SoC pour smartphones (Broxton et SoFIA), le constructeur continuait en interne à travailler sur les générations suivantes tout en essayant de développer dans l'intérim son activité modem (Intel aurait possiblement gagné le marché du modem du prochain iPhone). A l'heure où ARM augmente ses ambitions pour aller attaquer le marché juteux des serveurs, on peut se demander jusqu'où ira réellement l'ouverture d'Intel.
Un futur CPU ARMv8 24 coeurs de Qualcomm
En fabriquant des puces concurrentes, Intel s'ouvre à des comparaisons directes qui pourraient être assez défavorables à ses architectures x86, assez peu adaptées à la basse consommation. L'avantage supposé du process d'Intel, s'il existe, ne pourra plus jouer en la faveur de ses propres solutions pour compenser un éventuel déficit architectural. La structure de marges d'Intel, là aussi très différente de celle des fondeurs tiers, posera là aussi rapidement problème.
Qui plus est, en obtenant la licence Artisan d'ARM, Intel va devoir partager tous les détails techniques, y compris les plus secrets, de son process en ce qui concerne les règles et les dimensions exactes des transistors, ce qui va l'exposer là aussi à une comparaison directe avec les autres acteurs installés du milieu (comme TSMC et Samsung). Il faudra un peu de temps pour mesurer les conséquences concrètes de tout cela, car cet accord ne concerne que le 10nm, un process pour rappel en retard et qui n'est prévu chez Intel que pour la fin de l'année 2017 en version mobile. Les dernières nouvelles du 10nm, sur lequel Intel ne communique pas, n'étaient pour rappel pas particulièrement rassurantes avec l'arrivée possible sur sa roadmap de puces 14nm... pour 2018.
L'A9 d'Apple produit par Samsung et TSMC
La société Chipworks a confirmé via son blog une semi surprise : l'A9, le SoC ARM custom présent dans l'iPhone 6s d'Apple existe en deux variantes, une produite par Samsung et l'autre par TSMC. Selon Chipworks, ils ont trouvé ces deux puces dans « deux modèles identiques », tandis que iFixit a trouvé la version Samsung dans un iPhone 6s et la version TSMC dans le modèle 6s Plus .
Les deux puces portent une référence différente (APL0898 et APL1022) et mesurent respectivement 96 mm2 et 104.5 mm2 (l'A8 en 20nm mesurait 89mm2 à titre de comparaison). Le nombre de transistor est inconnu, il était de 2 milliards sur l'A8. Le process de Samsung (partagé sous licence avec GlobalFoundries) est un 14nm FinFET tandis que celui de TSMC est un 16nm FinFET même si en pratique les nomenclatures ne veulent plus dire grand-chose. Samsung semble avoir tout de même un avantage de densité, quelque chose que l'on attendait, TSMC avait déjà annoncé dès l'année dernière qu'ils proposeraient une seconde version de leur process 16nm en 2016 (le 16 FinFET Plus) afin d'améliorer la densité et être plus compétitif avec la concurrence.
Au-delà de leurs tailles différentes, les puces semblent se comporter de manière similaire dans les premiers benchmarks que l'on a pu croiser, même s'il est encore tôt pour se faire une idée complète. Techniquement l'A9 est un SoC composé pour sa partie CPU d'un dual core basé sur une architecture ARM 64 bit custom et cadencé à 1.8 GHz accompagné de 3 Mo de cache L2. Un GPU issu de chez PowerVR avec « six cores » s'occupe de la partie graphique, le CPU et le GPU partageraient possiblement 8 Mo de cache L3. Apple annonçait +70% de performance CPU et +90% de performances graphiques par rapport à sa génération précédente gravée en 20nm par TSMC, des chiffres qui se vérifient à peu près dans les premiers benchmarks. Le SoC est de type PoP avec 2 Go de mémoire LPDDR4 au-dessus (et l'on notera pour l'anecdote la présence d'un contrôleur NAND PCIe/NVMe dans l'iPhone 6s !)
Si l'on s'attendait à voir Samsung et TSMC produire la nouvelle génération de puces d'Apple, beaucoup pensaient que Samsung aurait récupéré la production de l'A9 et TSMC celle de l'A9X (la version iPad du SoC). En juillet dernier, TSMC avait cependant semé le doute indiquant avoir déjà réalisé ses premières livraisons de puces à ses clients.
Le choix d'utiliser deux process distincts pour produire une même puce est original de la part d'Apple qui n'a toutefois pas les mêmes problèmes que tout le monde. Le volume de l'iPhone (13 millions vendus en un weekend, 200 millions attendus sur l'année) permet à la marque de justifier aisément le cout double de développements séparés pour deux process différents (les process sont incompatibles dans leurs règles et les designs doivent être adaptés pour chaque fondeur).
Cela permet également d'améliorer le volume de disponibilité dès le lancement - un problème particulièrement important sur des process de toute dernière génération, il suffit de regarder la disponibilité anémique des Skylake d'Intel pour s'en convaincre - et de minimiser les problèmes de yields que pourraient avoir l'un ou l'autre de ses fournisseurs.
Un Cortex-A57 16nm fonctionnel chez TSMC
La firme taiwanaise TSMC vient d'annoncer par communiqué de presse avoir produit un premier processeur 16nm pleinement fonctionnel pour l'un de ses clients, en l'occurrence HiSilicon Technologies (filiale de Huawei). Il s’agit d'un processeur réseau qui mixe d'un côté un Cortex-A57 en 16nm et de l'autre des I/O produites en 28nm. L'A57 en question comporterait pas moins de 32 cœurs pour une fréquence pouvant atteindre 2.6 GHz. Il n'est pas indiqué que les premiers processeurs produits peuvent tenir cette fréquence, mais le simple nombre de cœurs montre qu'il s'agit d'un produit tout sauf trivial.
TSMC confirme que son process 16nm FinFET est entré en phase dite de risk production, une phase intermédiaire entre la validation et la mise en production pure et dure qui peut être utilisée par ses clients qui souhaitent tenter de proposer des produits le plus vite possible sur le marché. TSMC indique que ses yields sont « excellents » mais ne confirme pas certaines rumeurs ayant couru dans la presse chinoise par laquelle TSMC aurait avancé la mise en volume du 16nm au premier trimestre 2015. Quelque chose qui contredirait significativement les propos tenus en juillet dernier par Morris Chang qui parlait de fin 2015 pour la production en volume du 16nm. Il faudra attendre la prochaine annonce des résultats de la société (mi-octobre) pour tenter d'en savoir plus sur l'état réel du 16nm.
Notez qu'en ce qui concerne le 20nm, après de multiples rumeurs, Chipworks a bel et bien confirmé que les SoC A8 d'Apple sont fabriqués, en 20nm, par TSMC. Il s'agit de la seconde puce produite en 20nm par TSMC qui a été détectée par Chipworks qui avait déjà trouvé un modem Qualcomm (MDM9235M ) dans une variante du Galaxy S5 (LTE-A) de Samsung. Deux produits qui confirment le fait qu'Apple et Qualcomm sont les deux clients principaux du process 20nm de TSMC.
On notera que le SoC A8 d'Apple est annoncé pour environ 2 milliards de transistors pour une surface de 89mm2. Il est toujours difficile de comparer des designs différents et des types de puces différentes, mais à titre d'exemple, le GM107 de Nvidia, produit dans une phase d'exploitation avancée du process 28nm (contre 20nm en début de process pour l'A8) incluait 1.9 milliards de transistors dans 148mm2. Concernant la génération précédente de SoC Apple, l'A7, il était construit chez Samsung en 28nm pour une taille de die de 104mm2, mais le nombre de transistors exact n'était pas précisé (« plus d'un milliard » étant la seule information donnée).
TSMC aurait signé Apple pour le 20nm
Les rumeurs concernant la fabrication des futurs SoC d'Apple pourraient enfin arriver à leur terme ! Depuis de longs mois, des rumeurs insistantes laissaient penser qu'Apple cherchait un nouveau partenaire pour la fabrication de puces pour le 20nm et au delà. On se souvient par exemple lors de la conférence de la Common Platform en février que le présentateur de Samsung avait indiqué avec lourdeur et insistance être en capacité d'accueillir de nouveaux clients pour les futurs process. Et l'on avait noté hier un appel du pied un peu surprenant de la nouvelle direction d'Intel envers ses "très bon clients".
Les rumeurs jusqu'ici laissaient plutôt à penser qu'Apple tentait d'obtenir un accord avec TSMC, on avait même d'ailleurs parlé d'une forme d'accord d'exclusivité. Des rumeurs identiques courraient également sur Qualcomm, autre constructeur qui a souffert des retards et des problèmes d'allocations.
Ces rumeurs se confirment aujourd'hui suite à la publication d'un article du Wall Street Journal qui indique qu'un accord aurait finalement été trouvé entre Apple et TSMC, citant en source un membre de l'exécutif de TSMC.
Le Dr. Morris Chang, Chairman et CEO de TSMC
L'accord porterait à partir de 2014, ce qui veut dire que c'est à partir du process 20nm que l'on verra des puces Apple signées par le fondeur taïwanais. Les impacts de l'annonce permettent de déterminer quelques conséquences à court terme sur les futurs SoC d'Apple. Les A7/A7X de la prochaine génération d'iPhone/iPad prévus avant la fin de l'année seront toujours fabriqués par Samsung. En ce qui concerne le process, le 28nm semble probable même si le timing semble serré. Samsung fait pour rappel partie de la Common Platform, en association avec IBM et GlobalFoundries, et la Common Platform dans son ensemble a du mal à produire en volume le 28nm, quelque chose qui a déjà impacté significativement AMD avec le report des Kaveri et l'introduction en dernière minute de Richland dans la roadmap APU.
Le 28nm noté comme dispo chez GlobalFoundries, mais qui reste toujours problématique en volume pour l'ensemble de la Common Platform
La démonstration du Computex et l'absence de nouveau report annoncé laisse cependant penser que Kaveri sera à l'heure vers la fin de l'année. Le 28nm semble donc acquis pour la génération de SoC Apple à venir, au prix peut être d'un léger décalage de planning, de volume contraint, ou d'acceptation de yields en deça de ce qu'ils devraient être. Le lancement du Galaxy S4 avec des puces Qualcomm Snapdragon 600 dans la majorité des pays (y compris en France) au lieu de l'Exynos 5 Octa de Samsung (fabriqué par Samsung Foundry en 29nm) semble confirmer que la situation du process 28nm est toujours loin d'être idéale.
Au delà de cet impact à court terme, c'est aussi beaucoup d'acteurs du monde PC qui vont se retrouver secoués par l'arrivée de ce nouveau client. Les conditions des contrats d'approvisionnement d'Apple sont connues pour être particulièrement drastiques, et les volumes de production attendus particulièrement larges. Si TSMC ne manquera pas de tenter de rassurer ses partenaires actuels sur le fait que tous ses clients sont égaux, en pratique cela devrait avoir des conséquences fortes en termes d'allocation, particulièrement pour le 20nm.
Nvidia fabrique actuellement ses GPU et ses SoC chez TSMC, AMD y fabrique également ses GPU et certains de ses SoC x86. C'était le cas des Brazos (40 nm) et aussi plus récemment des Kabini (28 nm). AMD dispose bien entendu d'une relation privilégiée avec Global Foundries même si en pratique - sur le 28 nm - AMD n'a pu capitaliser dessus avec les retards du 28 nm.
La Gigafab 14 de TSMC produira en volume le 20nm en 2014.
Pour le 20nm, il est probable que plusieurs acteurs tentent de déplacer une partie de leur production SoC vers d'autres fonderies, et plus particulièrement vers Samsung par exemple dans le cas de Nvidia et de Qualcomm. En ce qui concerne le cas des GPU haut de gamme, ceux qui profitent en premier des nouveaux process de fabrication, il est peu probable que l'impact soit important. Si les contraintes d'allocations seront probablement réelles et pourront engendrer des retards chez l'un et/ou l'autre des constructeurs, les volumes de puces nécessaires restent, relativement parlant, extrêmement faibles. L'arrivée de GPU plus bas de gamme en 20 nm pourrait par contre être impactée.
