苹果公司在今年1月29日发布上一季度的财务报告，全公司的营业额YoY衰退5%，其中，来自于iPhone的营业额衰退15% 。苹果公司没有达到原来预期的营收方向（Revenue Guidance），让市场对于半导体的未来产生许多负面的看法。
过去几年，全球半导体的增长的动能确实来自于智能手机，然而为何是现在才看到苹果公司的手机衰退，而不是3年以前呢？智能手机能否因为半导体工艺的进步，刺激消费者的需求，让产值变得更大呢？本文尝试链接智能手机录像的每秒显示张数/影分辨率（Frame Per Second, FPS）与半导体制程工艺，说明2018年的7纳米工艺恰满足4K60FPS的录像需求，利用简易的技术预测推测估计3纳米工艺可满足8K60FPS的需求，发生的时间点约在2021-2022年。
对FPS的需求，推动过去手机SoC性能发展
AnandTech网站最近公布了一份近几年来智能手机SoC的性能评比。评定手机SoC有许多技术指标，当然也会有综合指标，我这里使用的指标主要是播放画面时常用的每秒显示张数/影分辨率。
FPS是动画、视频的基础，人的眼睛如果看到的画面在每秒10-12张以上时，就会产生视觉暂留的效果，而认为画面是连续的。电影院的胶卷播放约在24FPS，对于多数人来说是可以接受的速度。然而到了CRT与LCD屏幕的时代，NTSC规范显示器的更新频率在60Hz（PAL规范为50Hz），规范FPS在30p（PAL规范为25p），在一个可以每秒更新60张图片的显示器上面，NTSC建议画面每秒显示张数为30张，约为屏幕更新频率的50%。如果影分辨率低于30FPS时，人眼会感觉到画面延迟、拖影、抖动，所以开始要求提高FPS。
按照前面显示器更新频率要在FPS的两倍以上的概念，屏幕的更新频率开始有了120Hz、240Hz等高级配置出现。提高FPS与显示器更新频率有助于欣赏赛车视频、以及增加3D游戏的流畅度。
目前一般所谓的电玩级显示器，约在144Hz以上，也就是可以让FPS达到72p。市场上高端的LCD/AMOLED TV，多数具备动态图片流畅技术，提高显示器更新频率达240Hz，如果搭配120FPS的影分辨率，其效果是非常好的。
半导体技术的能力是有限制的，在画面分辨率（1080p/4K/8K）与FPS之间，必须有所取舍。目前主流的手机SoC可以录像1080p（2K）与60FPS的信号，少部分（A12 Bionic、Snapdragon S845）可以录像4K60FPS的信号。
长期来看，手机SoC的技术目标还是在8K60FPS或8K120FPS的录像上，这会带动网络带宽的需求（录像之后通过网络上传至云计算），以及手机内存的需求（DRAM＋Flash），推动手机SoC的进步。我认为十年之内，应该是看得到，不会太久。
半导体制程、IC设计技术决定手机SoC性能
我尝试把半导体工艺与手机FPS性能作一个链接，整理出（图一）的数据。最新的iPhone Xs使用台积电7nm的FF制程，播放1920X1080p@25FPS的视频（GFXBench 3.1 Manhattan Demo）时，达到76～103FPS的性能，每瓦特功耗可以产生17～20FPS，领先全市场。华为与苹果的策略相同，率先使用最新的半导体制程，同样是7nm，可以看到华为的Kirin980性能不如A12，FPS与FPS/Watt都输给A12。
但是，整体来说，7nm的SOo性能还是胜过10nm的SoC（S835、S845、Exynos 9810）。
我们可以看到，决定手机SoC性能的两大关键因素是：（1） 半导体工艺（制程）；（2） IC设计技术。
半导体工艺对于SoC性能的影响大于IC设计技术。同样的制程，苹果公司的IC设计技术显然优于华为，高通的IC设计技术也优于华为。苹果公司与华为公司的庞大经济规模量，让他们勇于率先使用最先进的半导体制程，以取得性能上领先的地位。其他公司碍于经济规模量的关系，就会落后1-2年才使用相同的制程。
苹果公司在半导体工艺与IC设计上双双领先，所以是市场上的第一名；华为公司仅在半导体工艺上领先，所以是第二名，而高通公司仅在IC设计技术上领先，所以是第三名。高通公司的10/14nm SoC在三星半导体代工，单独比较这两家公司的SoC，可以看到同样的制程之下，高通SoC的性能还是超越三星，所以三星的SoC应该算第四名。
图一：近几年智能手机之性能与半导体工艺
半导体工艺与FPS是一个指数关系（图二），7nm工艺下，FPS约在60-80之间，可以满足多数3D游戏与高品质视频的需求。由于NTSC/PAL规范的历史因素，下一个市场需求应该是120-160FPS之间，从趋势预测线看到，5nm的工艺尚无法满足这样的需求，要到3nm的时候，才有机会满足这个需求。这就让我特别期待使用3nm工艺SoC的手机了。
图二：3nm工艺下之FPS性能预测
FPS性能已满足多数消费者需求，难再推动手机SoC进步
我们更好奇在哪一年的时候，3nm工艺会实现？我们可以看到SoC量产年份与FPS约是线性关系，所以用一个直线外插法，大概可以预测到时间点落在2021-2022之间。
使用10-20nm半导体工艺制作的手机SoC，其FPS性能多数低于60FPS，未达到多数用户的需求，所以，2018年以前的年份，消费者殷切期待手机SoC每年都有重大的进步，愿意1-2年花钱购买新机。我本人就是这个现象之下最好的实证。
2018年之后，FPS的需求，不容易推动手机SoC进步了。少数的专业玩家才会需要72-120FPS的性能，因此我们可以推测，未来手机使用年限会比现在增加许多，特别是7nm工艺SoC的手机，已经满足多数用户的需求，平均使用年限会增长许多。
先进半导体制程，现在是Intel、三星半导体、台积电三分天下的局面。如果以摩尔定律的标准单位Million Transistors(MT)/mm2来做一个客观的评比，Intel的10nm工艺约等同台积电与三星半导体的6nm工艺。 Intel的10nm工艺，晶体管密度为100.8 MT/mm2，台积电代工的Kirin 980则达到93.08 MT/mm2，略逊于Intel。预估台积电的5nm制程，晶体管密度才会超越Intel的10nm。 坊间常用多少nm来评量半导体工艺的优劣，这是不专业的用法，专业人士用MT/mm2来做比较单位，这一点希望读者特别注意。
图三：智能手机的FPS性能预测
反过来思考，2019-2021这几年的手机，FPS的进步很难让消费者有明显的感受，手机SoC开发商需要找新的技术指标来刺激用户的需求。目前，我们看到AI运算、8K分辨率是重点项目。 手机SoC的下一个战场是8K60FPS ，2019-2021这几年，手机屏幕会从1080p升级到4K，4K录像的FPS也会逐步提升，FPS/Watt依然会持续增加。 到了3nm的时代，也许就从4K120FPS变成8K60FPS，然后开始8K显示与串流（Video Streaming）的新时代。
人眼的分辨率是6000X3000，所以8K的屏幕已经超越人的肉眼，显示器的分辨率再往上增加的意义不大。到了8K60FPS的时代，影音串流大概就很难推动人类对于带宽的需求，取而代之的是大量物联网设备的通信需求。