TSMCがiPhone 7のA10チップでAppleの独占権を取り戻した経緯

2016年8月10日水曜日午後2時05分（太平洋夏時間）クリス・ジェンキンス

tsmc_logo_new 昨年、MacRumors は、Apple A9 のバージョンを Samsung と TSMC の両社に生産させた後、Apple が A10 で Apple A シリーズチップ生産の単一パートナーに戻るという噂の潜在的な理由について報じました。

その後、TSMCは電話会議でのコメントで、チップパッケージの変更により、速度とパッケージ厚がそれぞれ20%、熱性能が10%向上したことを確認しました。これは、Appleの将来のデバイス性能とファウンドリパートナー選定に多くの影響を与えるでしょう。

まず、InFO-WLP（Integrated Fan-Out Wafer-Level Packing）がAppleのモバイルプロセッサにとってなぜこれほど重要な開発なのかを理解することが重要です。CPUやモバイルSoCのような大型チップは、通常、「フリップチップ」方式で実装されます。これは、入出力のアレイをはんだバンプを介してパッケージ基板に実装し、最終的にプリント回路基板（PCB）に実装してデバイスを統合するものです。

そもそもこれは妥協案です。高さを最小限に抑え、部品間の配線長を短縮するには、シリコンダイをPCBに直接取り付けることが望ましいからです。しかし、配線ピッチ、基板の生産性、基板の反りによる損傷など、多くの技術的な制約により、この直接取り付けは通常不可能です。

上記の問題は、I/O数の少ないコンポーネントでは、ファンイン・ウェーハレベル・パッキングと呼ばれる同様のコンセプトによって以前から回避されていました。このコンセプトでは、小型のダイの入力と出力をダイとほぼ同じ面積で配線できます。TSMCは、このコンセプトをI/O数の多いデバイスに導入し、大量生産、許容可能な歩留まり、そして許容可能なコストを実現し始めた多くの企業の一つです。

tsmc_info_wlp_スライド

2014年のTSMCによるInFO-WLPの進歩に関するプレゼンテーションのスライド

この方法では、1つまたは複数のロジックダイが組み込まれたシリコンウェーハが基板として機能するため、従来の基板は不要になります。この方法により基板の高さが低減され、ダイのピンをPCBに再配置するための再配線層（RDL）が薄くなったため、すべての配線が短くなり、消費電力の低減と熱性能の向上に直接つながります。このデバイスの出力を駆動するトランジスタは、駆動する金属配線長が短くなり、消費電力を削減できます。消費電力の削減は熱性能の向上にもつながりますが、PCBへの接続がより直接的になることで、PCBへの熱抵抗が低減し、デバイスから熱を奪う可能性が減ります。

約束されている性能向上は確かに顕著です。20%の性能向上は、ファウンドリノード間の性能向上（例えば、14nmから10nmへの移行）とほぼ同等です。TSMCとSamsungはどちらも、16nmと14nmのFinFETプロセスの改良版しか提供していないため、全体的な性能向上はA8チップからA9チップへの進化と同等になる可能性がありますが、その要因は新プロセスではなくパッケージングの改良です。

もちろん、すべての世代で同様の改善が享受できるわけではありませんが、モバイルデバイスが短時間であればより高いピーク電力制限に達するためには、電力効率の向上が不可欠です。iPhone 6ファミリーの基調講演で、AppleはA8プロセッサがA7のように自己調整しないようにするために、いかに多大な努力を払ったかを詳しく説明しました。これは、モバイルSoCメーカーが最高性能のチップを提供するために競争する中で、業界全体の問題でしたし、今もなお続いています。TSMCの新しいパッケージを活用することで、Appleはこの指標における負担を軽減し、短時間であればより高い消費電力モードに移行できるようになります。

a10ロジックボード側

A10チップを搭載できるスペースを備えたiPhone 7のロジックボード

この技術の長期的な利点は、主にインターフェースの拡張によって、ロジックダイへのメインメモリインターフェースを大幅に高速化できることです。現在のモバイルSoCパッケージでは、メモリダイとメインプロセッサを極細の配線で接続するPoP（パッケージオンパッケージ）技術が採用されていますが、これは熱効率が悪く、パフォーマンスの観点から理想的ではありません。ウエハレベルパッケージングを使用することで、メインメモリにおけるこれらの欠点を軽減できると同時に、接続数と一定時間内に転送できるデータ量を増やすことができます。

長期的には、パッケージ基板が不要となるため、Appleにとってこの動きはコスト削減につながる可能性が高い。しかし、デバイスダイとデバイスパッケージの共同設計という点から、複数のパートナーを起用することが技術的に不可能な理由が説明できる。TSMCのような企業も長年にわたりこの実現に取り組んでおり、そのメリットは以前から認識されていた。

現時点では、Appleのチップ設計における技術力と機動力は疑いようがありません。同社は、ワット当たりの性能においてIntelに匹敵する完全カスタム設計のチップを、極めて積極的なスケジュールで複数開発し、市場に投入してきました。Appleは競合他社よりも1年以上早く64ビットARM設計を市場に投入し、競合他社が1つのA9チップを設計するのに対し、Appleは2つのカスタムA9チップを設計しました。

Appleがシリコンの性能向上に注力していること、そしてTSMCのパッケージング技術の進歩を考えると、少なくともこの世代においてTSMCがAppleのチップ受注を独占できたのは当然のことです。将来を見据えると、InFO-WLPパッケージング技術は、TSMCとAppleだけでなく、半導体業界全体にとって重要な進歩となるでしょう。

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