剖开苹果A16芯片，内部细节曝光

平头叔 2022年10月27日浏览：1633

来源：本文由半导体行业观察

近日，日本媒体拆解eetimejp拆解分析了2022年9月16日发布的苹果最新智能手机“iPhone 14 Pro”的处理器“A16 Bionic”，以下为文章内容。

图1为iPhone 14 Pro的包装盒，拆下主机显示屏的状态，以及主板的处理器侧（两层结构）。NAND 存储内存和 Wi-Fi/蓝牙芯片安装在处理器板的另一侧。处理器侧主要布置了A16 Bionic和成对优化功率的电源IC。

图1：“iPhone 14 Pro”包装盒和显示屏移除

A16 Bionic有Apple标志，但电源IC也有Apple标志。除了数字处理器，Apple 还设计和开发由模拟电路组成的电源 IC，并将其用作芯片组。

为许多智能手机（高通、联发科、三星电子、紫光展锐等）提供平台的半导体制造商也在将处理器和电源 IC 作为一组进行优化。Apple 的 A16 Bionic 具有与专业半导体制造商相同的结构，因为它结合了数字和模拟，以提高电源性能和算术性能。

这次也用到的小容量DRAM和硅电容。

图 2显示了从主板上拆下的 A16 Bionic。中间有A16标记的封装MOLD已被移除，因此可以看到DRAM。两组 DRAM 排列在字母 A16 的下方。每一层都是双层的，字母下面总共嵌入了四层DRAM硅。

图 2：A16 bionic的封装

DRAM 为 LPDDR5 ，每颗的容量为1.5GB，因此总量为 6GB。目前，许多安卓智能手机都配备了 8 到 12 GB 的 LPDDR5，但苹果的容量很小，只有 6 GB。不过苹果已经设计了各种设备，这样他们有足够的能力然该设备在容量很小的情况下也可以在没有压力的情况下运行。

DRAM 上方和下方是黑色细长板。它是所谓的没有晶体管或布线的虚拟硅。DRAM存在的区域几乎是封装的中心。由于顶部和底部没有硅，因此高度不同。因此，通过插入虚拟硅，可以消除台阶并增强封装。

右侧是从基板上取下封装后的封装背面。除了端子，背面的一些地方还嵌入了八个黑色的小硅片。是改善电源特性的硅电容器。由于苹果从“A11 Bionic”中采用了它，因此它是已经在A系列中使用了六年的成熟技术之一。“M系列”处理器中也使用了许多硅电容器，“MacBook”中也安装了这些硅电容器。

通过在 CPU 和 GPU 等高速、大型运算单元的正上方放置电容器，具有改善阻抗和电阻的特性的效果。除了硅电容器外，还涂有凝胶以防止在看起来黑色的区域散热。已经针对封装采取了许多对策，以应对影响半导体运行的噪声和热量等问题。

图 3显示了取出的 A16 仿生处理器芯片。这是图 2 中 DRAM 的背面。由于处理器直接存在于 DRAM 后面，因此距离几乎是最短的。（最短的方法是微凸块方法，其中 DRAM 和处理器在电路侧相互面对。这在 2010 年左右被日本制造商东芝和索尼使用。）

图3：剖开的A16 Bionic处理器

左侧显示了硅电容器直接安装在处理器硅上方的状态。移除硅电容器只留下处理器硅。在中间，处理器硅从基板（玻璃环氧树脂）上取下并清洗。处理器芯片采用多层布线，看不到内部电路。去掉了布线层的那个在右边。我们拍摄的照片非常清晰，但在本文中，我们对它们进行了模糊处理。如果是一张清晰的图，SRAM的容量和大小，CPU的结构（L1的大小）等就很容易理解了。

从硅的含量来看，很明显A16 Bionic的设计非常合理和精确，几乎没有缝隙。我们分析过很多厂商的处理器，但可以说苹果的设计能力还是一流的。

图 4对比了 2021 年“iPhone 13”系列苹果产品中使用的“A15 Bionic”的 CPU 部分和 2022 年 iPhone 14 Pro 中使用的 A16 Bionic 的 CPU 部分。A15 Bionic 使用了台积电的5nm 工艺节点，A16 Bionic 有 4nm 工艺节点（5nm 半节点，是 5nm 晶体管性能的改进版），但 CPU 配置几乎相同。

图 4：比较 A15 Bionic 和 A16 Bionic 的 CPU 部分

A15 和 A16 相同之处在于它们有 2 个高性能 CPU 和 4 个高效 CPU，共 6 个内核。但架构版本略有不同，CPU的二级缓存容量增加也有差异。结合晶体管性能的提升，工作频率从3230MHz提升至3460MHz，提升了约7%。总的来说，A16 Bionic 是一款性能比 A15 Bionic 更高的处理器！

图 5显示A16 Bionic 的内部。从左侧看，带有 A16 标记的封装顶部，其下有 4 块 DRAM 硅，用于加固和扁平化的虚拟硅，从右侧看封装的背面 (InFO)，用于改善特性的硅电容器。

图 5：A16 Bionic 封装内部

三维硅分层也实现了封装内的最小化和改进的特性。封装中有 15 个silicon。高通的“骁龙 8 Gen 1”和联发科的“天玑 9000”也为实现特性和最短距离做出了很多努力，但苹果的处理器，将所有东西嵌入到一个封装中，脱颖而出，已经成为一个东西。高通和联发科使用了一种名为 POP（Package On Package）的技术，将封装放在封装之上，因此处理器端的封装中只有一个硅片。

表 1总结了过去六年的 Apple A 系列。根据苹果公司的公告，A16 Bionic 拥有 160 亿个晶体管。它比六年前的 A11 Bionic 大约少四倍。它几乎是四年前 A13 Bionic 的两倍。很明显，可以安装在一个硅上的电路规模由于小型化而增加。