Почему новый iPhone всегда быстрее прошлогоднего?
Чуть ли не на каждой презентации iPhone (да что там, на каждой!) мы слышим от представителей Apple о том, что новый телефон стал в n-раз мощнее и энергоэффективней, чем айфон прошлого поколения. То же самое можно сказать про iPad. Нам говорят «в iPhone 11 установлен процессор A13 Bionic» или «новый процессор A12Z Bionic расширяет возможности iPad Pro», а мы с умным видом киваем, потому что понимаем, что за этими хитрыми обозначениями скрывается что-то крутое. Настоящая мощь. Но эта самая «мощь» зависит вовсе не от названий, можно назвать чип хоть «A18X Power», а по производительности он будет как в пятом айфоне. Нет, все гораздо сложнее, и имя ему — нанометровый техпроцесс.
Нам показывают эти графики, но задумывались ли вы, почему все именно так?
Что такое нанометровый техпроцесс?
Если говорить очень упрощенно, то процессор, будь то чип в iPhone, iPad или Mac, представляет собой миллиарды крошечных транзисторов и электрических затворов, которые включаются и выключаются при выполнении операций. Эти транзисторы настолько маленькие, что их размер вычисляется не в миллиметрах, и даже не в сотых миллиметра, а в нанометрах.
Нанометр — единица измерения, которая равна одной миллиардной метра (одной миллионной доле миллиметра). Увидеть объект таких размеров человеческий глаз не в состоянии.
Зачем их делают такими маленькими? Чем меньше размер транзистора, тем меньше энергии он потребляет. При этом эффективность их работы не падает, поэтому производители процессоров (да и смартфонов) так гонятся за уменьшением размера транзисторов.
В 1987 году ведущие полупроводниковые компании производили чипы по 800-нм техпроцессу. К 2001 году это число значительно сократилось — до 130-нм. Сегодня вы, скорее всего, чаще всего слышите о 7-нм и 10-нм чипах. Первый тип обычно относится к процессорам TSMC, а по второму производит свои чипы Intel. Через два года мы, возможно, увидим первый 3-нм чип, над ним уже работают. Лучшая производительность — не единственное преимущество меньших транзисторов. Также они способны обеспечить более длительное время автономной работы и существенный прирост скорости.
В этом процессоре миллиарды транзисторов
Процессоры iPhone
Разработанные Apple процессоры для iPhone, разумеется, значительно улучшились за несколько лет, поскольку размер транзисторов в чипах сократился. Например, в первом iPhone (2007) и iPhone 3G использовался 90-нм техпроцесс от Samsung. К 2009 году и появлению iPhone 3GS Samsung использовала 65-нм техпроцесс.
Вот как менялись процессоры iPhone, начиная с 2010 года.
2010, iPhone 4, A4, 45 нм (Samsung)
Первый мобильный процессор Apple
Это была первая система на чипе (или как его еще называют, кристалле — SoC), которую разработала сама Apple для своих мобильных устройств.
2011, iPhone 4S, A5, 45 нм (Samsung)
На презентации iPhone 4s Apple заявила, что A5 способен выполнить вдвое больше задач, чем A4, и показал в девять раз более высокую производительность графики.
2012, iPhone 5, 5C, A6, 32 нм (Samsung)
В два раза быстрее своего предшественника с удвоенной графической мощностью.
2013, iPhone 5S, A7, 28 нм (Samsung)
Процессор A7, стоявший в iPhone 5s, производился по 28-нанометровому техпроцессу
Опять же, Apple заявила, что этот чип был в два раза быстрее и обладал вдвое большей графической мощностью по сравнению с Apple A6.
2014, iPhone 6, A8, 20 нм (TSMC)
Первый чип не от Samsung, который произвела для Apple компания TSMC. Apple A8 предлагал на 25% больше производительности процессора и на 50% больше графической производительности, чем предыдущая модель. Он также потреблял на 50% меньше энергии.
2015, iPhone 6s, A9, 14 нм (Samsung), 16 нм (TSMC)
Процессор Apple A9, созданный сразу двумя компаниями, обеспечивал на 70% большую производительность и на 90% большую графическую производительность.
2016, iPhone 7, A10 Fusion, 16 нм (TSMC)
С этих пор iPhone ушел от процессоров Samsung полностью. Apple сообщила, что на этом чипе производительность графики стала на 50% выше.
2017, iPhone X, 8, A11 Bionic, 10 нм (TSMC)
На 25% быстрее, чем A10 Fusion, и на 30% быстрее графика.
2018, iPhone XS, XR, A12 Bionic, 7 нм (TSMC)
Производительность в одноядерном режиме на 35% выше, а в многоядерном — на 90% выше, чем у предшественника.
2019, iPhone 11, A13 Bionic, 7 нм (TSMC)
Внутри процессора Apple A13 Bionic
Apple утверждает, что два высокопроизводительных ядра работают на 20% быстрее при снижении энергопотребления на 30%, а четыре высокопроизводительных ядра — на 20% быстрее при уменьшении энергопотребления на 40% по сравнению с A12.
От чего зависит мощность iPhone?
Как видите, мощность iPhone прямо зависит от используемого в процессоре техпроцесса. В iPhone 11 он почти в 7 раз меньше, чем в iPhone 4. Отсюда и такая мощность и возможность запускать ресурсоемкие приложения и iOS 13, которая в сравнении с iOS 4 сильно изменилась.
Если сравнить схематично одинаковые процессоры, но изготовленные по 14-нанометровому и 7-нанометровому техпроцессу, то второй будет на 25% производительней при той же затраченной энергии. Или вы можете получить одинаковую производительность, но второй будет в два раза энергоэффективнее, что позволит еще дольше читать и писать сообщения в нашем Telegram-чате.
В первой половине 2019 года все та же компания TSMC начала опытное производство чипов по 5-нм техпроцессу. Переход на эту технологию позволяет повысить плотность упаковки электронных компонентов по сравнению с 7-нанометровым техпроцессом на 80% и повысить быстродействие на 15%. Ожидается, что iPhone 2020 года получит процессор, созданный по новому техпроцессу.
Главный поставщик Apple готов производить процессоры iPhone в США: Китай больше не нужен?
Не ответив ни “да”, ни “нет”, но скорее все-таки “нет” на предложение администрации США, представитель TSMC, скорее всего, надеялся на продолжение переговоров и еще более выгодные условия сделки. По большому счету еще одна “литейка” на территории США для TSMC особенно не нужна. В штате Вашингтон, в течение нескольких лет, уже работает её завод по производству микросхем, который настолько мало влияет на положение дел, что большинство о нем узнало из пресс-релиза TSMC. TSMC согласна. Похоже, пользуясь удачным для неё моментом, TSMC добилась для себя еще более благоприятных условий – и похоже, на этот раз у Apple и TSMC может что-то и получится.
Кажется, Apple намерена уходить из Китая
В комментариях на сообщение о согласии TSMC расширить своё присутствие в США почти нет нейтральных и взвешенных. Многие в восторге: исторические Apple A14, процессоры, предназначенные не только для мобильных устройств, но и для Mac’ов, будут делать в США, да еще и используя передовой 5-нм процесс, разработанный TSMC! Другие, чуть ли не с калькулятором в руках, доказывают, что причин для восторга нет, и в лучшем случае завод в Аризоне (который будет введен в строй не раньше 2024 года) станет каплей в море и вообще имеет чисто политическое значение.
В штате Вашингтон, в течение нескольких лет, уже работает завод TSMC по производству микросхем
В 2012 году, напоминают скептики, администрация США и TSMC, как и сейчас, договорились о строительстве завода TSMC в штате Нью-Йорк, но в итоге, по целому ряду причин, проект был закрыт. И убедительных доказательств, что на этот раз всё будет по-другому, нет. В пресс-релизе TSMC, как и в 2012 году, сообщается о намерении компании построить завод в Аризоне при поддержке со стороны федерального правительства США и властей этого штата. Строительство, по предварительным прикидкам TSMC, займет 3 года. В 2024 году, если Apple будет, как сейчас, выпускать новые поколения систем-на-чипе каждый год, первым чипом который будет производиться на аризонской фабрике TSMC, будет либо самый актуальный на тот момент Apple A18, либо “прошлогодний” Apple A17. И по технологическому процессу 3 нм, если TSMC выполнит свои обещания. Слишком круто чтобы быть правдой, но почему бы и нет?
Зачем TSMC завод в США?
Что намеривается делать TSMC? Построить в 2021-2024 завод по производству чипов в штате Аризона. Где именно – пока неизвестно, и возможно, даже еще не определено. В 2024 году должна быть запущена первая очередь этого предприятия, производящая 20 тысяч 300 мм полупроводниковых пластин (wafers) в месяц. На каждой такой пластине, размером с пиццу, размещается примерно 14,5 тысяч чипов, из которых, по современным нормам, 30% бракованных.
По мнению экспертов, 203 миллиона чипов в месяц – это капля в море. Что это будут за чипы, и по каким процессам их будут производить, не сообщается. В США у TSMC несколько важных клиентов, самые крупные из них – Apple и AMD. Все эти миллиарды чипов в год, видимо, будут востребованы.
На этом же заводе будут производить процессоры для Mac
В 2024 году завод TSMC создаст 1 600 новых высоко оплачиваемых рабочих мест, но этим дело не ограничится. Открытие этой “литейки” приведет, косвенно, к появлению еще тысяч рабочих мест. В высокотехнологичной сфере. В дни, когда миллионы американцев теряют работу из-за коронавируса, десяток тысяч рабочих мест как-то не вдохновляют, но к 2024 году ситуация обязательно изменится, и необязательно в худшую сторону. В 2024 году планируется ввести в строй первую очередь завода в Аризоне.
А пока с чипами, произведенными в Китае, iPhone 12 будет таким же мощным, как MacBook Pro 15.
С 2021 по 2029 в это производство TSMC планирует инвестировать 12 миллиардов долларов. Своих собственных. Технические подробности о том, во что планируют превратить этот завод к 2029 году, не сообщаются, но размер инвестиций превышает в два с половиной раза максимальную стоимость обычной “литейки”. Обычно это от 3 до 5 миллиардов.
В нашем Telegram-чате задались логичным вопрсоом, а будет ли это производство рентабельным? Не окажутся ли чипы, произведенные в США слишком дорогими? Будут ли они кому-то нужны?
Стоимость производства процессоров в США
Проект фабрики TSMC в США
Высокооплачиваемые (по американским стандартам) сотрудники, с учетом обязательных дополнительных затрат на каждого из них, лягут тяжким бременем на бюджет завода и не могут не сказаться на себестоимости продукции – и на её ценах для потребителей. Это настолько очевидно и бесспорно, что вся эта затея кажется бредом сумасшедшего. Уж не пообещали ли власти США и Аризоны доплачивать TSMC за каждый чип для поддержания конкурентоспособности чипов местного производства? Если вспомнить про соображения национальной безопасности и участие во всем этом министерства обороны США, эта перспектива уже не покажется бессмыслицей. Но это как-то “невкусно” и неинтересно. Неужели госструктуры США готовы платить огромные деньги за чипы внутри каждого iPhone, iPad и Mac?
Есть кое-какая информация на этот счет. Микропроцессорные “литейки” уже сейчас — самые роботизированные производства в мире. Доля ручного труда на них очень мала. Персонал, занимающийся управлением этой безумно сложной техникой и её обслуживанием, обходится дорого независимо от того, в каком уголке Вселенной он прилагает свои умения и опыт.
Но на этот раз решили пойти дальше – речь идет о внедрении еще более умной автоматики, из-за чего себестоимость производства больших тиражей будет в несколько раз ниже, чем в том же материковом Китае. Видимо, руководство TSMC смогли в этом убедить. Иначе едва ли они согласились на участие в этой авантюре. В прошлом веке у США что-то подобное уже получалось – мне известно про заводы NeXT Computer и Be Computer, но таких примеров было намного больше. Более чем четверть века назад. Могут ли они повторить?