iPhone14 Pro 심장부, A16 Bionic 분석

이번에는 2022 년 9 월 16 일에 출시 된 Apple의 최신 스마트폰 「iPhone 14 Pro」의 프로세서 「A16 Bionic」에 대해 보고합니다. A16 Bionic은 iPhone 14 Pro에만 채용되고 있다.

그림 1은 iPhone 14 Pro의 포장 상자, 본체의 디스플레이를 제거한 상태, 기판(2층 구조)의 프로세서측의 모습이다.

프로세서 기판 반대면에는 낸드 스토리지 메모리와 와이파이/블루투스 칩이 탑재돼 있다. 프로세서 측은 주로 A16 Bionic과 짝을 이루어 전력을 최적화하는 전원 IC가 배치되어 있다.

그림 1: 'iPhone 14 Pro' 포장 상자와 본체의 디스플레이를 제거한 상태. 출처: Techanalye Report

A16 Bionic에도 애플 마크가 탑재돼 있지만 전원 IC에도 애플 마크가 탑재돼 있다. 애플은 디지털 프로세서뿐 아니라 아날로그 회로로 구성되는 전원 IC도 자체 설계 개발해 칩셋으로 활용하고 있는 셈이다.

많은 스마트폰 전용의 플랫폼을 제공하는 반도체 메이커(Qualcomm이나 MediaTek, Samsung Electronics, UNISOC 등)도 프로세서와 전원 IC를 세트화해 최적화를 도모하고 있다.

애플의 A16 Bionic은 디지털과 아날로그를 조합해 전력성능과 연산성능을 올리고 있다는 점에서 전업 반도체 업체와 동일한 구조를 자사에서 만들고 있는 것이다.

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적은 용량의 DRAM과 이번에도 채용되고 있는 실리콘 커패시터

그림 2는 A16 Bionic을 기판으로부터 떼어낸 모습이다. 가운데는 A16 마크가 있는 패키지의 MOLD를 제거해 DRAM을 보이도록 한 것이다. A16의 글자 아래에는 2조의 DRAM이 배치되어 있다. 각각 2겹으로 이루어져 있으며, 총 4장의 DRAM 실리콘이 문자 아래에 내장되어 있습니다.

그림 2: A16 Bionic 패키지. 출처: Techanalye Report

DRAM은 LPDDR51.5GB. 4장에 6GB다.

현재 Android 계열의 스마트폰에서는 LPDDR5를 8~12GB 탑재하는 것이 많지만 Apple은, 6GB로 적은 용량이다. 적은 용량이라도 스트레스 없이 동작하도록 다양한 아이디어가 제시되었습니다.

이뤄지고 있는 것이다.

DRAM 위아래에는 검고 길쭉한 플레이트가 배치돼 있다.

트랜지스터나 배선이 존재하지 않는 이른바 더미실리콘이라 불리는 것이다. DRAM이 존재하는 영역은 패키지의 거의 중앙이다.

위아래는 실리콘이 존재하지 않기 때문에 높이가 다르게 되어 있다.

그 때문에 더미실리콘을 넣음으로써 단차를 없애고, 게다가 패키지의 보강도 가능하게 되어 있다.

오른쪽은 기판에서 패키지를 제거한 패키지의 뒷면이다. 뒷면에는 단자와 함께 곳곳에 검은색 작은 실리콘이 8개 실장되어 있다. 전원 특성을 개선하기 위한 실리콘 커패시터이다.

Apple에서는 「A11 Bionic」으로부터 채용하고 있으므로, A시리즈에서는 이미 6년이나 사용되고 있는, 숙련된 기술의 하나이다.

맥북 등에도 탑재된 M시리즈 프로세서에도 실리콘 커패시터는 다수 사용되고 있다.

CPU나 GPU 등의 고속, 대규모 연산기 바로 위에 커패시터가 배치됨으로써 임피던스나 저항이 적은 특성 개선 효과를 가져오고 있다.

실리콘 커패시터뿐 아니라 검게 보이는 곳에는 방열 대책용 젤이 발라져 있다.

노이즈, 발열이라는 반도체 동작에 영향을 미치는 문제를 처리하기 위해 패키지에서 많은 대책이 취해졌습니다.

그림 3은 A16 Bionic의 프로세서 실리콘을 꺼낸 모습이다.그림 2의 DRAM의 뒷면이 된다.

DRAM 바로 뒤에 프로세서가 존재하므로 거리로서는 거의 최단*)이다.

*) 최단은 DRAM과 프로세서를 회로면에서 마주보는 마이크로범프 방식이다. 이것은 2010 년경에 일본 제조업체 도시바와 소니에 의해 사용되었습니다.

그림 3: A16 Bionic의 프로세서를 꺼낸 모습. 출처: Techanalye Report

왼쪽은 프로세서 실리콘 바로 위에 실리콘 커패시터가 설치되어 있는 상태이다.

실리콘 커패시터를 제거하면 프로세서 실리콘만 있다.

가운데는, 기판(Glass EPOXY)으로부터 프로세서 실리콘을 떼어내 세정을 실시한 모습.

프로세서 실리콘에는 다층 배선이 이용되고 있어 내부 회로 등을 볼 수 없다.배선층을 박리한 것이 오른쪽이 된다.

당사에서는 지극히 선명한 사진을 촬영하고 있지만, 본고에서는 보카시(Bokashi, ぼかし)를 넣고 있다.

선명한 사진이면 SRAM 용량이나 크기, CPU 구조(L1 크기) 등을 손에 잡히듯 알 수 있게 돼 있다.

실리콘 내용물을 보면 A16 Bionic은 거의 빈틈이 없는 매우 합리적이고 치밀한 설계가 이뤄졌음을 잘 알 수 있다.

우리는 많은 제조업체의 프로세서를 해석하고 있지만, Apple의 설계력은, 역시 최고 수준입니다.

A15와 A16의 CPU 부분 비교

그림 4는 2021년의 「iPhone 13」시리즈부터 Apple 제품에 채용되고 있는 「A15 Bionic」의 CPU부와 2022년의 iPhone 14 Pro에 채용된 A16 Bionic의 CPU부분 비교이다.

A15Bionic은 5nm 프로세스 노드, A16 Bionic은 4nm 프로세스 노드(5nm 하프 노드).

5nm의 트랜지스터 성능의 향상판이다)과 차이가 있지만, CPU 구성은 거의 동일합니다.

그림 4: A15 Bionic과 A16 Bionic 의 CPU 부분 비교. 출처: Techanalye Report

고성능 CPU 2기, 고효율 CPU 4기, 총 6코어라는 점은 A15나 A16이나 마찬가지다.

다만 약간의 아키텍처 버전 차이와 고속 CPU의 L2 캐시 용량 업의 차이가 존재한다.

또 트랜지스터 성능의 향상도 맞물려 동작 주파수는 3230MHz에서 3460MHz로, 대략 7% 상승한 것이다.전체적으로 A16 Bionic은, A15 Bionic에 비해 성능이 높은 프로세서이다!라고 하는 것이다.

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패키지당 15개의 실리콘 존재

그림 5에 A16 Bionic의 내부 모습을 나타낸다.

왼쪽부터 A16 마크가 있는 패키지 탑, 그 아래에 4장의 DRAM 실리콘, 보강 평탄화를 위한 더미 실리콘, 오른쪽부터 패키지 뒷면(InFO), 특성을 개선하기 위한 실리콘 커패시터 및 A16 Bionic 프로세서 실리콘이 있습니다.

그림 5: A16 Bionic 패키지 내부. 출처: Techanalye Report

퀄컴의 「Snapdragon 8 Gen 1」이나 MediaTek의 「Dimensity 9000」등도, 특성과 최단거리를 실현할 수 있도록 많은 궁리를 하고 있지만, 1 패키지내에 모든 것을 내장하고 있는 Apple의 프로세서는 돌출되어 있다.

Qualcomm이나 MediaTek는 패키지 위에 패키지를 얹는 POP(Package On Package)라고 하는 기술을 이용하고 있으므로 프로세서 측의 패키지 내에는 1실리콘 밖에 존재하지 않는다.

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과거 6년간의 'A시리즈'를 비교하다

표 1은, 과거 6년간의 Apple A 시리즈를 정리한 것이다. A16 Bionic은, Apple의 발표에 의하면 160억 트랜지스터를 탑재한 것으로 되어 있다. 6년 전의 A11 Bionic에 비하면 대략 4배 미만의 규모다.

4년 전의 A13 Bionic에 비해서도 규모는 거의 2배다. 미세화로 인해 1실리콘에 탑재할 수 있는 회로 규모가 증가하고 있음이 분명 해졌습니다.

표 1: 지난 6년간의 애플 'A 시리즈' 프로세서를 요약. 출처: Techanalye Report

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동시에 미세화에 따라 트랜지스터의 스위칭 속도도 높아지고 있으므로 CPU 주파수도 6년 만에 대략 1GHz 고속화되고 있다.

실리콘 사이즈(보고에서는 생략)는 약간의 증감이 있지만 Apple의 프로세서는 과거 6년 항상 집적 밀도도 올리고 있다.

당사에서는 초대 「iPhone 2 G」부터 최신의 iPhone 14 Pro까지의 전 프로세서의 데이터(사진 포함)를 가지고 있다.

과거 15년의 반도체 진화사를 Apple 프로세서로 정리하고 있어 세미나등에서 보고하고 있다.

표2는 2022년 출시된 하이엔드 스마트폰에서 채택될 대표적인 모바일 프로세서 목록이다.

표 2: 2022 년에 출시 된 하이엔드 스마트 폰에 채택된 대표적인 모바일 프로세서. 출처: Techanalye Report

하이엔드 프로세서는 2022년 모두 4nm로 제조되고 있다.

Samsung Electronics(이하, Samsung)의 4 nm와 TSMC의 4 nm이다. 프로세서 메이커는 Qualcomm, MediaTek, Samsung, Apple의 4사. 가장 주파수가 높은 프로세서는 Apple의 A16 Bionic이다.

Qualcomm의 Snapdragon 8 Gen 1/8+ Gen1는, Samsung제와 TSMC제가 있으므로 매우 유효한 비교를 할 수 있게 되어 있다!(각각의 차이는, 꼭 문의해 주었으면 합니다).

2022년 후반에는 인텔의 '13세대 코어 시리즈', AMD의 '라이젠 7000 시리즈', 엔비디아의 'RTX 4090' 등 PC계 칩도 속속 출시되고 있다.이 근처에 대해서는 다음 번 이후에 보고할 예정입니다.

엔화 약세 등의 영향도 있으므로 구입 비용이 증가하고 있지만, 「관찰 없이는 고찰 없음」을 모토로, 손을 놓지 않고 분해, 해석을 계속해 나갈 것입니다.

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2022.10.25

清水洋治(テカナリエ),