2017年是iPhone誕生以來的第十個年頭,理所當然地受到媒體的廣泛關注。蘋果(Apple)還為此改變了沿用多年的命名規律,推出iPhone X;而TechInsights的拆解團隊則為此里程碑採取另一種分析途徑,著眼於這款手機所帶來的硬體演進與創新。

特別是隨著iPhone 8/8 Plus的發表,回顧這支手機從2007年以來的演進以及Apple為其進行的硬體選擇,將有助於瞭解Apple的產品開發策略與未來方向。

第一代iPhone:最初的創新

在第一支iPhone的發佈會上,Apple前執行長賈伯斯(Steve Jobs)將其形容為「具有觸控功能的寬螢幕iPod,一款具有革命性和突破性網際網路通訊功能的手機裝置」。他確實將手機螢幕做大了——3.5吋(當然不是目前所認為的大尺寸),並透過螢幕背後的軟體定義這支手機,使其實現多點觸控功能,讓使用者透過觸控或翻轉手機選擇音樂清單和照片、放大和縮小螢幕,以及讓螢幕連接至各種功能,當然也提供了文字鍵盤。螢幕本身支援相當高的解析度(以當時的標準而言),包括160ppi與200萬畫素相機。

20171115_iPhone_NT31P1 第一代iPhone的電子元件分別位於兩塊電路板

蘋果還將其Safari瀏覽器移植到手機上,並加強了電子郵件功能,提供比任何競爭產品更加豐富的介面,各種功能的組合使得iPhone成為當時最獨特的手機。

當時最令人印象深刻的是微機電系統(MEMS)加速度計,它能讓螢幕翻轉以橫向格式查看圖片和視訊。那時還沒有人這麼做,也很少有手機結合MEMS功能,就算有也只是用於一些與螢幕無關的應用程式。而當Apple一推出MEMS應用,不久就有應用開發社群加以擴展了。

此外,它還支援環境光和近接感測器,可用於調整螢幕亮度,並在通話時關閉觸控螢幕功能,以避免誤觸而啟動其他功能。

Chipworks在2007年7月拆解了第一代iPhone,其電子元件分別位於兩塊電路板——iPod與無線。看看無線部份的電路板,還可以瞭解當時的業界供應商動態。

20171115_iPhone_NT31P2 透過拆解與分析,可一窥當時的元件供應商動態...

自從英飛凌(Infineon)將其無線部門賣給英特爾(Intel)、CSR被高通(Qualcomm)吸收,Skyworks至今仍然是射頻(RF)前端的主要廠商。遺憾的是,我們一直無法確定Apple採用誰家的EDGE多晶片封裝(MCP)。值得注意的是內部的Peregrine開關採用了藍寶石矽晶(silicon-on-sapphire)技術,雖然不是率先採用但極其罕見。Peregrine如今隸屬於村田(Murata),所開發的UltraCMOS製程已成為RF-SOI(甚至是300mm晶圓)的最大用戶之一。

另一塊電路板包括應用處理器+DRAM、快閃記憶體、音訊編解碼器、電源管理晶片和MEMS。還有凌力爾特科技(Linear Tech)的USB電源管理和美國國家半導體(NS)的行動畫素連接(MPL)介面晶片。相機則是由美光(Micron)製造的。

同樣地,我們在此見證了業界的發展變化;Wolfson如今屬於Cirrus、德州儀器(TI)收購了NS,美光的相機業務賣給Aptina成為現在的安森美(ON Semi),而恩智浦(NXP)即將被高通收購(如果監管機構核准的話)。

事實上,iPhone的市場優勢或其出色性能並不是建立在其中某一款獨特的先進晶片上,而是整合了創新的觸控螢幕、多種應用以及流暢的設計。

從封裝來看,iPhone遵循手機的發展趨勢,完整地套用當時流行的密集封裝:兩個MCP (Peregrine開關和英特爾的記憶體)、三星(Samsung) NAND快閃記憶體的雙層堆疊,以及三星應用處理器+SDRAM的PoP封裝。Marvell和CSR的晶片則採用覆晶(flip-chip)封裝。

20171115_iPhone_NT31P3 早期iPhone的第二塊主板元件(a),以及應用處理器晶片與晶片標記(b)

轉捩點:iPhone 4

從過去十年間所拆解的iPhone來看,iPhone 4可說是一個發展的轉捩點,因為Apple開始將手機主板從單面PCB改成更緊湊且高密度的雙面PCB。

20171115_iPhone_NT31P4 iPhone 4的主板(a)、晶片與晶片標記(b)

更重要的是Apple自此時開始使用A系列應用處理器,雖然在iPad中率先使用,但iPhone 4所用的剛好稱為A4。

從第一代iPhone到iPhone 3GS都採用三星的處理器,iPhone 4開始才使用自家設計的A系列處理器,而後在很長的一段時間內,A系列處理器一直都由三星代工,直到A8才加入台積電(TSMC)代工。

20171115_iPhone_NT31P8 iPhone應用處理器的十年進展,反映晶片製程技術從90nm到10nm (A10)的變化

iPhone 4同時也是最先使用羅盤晶片、陀螺儀與三軸加速度計的iPhone;相機升級至具有視訊功能的5M畫素單元(當時還沒有自拍鏡頭,5S以後才有)。無線方面則升級至涵蓋3G CDMA和2G GSM標準,但仍然採用3.5吋螢幕。

後置相機影像感測器的一些變化也值得回顧。第一代iPhone誕生時採用的是Micron Imaging的CMOS影像感測器(CIS),當時該公司的CIS市佔率排名第二,而Sony還只能排名第五。Apple於2009年選擇OmniVision的背照式OmniBSI平台,取代了Micron,直到2011年後才開始改用Sony的客製化解決方案,如今它在CIS市佔率方面已處於領先地位。

20171115_iPhone_NT31P9 從iPhone 4S後開始採用Sony的影像感測器

iPhone 7和7 Plus

相較於原始的iPhone設計,iPhone 7系列幾乎已沒什麼辨識度了。7系列機型支援4G LTE,可作業於40餘種無線頻段,並配備載波聚合(CA)功能,以提升其訊號靈敏度。螢幕採用3D Touch壓敏多點觸控技術,分別為iPhone 7與7 Plus提供326-ppi的4.7吋螢幕,以及401-ppi的5.5吋螢幕。

iPhone 7系列提供7M畫素的前置自拍相機——iPhone 7的主相機支援12M畫素單元,7 Plus則配備雙鏡頭相機,分別是f/1.8孔徑的12M廣角和f/2.8孔徑的遠攝相機,以及2倍光學變焦與10倍數位變焦。自拍相機部份採用ST的飛行時間(ToF)感測器,作為近接(或可能的自動對焦)偵測器。

Apple在iPhone 5S時導入指紋感測器,到7系列已進展至第二代。除了動作和方向感測器,還加進了氣壓、溫度和濕度感測器,以及心率監測器等功能。

iPhone目前擁有33億個電晶體、64位元的四核心A10處理器,採用台積電的16nm技術、6核心GPU和2GB DRAM (Plus手機從前一代6S Plus的128MB升級至3GB)。由於快閃記憶體(flash)的進步,以及對於越來越多資料的需求,記憶體最高容量在十年間從8GB提升至256GB。

20171115_iPhone_NT31P6 A10晶片圖及其晶片標記

隨著無線功能擴展,主板的RF端越來越複雜。北美版本的iPhone手機中,英特爾利用收購自英飛凌的技術獲得了一些設計訂單(其他地區的版本則採用高通晶片)。此外,我們還看到也了Skyworks、Broadcom/Avago、TDK和Qorvo的晶片。

20171115_iPhone_NT31P5 iPhone 7手機電路板的拆解顯示採用了更多的元件

以半導體邏輯元件的整合觀點來看,較新的手機通常會採用更少的元件。然而,由於新一代的手機應用範圍十分廣泛,主板實際上採用了更多的晶片。

目前iPhone的每個元件幾乎都十分先進或採用客製化設計,包括從RF前端到電源管理晶片、相機、記憶體,以及採用最新FinFET製程打造的A10處理器等。A10處理器率先採用台積電的InFO技術,板上的其他許多晶片則採用晶片級覆晶封裝。

iPhone的製造成本比較

在十年之間,8GB容量的第一代iPhone售價599美元,進展到32GB iPhone 7時起價為649美元,透過比較就能看出製造成本如何隨時間而變化。

2007年,TechInsights估計第一代iPhone的製造成本為221.45美元。針對iPhone 7的製造成本最佳估計為253.82美元,較原始版本貴了32.37美元。儘管這款手機在性能和功能方面取得重大進展,但Apple也成功地控制了成本。

原始的iPhone配備了Apple設計、由三星生產的應用處理器,以及英飛凌的GSM/EDGE基頻處理器,這一組合估計約為22.58美元。而iPhone 7配備由台積電製造的Apple A10應用處理器和高通MDM9645 LTE基頻處理器;這種更強大的元件組合最多增加了58.45美元,即原始成本的2.6倍。然而,在此情況下,手機用戶也獲得了2.34 GHz的四核心處理器以及LTE Advanced的數據機。

20171115_iPhone_NT31P7 原始8GB iPhone和32GB iPhone 7的成本比較

成本差異較顯著的領域還有連接能力和感測器。這部份的元件成本讓原始iPhone增加了8.21美元,iPhone 7則增加13.61美元或多了1.6倍。兩款手機都配備了Wi-Fi、藍牙和加速度計。iPhone 7中還增加了安全的NFC、陀螺儀、羅盤、氣壓感測器、Touch ID和環境光感應元件。

從第一代iPhone到iPhone 7系列,相機類的成本從7.10美元上漲到23.31美元,漲幅為3.3倍。雖然原始iPhone採用2M畫素相機,但iPhone 7支援7M畫素前置相機、12M畫素的後置相機和LED閃光燈。

不斷地增加了這麼多元件,Apple如何節省成本?其方式之一來自於顯示器/觸控模組。十年前,原始版3.5吋TFT顯示器的成本約60.68美元,而iPhone 7採用的4.7吋TFT (延續自iPhone 6/6S)市場成本目前約32.48美元。十年是一段漫長的時間,足以帶動這些元件的成本下降。以目前的市場成本來看,3.5吋的顯示器/觸控模組價格大約在10-15美元之間。

另一個可節省成本的領域是記憶體。十年前,Apple為其iPhone配備8GB (當時的高階) MLC NAND和128MB DDR SDRAM。8GB NAND在60美元成本中佔據了很大一部份(當時大多數裝置搭配的是2GB NAND)。到了iPhone 7已配備高達32GB MLC NAND和2GB LPDDR4 SDRAM了。該類別的元件成本在這款機型中增加了1倍,而DDR4甚至佔這一類別21.49美元的三分之二。

我們還看到混合訊號/RF類的成本呈現爆發式成長。該類別主要由構成RF部份(收發器、功率放大器、濾波器、RF開關等)的元件所組成。原始iPhone僅採用GSM/EDGE的成本為4.70美元。iPhone 7由於增加許多HSPA和LTE頻段,導致成本躍升至24.53美元。據此而言,更多的功能和複雜度意味著更高成本。

同樣地,電源管理/音訊類在iPhone 7時變得越來越複雜,使其成本從6.95美元增加到10.56美元。

其他電子元件也有類似的增加態勢。原始iPhone時約15.89美元的成本,到了iPhone 7時提高到23.47美元。事實上,從成本角度來看,手機的差異可歸結於更多的元件和功能。

兩支手機之間的機械成本則大致相當,原始iPhone的成本為17.24美元,iPhone 7的成本為18.76美元。從這部份來看,其差異就在於製造過程。

測試/組裝/輔助材料類的成本則從13.04美元增加到21.33美元,這主要來自於更高的勞動力成本、組裝時間以及增加了更多元件。

結語

過去十年來,Apple將其iPhone產品線業務經營得有聲有色。從首款iPhone到iPhone 7,Apple隨時間演進逐步更新以控制其製造成本,而不是跳躍式進展。該公司節制地使用特定技術(如AMOLED顯示器及其較TFT的成本溢價),以免壓縮其利潤或導致售價增加到超過原有位置。Apple還有效維持了市面上的售價,僅在iPhone 7略微增加。

隨著iPhone 8與iPhone X的發表,整體來看,iPhone 8並沒有太多的功能升級,它仍然是Apple遞增手機功能計劃中的一步,有時在軟體上的更新進展比硬體更顯著。預計要到售價999美元的iPhone X才會有更大的進展,但這至少要到11月以後上市才能知曉了。

未來,Apple將會繼續在其先進設計上遞增功能,還是擁抱更多未知的新技術?無論如何,iPhone的演進路徑讓我們期待看到另一個10年的更多進展。