蘋果公司在今年1月29日發表上一季度的財務報告，全公司的營業額YoY衰退5%，其中，來自於iPhone的營業額衰退15% [1][2]。蘋果公司沒有達到原來預期的營收方向（Revenue Guidance），讓市場對於半導體的未來產生許多負面的看法。
過去幾年，全球半導體的成長的動能確實來自於智慧型手機，然而為何是現在才看到蘋果公司的手機衰退，而不是3年以前呢？智慧手機能否因為半導體工藝的進步，刺激消費者的需求，讓產值變得更大呢？本文嘗試連結智慧型手機錄影的每秒顯示張數/影格率（Frame Per Second, FPS）與半導體製程工藝，說明2018年的7奈米工藝恰滿足4K60FPS的錄影需求，利用簡易的技術預測推估3奈米工藝可滿足8K60FPS的需求，發生的時間點約在2021-2022年。
對FPS的需求，推動過去手機SoC效能發展
AnandTech網站最近公佈了一份近幾年來智慧型手機SoC的效能評比[3]。評鑑手機SoC有許多技術指標，當然也會有綜合指標，我這裡使用的指標主要是播放畫面時常用的每秒顯示張數/影格率。
FPS是動畫、影片的基礎，人的眼睛如果看到的畫面在每秒10-12張以上時，就會產生視覺暫留的效果，而認為畫面是連續的。電影院的膠捲播放約在24FPS，對於多數人來說是可以接受的速度。然而到了CRT與LCD螢幕的時代，NTSC規範顯示器的更新頻率在60Hz（PAL規範為50Hz），規範FPS在30p（PAL規範為25p），在一個可以每秒更新60張圖片的顯示器上面，NTSC建議畫面每秒顯示張數為30張，約為螢幕更新頻率的50%。如果影格率低於30FPS時，人眼會感覺到畫面延遲、拖影、抖動，所以開始要求提高FPS。
按照前面顯示器更新頻率要在FPS的兩倍以上的概念，螢幕的更新頻率開始有了120Hz、240Hz等高級規格出現。提高FPS與顯示器更新頻率有助於欣賞賽車影片、以及增加3D遊戲的流暢度。
目前一般所謂的電玩級顯示器，約在144Hz以上，也就是可以讓FPS達到72p。市場上高階的LCD/AMOLED TV，多數具備動態影像流暢技術，提高顯示器更新頻率達240Hz，如果搭配120FPS的影格率，其效果是非常好的。
半導體技術的能力是有限制的，在畫面解析度（1080p/4K/8K）與FPS之間，必須有所取捨。目前主流的手機SoC可以錄影1080p（2K）與60FPS的訊號，少部分（A12 Bionic、Snapdragon S845）可以錄影4K60FPS的訊號。
長期來看，手機SoC的技術目標還是在8K60FPS或8K120FPS的錄影上，這會帶動網路頻寬的需求（錄影之後透過網路上傳至雲端），以及手機記憶體的需求（DRAM＋Flash），推動手機SoC的進步。我認為十年之內，應該是看得到，不會太久。
半導體製程、IC設計技術決定手機SoC效能
我嘗試把半導體工藝與手機FPS效能作一個連結，整理出（圖一）的資料。最新的iPhone Xs使用台積電7nm的FF製程，播放1920X1080p@25FPS的影片（GFXBench 3.1 Manhattan Demo）時，達到76～103FPS的效能，每瓦特功耗可以產生17～20FPS，領先全市場。華為與蘋果的策略相同，率先使用最新的半導體製程，同樣是7nm，可以看到華為的Kirin980效能不如A12，FPS與FPS/Watt都輸給A12。
但是，整體來說，7nm的SOo效能還是勝過10nm的SoC（S835、S845、Exynos 9810）。
我們可以看到，決定手機SoC效能的兩大關鍵因素是：（1） 半導體工藝（製程）；（2） IC設計技術。
半導體工藝對於SoC效能的影響大於IC設計技術。同樣的製程，蘋果公司的IC設計技術顯然優於華為，高通的IC設計技術也優於華為。蘋果公司與華為公司的龐大經濟規模量，讓他們勇於率先使用最先進的半導體製程，以取得效能上領先的地位。其他公司礙於經濟規模量的關係，就會落後1-2年才使用相同的製程。
蘋果公司在半導體工藝與IC設計上雙雙領先，所以是市場上的第一名；華為公司僅在半導體工藝上領先，所以是第二名，而高通公司僅在IC設計技術上領先，所以是第三名。高通公司的10/14nm SoC在三星半導體代工，單獨比較這兩家公司的SoC，可以看到同樣的製程之下，高通SoC的效能還是超越三星，所以三星的SoC應該算第四名。
圖一：近幾年智慧型手機之效能與半導體工藝
陳世芳半導體工藝與FPS是一個指數關係（圖二），7nm工藝下，FPS約在60-80之間，可以滿足多數3D遊戲與高品質影片的需求。由於NTSC/PAL規範的歷史因素，下一個市場需求應該是120-160FPS之間，從趨勢預測線看到，5nm的工藝尚無法滿足這樣的需求，要到3nm的時候，才有機會滿足這個需求。這就讓我特別期待使用3nm工藝SoC的手機了。
圖二：3nm工藝下之FPS效能預測
陳世芳
FPS效能已滿足多數消費者需求，難再推動手機SoC進步
我們更好奇在哪一年的時候，3nm工藝會實現？我們可以看到SoC量產年份與FPS約是線性關係，所以用一個直線外插法，大概可以預測到時間點落在2021-2022之間。
使用10-20nm半導體工藝製作的手機SoC，其FPS效能多數低於60FPS，未達到多數使用者的需求，所以，2018年以前的年份，消費者殷切期待手機SoC每年都有重大的進步，願意1-2年花錢購買新機。我本人就是這個現象之下最好的實證。
2018年之後，FPS的需求，不容易推動手機SoC進步了。少數的專業玩家才會需要72-120FPS的效能，因此我們可以推測，未來手機使用年限會比現在增加許多，特別是7nm工藝SoC的手機，已經滿足多數使用者的需求，平均使用年限會增長許多。
先進半導體製程，現在是Intel、三星半導體、台積電三分天下的局面。如果以摩爾定律的標準單位Million Transistors(MT)/mm2來做一個客觀的評比，Intel的10nm工藝約等同台積電與三星半導體的6nm工藝。Intel的10nm工藝，電晶體密度為100.8 MT/mm2，台積電代工的Kirin 980則達到93.08 MT/mm2，略遜於Intel。預估台積電的5nm製程，電晶體密度才會超越Intel的10nm。坊間常用多少nm來評量半導體工藝的優劣，這是不專業的用法，專業人士用MT/mm2來做比較單位，這一點希望讀者特別注意。
圖三：智慧手機的FPS效能預測
陳世芳
反過來思考，2019-2021這幾年的手機，FPS的進步很難讓消費者有明顯的感受，手機SoC開發商需要找新的技術指標來刺激使用者的需求。目前，我們看到AI運算、8K解析度是重點項目。 手機SoC的下一個戰場是8K60FPS，2019-2021這幾年，手機螢幕會從1080p升級到4K，4K錄影的FPS也會逐步提升，FPS/Watt依然會持續增加。到了3nm的時代，也許就從4K120FPS變成8K60FPS，然後開始8K顯示與串流（Video Streaming）的新時代。
人眼的解析度是6000X3000，所以8K的螢幕已經超越人的肉眼，顯示器的解析度再往上增加的意義不大。到了8K60FPS的時代，影音串流大概就很難推動人類對於頻寬的需求，取而代之的是大量物聯網裝置的通訊需求。
文章來源https://www.bnext.com.tw/article/52361/3-nm-semiconductor-smartphone
