iPhone 7 為什麼集成一顆 FPGA 晶元？

01-05

最近的拆解報告(Apple iPhone 7 Teardown)顯示 iPhone 7使用了一顆Lattice Semiconductor 的FPGA晶元(ICE5LP4K)。這顆FPGA晶元主要實現的功能可能是什麼呢？

與Lattice曾負責過此款系列晶元的前員工聊了聊，了解了下使用情況，更新一下：

1. 此款晶元價格非常便宜，只有幾美分，不是之前說的幾十美分，可以說相當便宜；功耗也相當低，具體多少要看設計，沒有具體數據。

2. 之前在Samsung手機上用過，這個很多人提過。有一項作用就是針對不同的市場區域定製不同的功能，而PCB板保持同一個版本即可。比如在中國的版本無外露天線、而在韓國的有，在美國地區採用高通CPU，在韓國地區用自家CPU，通過這款FPGA的配置實現功能的差異化，而PCB板單一化不僅減少研發、生產、維護成本，也使產品穩定性大大增強。

3. 主要可當sensor Hub使用，很多感測器如計步器、運動感測器、光線感測器等，只需要FPGA去喚醒與管理它們，比CPU直接管理它們要更省功耗；另外此晶元可直接驅動大電流LED，無需額外buffer，如拍攝LED、背光LED等。

4. 很多客戶直接拿它當ASIC使用，客戶對Lattice提需求實現怎樣的功能，Lattice AE實現後發送給客戶，客戶直接使用即可，無需額外再養一個FPGA team。裡面的編程邏輯也相當簡單，很多介面電路已經固化，直接使用內部wishbone匯流排讀寫寄存器即可配置成相應的功能。

以前的回答還放在下面：

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大家的疑問是：FPGA價格又貴，功耗又大，為什麼要在出貨量極大的產品上使用而不用ASIC呢？另外是，用它可以做什麼？是臨時方案嗎？

先把這款晶元的規格參數貼上來

該系列晶元的datasheet有興趣從這裡下載：http://www.latticesemi.com/~/media/LatticeSemi/Documents/DataSheets/iCE/iCE40UltraFamilyDataSheet.pdf

iCE40 Ultra family is an ultra-low power FPGA and sensor manager designed for ultra-low power mobile applications, such as smartphones, tablets and hand-held devices. The iCE40 Ultra family includes integrated SPI and I2C blocks to interface with virtually all mobile sensors and application processors. The iCE40 Ultra family also features

two on-chip oscillators, 10 kHz and 48 MHz. The LFOSC (10 kHz) is ideal for low power function in always-on applications, while HFOSC (48 MHz) can be used for awaken activities.

這是款面向移動應用的超低功耗和感測器管理的FPGA，比如行動電話、平板電腦和其它手持設備。集成了兩個SPI和兩個I2C介面，同時自帶兩個片上晶振，用於一直工作的應用，如喚醒活動。

從diagram上來看，這款FPGA提供了SPI和I2C介面，可作為master控制其它感測器及slave被CPU控制；RGB drv可用於控制三色屏幕背光LED，IR drv可用於控制紅外線LED；NVCM是片上非易失性存儲器，可代替部分flash功能；額外的普通可編程PIN腳；內含DSP資源可用於數據處理，以及一些RAM和CLB資源，可用於實現邏輯功能。

再結合iPhone7的使用場景，這款FPGA的用途太多了：

低頻晶振可用於外部環境的檢測，一直都在後台運行，比如按了下電容Home鍵喚醒響應、屏幕變暗了點一下變亮、手機跌落保護、進水檢測告警等。

對多個感測器進行預處理然後再送到CPU，比如FPGA對感測器A、B、C持續采一段時間的數據，三段數據在內部處理好後放在片內RAM里，CPU 10ms來取一次（使用到SPI、I2C、DSP、RAM、CLB等）；而換在以前每個感測器數據必須先被CPU讀取由CPU處理。

代替CPU控制震動馬達，檢測到相關行為就直接驅動馬達，無需CPU再給命令，可讓響應更加及時，同時可支持多種震動模式與強度。

直接驅動背光LED和紅外LED，可減少額外buffer使用，同時內部根據感測器數據和應用場景的不同做不同的處理，比如橫屏、在使用中環境光線突然變強需要把屏幕亮度調高，CPU就不用反覆髮指令控制了。

普通IO PIN腳還可以做一些glue logic使用，如lightning介面信號檢測，DSP、CLB與RAM的作用不用多說。

因為iPhone7繼續使用USB2.0和Lightning介面，無法直接連接到電腦USB typeC介面，就算連接到typeC轉USB3.0/2.0上的Hub上，走的仍然是2.0的通道，所以與USB typeC介面沒關係。

此FPGA本身設計就是面向低能耗應用，且面積比較小，功耗不大，而因它存在而CPU減少訪問外部器件的頻率帶來的能耗降低遠遠大於了本身的消耗，所以整體能耗是降低了的。

另外此晶元的市面成本價約為1.2$，Apple大批量採購的話可降得更低，比如50美分以下，對於iPhone的整體成本（有數據說約282$）而言顯得很小。

至於為什麼不用ASIC？並沒少用ASIC啊，一堆WIFI、藍牙、感測器都是ASIC，使用FPGA的作用並不是在功能上替代ASIC，而是給CPU分工作量，它做的事情本來是CPU做的，CPU和FPGA都是可編程的，可以把FPGA看成是CPU的延伸，而不是ASIC的替代品。

當然在該設計相對固定化將之ASIC化也是種方式，就要再評估了，看收益、風險、時間、投入等多種因素，會不會做我們不是Apple，不好說；但對於iPhone7來說，應該不會臨時再換方案了。

不同意加FPGA是為了修bug的說法，理由：

1. fix bug默認都是ECO解決（晶元內部有大量冗餘邏輯門用來修bug，叫eco），如果連ECO都沒法解決的問題，像蘋果這種不差錢的公司直接再tapeout一次，等到下一個minor版本再解決就好了（實際上後面幾次tapeout在第一次tapeout之前就已經schedule了）。這樣的minor版本在一款大型SoC開發過程中會有很多（比如V1.1，V1.2）間隔是很快的，一個月一版都很正常。比加一個FPGA要省力省時間(訂購這麼多FPGA要提前很長時間啊)，風險也小，成本更是低太多。一顆SoC從tapeout到上市最少最少要10個月以上時間，經曆數次版本更迭（不要低估一顆SoC bringup的複雜度），不差這一個月。

2. 蘋果在供應鏈上策略比較保守，畢竟量太大了。所以經常會看到蘋果里的晶元都不一定是各個公司最新的晶元（比如高通的modem從來都用前代的）。也就是說這些晶元出問題的風險是較小的。那麼出問題的如果是晶元之間的bridge，不會輪到需要FPGA來修。

3. 如果是A10晶元自己出問題，更不可能用FPGA來修。僅從時鐘頻率來說，FPGA就不可能跑的快，和高度優化過timing的ASIC比時鐘頻率差距非常大，如果用FPGA來修復這部分功能還要跨時域，A10的這部分功能會嚴重降頻，這對性能影響很大。如果數據/控制信號出來接一個慢得多的FPGA，加上這轉接過程中的驚人的latency，是任何一個工程師無法忍受的，要知道我們都是為了每一個時鐘周期在奮鬥啊。

再說說我的想法：

從這個FPGA的規模來看確實很小，感覺規模和一個很小的resource manager，或者是很小的AOP（always on processor）相當（這兩者在業界SoC里用的非常多，比如AOP用作識別語音喚醒cpu），功能有可能也是類似的（畢竟就這麼少的邏輯）。結合FPGA對感測器的支持很好這點，個人猜測可能功能是類似sensor fusion的東西，收集各個感測器的數據（比如audio）預處理一下再決定是否傳達給cpu以達到節能的目的，這樣cpu避免每時每刻收集到一點感測器數據就高速運行了，相當於一個gate keeper。

總之無論是什麼功能，有可能是這樣的晶元市場上還沒有廠商提供成熟的解決方案，甚至對應的協議可能都不成熟/沒有統一，或者只是剛剛量產出來，所以先用FPGA快速做了一個這樣功能的晶元，否則趕不上上市。畢竟12個月一個周期真的壓力挺大的。

PS：開了下腦洞，如果真是因為bug加了個這麼高成本的東西（就算只是兩個月的臨時方案，也是價值至少幾千萬刀了），一千萬刀可以養一個很大的team了，起碼50個人吧。想像一下出這個問題的team的命運。。。在灣區的飯後應該會有很多談資了。。。

利益相關，在A10的最大競爭對手處搬磚（還是蠻希望A10出大bug的，雖然不可能了，蘋果人手充足，兵強馬壯，實力真的太強了）

不同意「chadwick bi」的說法，我更傾向於「楓北居士」的看法，這顆FPGA應該是用來實現一些業內暫時還沒有成熟解決方案的feature。至於為什麼用FPGA而不是開發一顆專用晶元，我覺得有可能是這個feature還需要更多的實際應用後才能決定細節設計，所以用FPGA便於開發過程中修改而不是採用Asic。

為什麼我覺得這顆FPGA不是為了修bug而存在呢？就我的認知而言，如果要在主板上增加一塊FPGA（注意是增加，原先設計沒有這塊FPGA），所需要的時間（重新設計schematic，重新layout，擠出空間給這塊FPGA，有可能所有的兼容性測試都要重做，EMC也沒準會受影響）不見得比tapout一版新silicon少。如果是台式機主板空間大後期加一塊片子問題還不大，iphone這麼小的主板，placement基本上很早就定型了，後期大改動（加一塊片子屬於超級大改動，不是重新lay幾根線這麼簡單）的可能性非常小，牽涉到的東西太多了，甚至塞得下塞不下都是問題。尤其iphone出貨量這麼大，主板設計稍有不慎，量產起來就會給你顏色看。我在我以前這個問題（最難調試修復的 bug 是怎樣的？ - 知乎用戶的回答）回答里提到過，有的保守客戶甚至在研發中後期連0歐姆電阻都不敢拿掉，怕的就是一個小改動會帶來百萬級量產時候的無法預知的問題。

真正原因，應該只有蘋果內部的人才知道了，我也只是做出一點猜想。

過段應該會有人發反向報告，看看這個fpga上都連了些什麼東西。

但這個fpga太小，真要代表什麼趨勢也不盡然。

對於國內幾家小的fpga公司來說，也許是個福音。

http://www.latticesemi.com/iCE40Ultra

從Lattice官網可以看到，這顆FPGA只有3000個LUT，10KB-RAM，管腳更是少得可憐。大家都知道FPGA不應該用於量產品，尤其是iphone這種每月上千萬的爆款，那麼蘋果在幹什麼？

這類事我恰恰以前常干，而且用的恰恰就是Lattice，因為他家FPGA最小最便宜。這裡有兩種可能：

1，量產前發現的一處小bug，修改晶元會影響上市時間，所以緊急在PCB上加一塊FPGA。如果bug太大，那FPGA也修不回來。估計2個月後晶元的修復版就到位了，屆時可能就看不到這顆FPGA了。

2，臨時要求增加一個feature以應對供應鏈上的變化，比如接納了額外的零件供貨商或者採用更新/更便宜的零件。但是晶元設計已經完成，只能通過FPGA來轉接；或者介面方案暫時還無法確定，沒法集成到SOC里。不同的iphone會有不同的零件供貨商，所以這顆FPGA不會一直在那兒，而且最多也就呆2個月，原因同上。當然最終也有可能放棄集成，改FPGA為獨立ASIC，就像早期的Sensor Hub。

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補充

很多人覺得為了修改bug而臨時在PCB上增加FPGA，同樣是大改動大風險。但很多時候，發現bug就要考慮2種風險：1，修錯了；2，修對了但引入了新的bug。

無論是需求變更還是bug修復，這個改動會給iPhone7帶來巨大的不確定性，所以蘋果採用2步走的策略，同時開發SOC和FPGA，這樣把風險降到最低。第一批量產就取決於哪個方案更穩定可靠，但最終的量產還是需要兼顧成本和穩定性的。

至於某些認為蘋果絕不會有硬體bug的情懷黨們，想想死亡之握吧。

兩個字： SENSOR HUB

這個fpga設計出來就是用作消費電子的。

lattice寫好一個邏輯，和器件捆綁銷售，一般是sensor hub。由於該器件介面特殊，用作電平轉換和膠水特別合適，因此在有sensor的場合特別合適，價格又夠低，批量估計30美分，也沒有誰還會去開發asic替代他。你可以把它看作是個asic

lattice還有一些資源稍多，速度稍快的小型fpga也是如此，配合一些sensor，結合isp形成安防常規解決方案滿街賣。

lattice的fpga戰略即是如此，收購這家公司也是為了擁有超低功耗技術以便進入移動視頻市場

至於寸土寸金的板卡上，增加面積和功耗為一個bug，如果是電路bug，反正都重新投版了，不順帶改好?如果是晶元bug，那流片前那麼多次的模擬都是搞笑的，大幾千萬美元的投入這麼兒戲? 一個手機的系統設計還不如深圳的三流小公司?

另外，蘋果這樣的出貨量一定會選擇成熟的方案，就算我們認為不成熟，實際上，在蘋果那裡已經成熟了，不然那麼大的出貨量，售後就賠死了，看看note 7

實際上，這顆晶元業界這麼用已經很久了，早就是標配了

感謝各位的激烈的批評，關於這顆FPGA的價格，初步測算了一下，成本確實可以低於30美分，之前沒有想到能夠這麼低。

計算過程寫下：

晶元的成本主要：包括研發成本、一次性費用（主要是Mask費用）、耗材（主要是wafer）成本和封測成本

晶元的邊際成本（每多生產一片給總成本帶來的增量）主要取決於耗材和封測的成本。

耗材部分（主要以wafer的價格來計算）：

- 40nm 12 inch的wafer價格大約$2000左右（製程數據來源：latticesemi.com 的頁面）

- 2mm×2mm的封裝，保守估計die的面積也以2mm×2mm來計算

- 12 inch的wafer上可以割出大約15000顆die (計算器：Die Per Wafer (free) Calculator)

每顆die的成本是 $2000/15000 ~= 13.3 美分

封測成本：

2mm×2mm的此類封裝成本大約每顆 10~15美分左右

所以，假設耗材和封測佔總邊際成本的90%，綜合算下來每顆的邊際成本大約是25.9~31.4美分。(邊際成本接近為0)

~~~~~~~ 原答案如下 ~~~~~~~~

我很實事求是的說，30美分能買個FPGA？ @Evan172@林名

要是這樣，不考慮功耗的情景誰還考慮MCU啊！

答主們實現了我們多年來的夢想啊！

ICE5LP4K這個型號

Digi-Key的價格：

Mouser的價格

我覺得有可能是膠水邏輯 mcu/soc/sensor互聯用的吧？

這麼少資源的fpga我覺得也只能做些這種事。

根據iCE40 Ultra系列FPGA的晶元手冊，這是「一款超低功耗的FPGA，是為包括智能手機、平板電腦和手持設備等超低功耗移動應用而設計的感測器管理單元。」

這原來是 silicon blue 的器件，後來 SB 被 lattice 收購了。典型的低功耗小規模器件，估計就是做 sensor 的介面轉換吧，那麼小的玩意兒也幹不了啥。

還有一個不太可能是修bug的原因。蘋果手機的硬體基本在手機發布前一年就必須基本到位。

iPhone7採用FPGA意味著什麼？

應該是低功耗的原因。

深度解讀：iPhone7採用FPGA意味著什麼？

沒仔細研究，如果沒有意外的話，FPGA應該是來處理感測器或輔助ISP做處理的。主要目的是為了提高效率，及在某些場景下省電。

這款FPGA是Lattice出的，但其實是被收購的另一家公司SiliconBlue的產品，主打低成本低功耗，幾年前在平板里就用得很廣了，所以沒什麼好奇怪的。

這顆晶元實在太便宜了，以蘋果那麼大量也才幾千萬刀的單子，實在算不上對FPGA行業的利好。對FPGA工程師來說也算不上利好，這點邏輯根本產生不了幾個就業崗位。

應該是做某個集合的預處理，未來iPhone要做跌落切換姿勢抗跌，這個方向還沒有哪家有具體解決方案吧，fpga來做各種意想不到的情況，方便調試和更新啊。話說蘋果更新包能更新fpga的固件么？

Home鍵的馬達驅動，cpu驅動反射弧太長，用戶體驗不好，fpga驅動則幾乎按下同時觸發馬達。
Lightning介面插入的是數據線還是耳機的羅輯判斷，然後fpga內部進行介面的轉換。(pretty sure, 因為介面轉換的硬體設計沒有比使用FPGA還乾淨並且方便的了，膠合邏輯是FPGA的主要功能之一）。

判斷錯誤，搜索了一下，發現lightning介面耳機和lightning轉3.5數據線都有DAC晶元，那麼就不需要進行介面轉換。

FPGA能做的ASIC都能做，而且量大了更便宜功耗更低。FPGA唯一的市場是那些量不大對功耗成本不太敏感的，還有就是硬體功能會變化的，AISC不靈活，如果硬體功能一但定死基本都會上ASIC，特別蘋果這種不差錢的。

做sensor hub的話，如果senor個數介面種類都確定的話，也就是需求很明確的情況下，做一顆ASIC應該功耗更低更省錢。FPGA再怎麼樣還是冗餘了。項目中期發生了設計一開始沒想到的事情，為了不影響上市時間我覺得更合理。都是不負責猜測。

感測器協處理，介面轉換或擴展，或者實時性要求較高的應用預處理，大概就這些。lattice肯定給了個超低價格，方便又便宜，何樂而不為。手機迭代太快，lattice也許找對了方向也說不定啊，感覺要火

感覺還是說修復BUG的比較靠譜。

另外高票的那兩個不靠譜啊。

有什麼方式能比用SOC 更省電，更便宜，更節省空間（這個最重要）？即使那一片FPGA再便宜，再省電，再小。

說什麼都是徒勞的，就看半年後產的IPHONE7 還帶不帶那塊「膏藥」就知道了。