這陣子如果你買了iPhone 6S，你應該十分緊張電話裏頭的CPU是那個工廠生產，到底是TSMC（台積電）的「正貨」，還是三星的「次貨」呢？早幾天開始，網上不繼流出兩廠A9的跑分，TSMC的A9比三星省電20%。蘋果急忙出來否認三星是次貨，強調正常使用只差2-3%，更把檢查CPU型號的App下架，讓一般用家無從得知手上CPU的型號。到底真相如何？讓我這個半導體業界的行內人為大家解開謎團吧。

說在前頭，蘋果的官方公佈沒有騙大家，跑分不是正常使用。CPU只是電話中眾多元件之一，還有更加耗電的LCD屏幕和無線通訊。在正常使用下，CPU根本沒有多少時間在全力跑，所以就算CPU多耗電20%，平均計對續航力只有2-3%的影響，的確分別不大，大家不用拿三星A9去Apple Store退貨。不過跑分時耗電量的差異同樣是事實，從Geekbench的跑分數據中，很明顯出現兩組不同的耗電量。同一工廠生產CPU總會有些微性能差異，那是半導體生產過程物理上的變數，但三星的CPU很明顯比TSMC的用電，畢竟兩間廠使用完全不同的技術。此外，CPU運作時電力轉化為熱力，中學物理科學過的能量不滅定律，耗電較多CPU自然會較熱，所以三星機在跑分時比TSMC機高出幾度。

在製作晶片上，三星使用14nm技術，而TSMC則使用16nm技術。一般而言，半導體技術越細，運算速度越快，亦越省電。三星明明比TSMC細兩納米(2nm)，有相為證，三星的晶片明明比TSMC的細，為什麼技術低更省電？其實什麼14nm或16nm，只是marketing的命名，很久以前半導體業界說是600nm技術，那組成邏輯單元(gate)的電路的而確是600nm寬。現在不論16nm也好14nm，其實都是同一代技術，在數字比上一代的20nm細便行了。在這一代技術上，Intel的邏輯單元明顯比其他廠的細小，它叫自已做14nm，TSMC有點厚道，知道自已的邏輯單元大一截，不好意思跟著叫14nm，所以叫自已的做16nm。三星其實在偷雞，技術上應該是28nm，之後到20nm，再到14nm。他們跳過了20nm，直接叫自已做14nm，讓外界以為他們在技術追上Intel。不過也不能說三星完全講大話，在20nm和14nm之間，邏輯單元其實是同樣大小，最重要的分別是改用FinFET技術，即外界說邏輯單元結構上從平面轉為3D。FinFET與舊平面技術的差異太技術性，我說了也沒有人聽得明白，總之就是更省電，更高速吧。

這次iPhone 6入面的A9，三星用是14nm第一代的14LPE技術，而TSMC則是用16nm第二代的16FF+技術。在半導體業界中，TSMC的16FF+比三星的14LPE省電20%，基本上是公開的秘密。主要是因為TSMC比三星的leakage做得更好，在電路靜止時電力流失較少，畢竟TSMC在晶片上的絕緣體（substrate）製作上，累積了20nm的設計經驗。三星抄捷徑跳過20nm，到最後始終要交學費的。三星第二代的14LPP技術，應該可以與16FF+看齊，不過量產進度出了問題，所以三星只好用14LPE頂硬上。

雖說理論上16FF+比14LPE省電，但從來沒有辨法可以證實。正常公司同一塊晶片，不可能出現兩個不同版本，因為不合成本效益。不同晶片不能直接比較，因為省電與否，還有很多其他設計因素。晶片製作成本十分昂貴，在電路的計設成本之外，製作一個晶片模(mask)要花幾百萬美元，只能在用一間工廠上生產，轉換工廠因為物資規格不同，晶片模要全新重製。只有蘋果這樣有錢的公司，才會把用一塊晶片做兩次，交給兩間不同工廠去生產。A9可以說是半導體行業中，極觸目的技術比拼，相信很快便有更詳細的測試，把TSMC和三星的技術徹底分析。

這次電池門（batterygate) 危機，蘋果很有可能沒有什麼損傷，畢竟買iPhone的人買的是蘋果品牌，不會關心入面用那間工廠的CPU，而實際使用上亦沒有大分別。只是蘋果本來可以很輕易避開這個危機，A9出貨量大要兩間工廠一起生產才足夠供應，但可以iPhone 6S用TSMC，而電池較大的6S Plus用三星。兩台電話組件有太多不同，不可以拿來跑分直接比較，便不會出現「工貨」和「次貨」的形像問題。蘋果自Steve Job教主去世後，其產品質量控制屢次出現的問題，在以前是絕對不會發生的。雖然蘋果iPhone仍然熱買，它仍然是世上最有錢的公司，但感覺已經完全不同，沒有教主年代的霸氣，反而似十年前剛剛開始盛極而衰的微軟。若果我是財經演員，我會建議大家沽蘋果的股票。不過如果蘋果倒頭來狂升，大家千萬不要找我算帳。說到底，蘋果股票該依科技公司來分析，還是依潮流(fashion)公司來分析呢？

申利：我是Andriod用家，沒持有APPL股票。

除非是Hi-Fi發燒友玩高級膽機，相信現在沒有多少人見過真空管。不過在半導體發開之前，上世紀五十年代的電腦，其運算器便是由真空管組成。當年的電腦體積龐大耗電驚人，其中美軍用來計算原子彈設計的ENIAC電腦，便佔用地方二千尺，使用了一萬八千個真空管，據說開機時會令費城所有電燈暗下來。真空管的樣子看起來似電燈膽，事實上真空管是電燈膽的副產品，當年愛迪生研究電燈膽時無意發現的。真空管的運作原理很簡單，它有三隻腳，一隻正極另一隻負極，第三隻腳則是正負極的開關。如果第三隻腳通電，正負極便有電流通過，若第三隻腳不通電，那正負極則不通電。其本上任何邏輯運算元件，都可以利用這零與一的開關砌出來。

半導體發明後，不論是體積，速度還是耗電，各方面都比真空管遠遠優勝，很快真空管便被淘汰了，從此電腦是半導體的天下。只有少數講求高電力輸出的應用，如音響和雷達系統之外，因半導體只能輸出低電力的緣故，才有必要繼續使用真空管。半導體邏輯運算的建造原理，與真空管年代並沒有改變，同樣都是用零與一的開關砌出來。分別只是零一開關以半導體來構造，在半導體結晶中加入不同的氧化雜質，讓電流控制其電阻值，從而製造出微型的電流開關。隨著半導體技術越來越進步，零與一開關的體積越來越細，去到只有十幾納米的時候，半導體中的雜質限制電子流動的速度，令開關的速度不能再提升。從前晶片的時脈每幾年翻兩翻，但自Pentium 4後已到了樽頸位，近十年時脈的速度差不多可說是停滯不前。

世事總是一個循環，當年半導體淘汰了真空管，到了今天半導體技術走到樽頸，卻走回來向真空管尋求突破。NASA的科學家在最新的研究中，成功用半導體來製造納米大小的真空管。嚴格來說這不是真空管，只是把氧化雜質那層半導體挖空，讓正負極之間成為真空狀態。電子在真空中的流動速動，因為沒有其他物質的阻擋，比在半導體中快很多，可以提升晶片的時脈達一百倍，令電腦的運行速度作三級跳，延續摩爾定律的生命。不過更突破性的應用，是可以打開THz的頻譜。這個頻譜位與微波（如無線電話）與雷射（如光纖）之間，目前沒有任何的量產技術能收發這頻譜。如果真空半導體THz收發技術成功投產，不單可以用來提高通訊的速度，還可以用這個頻譜可作透視檢查，因為這個波長可以穿透塑膠和布料，又不會如X光般強力放出輻射。

今年的諾貝爾獎將於今個星期陸續出爐，每年都有不少誰會得獎的預測，今年香港報紙力捧於科大任教的OLED之父鄧青雲，不過我的諾貝爾物理獎的心水熱門人選，則是同樣都是華裔科學家，曾於加洲柏克萊大學任教的蔡少棠（Leon Chua）。恐怕行外沒有多少人聽過蔡少棠的名字，不過他的女兒倒很出名，就是「虎媽的戰歌」的作者蔡美兒。蔡少棠是第一個發現憶阻器（memristor）的人，他的發現足以改寫所有電子學教科書，奪取諾貝爾物理獎絕對實至名歸。

當年我讀大學時的電子教科書，只有三種基本被動電子元件，電阻（resistor），電容（capacitor），電感（inductor）。三種電子元件聯繫著四個基本數值，電流（current），電壓（voltage），電荷（charge），磁通量（flux），四種數值應該有六種聯繫方式，但已知的電子理論只能解釋到其中五個聯繫。蔡少棠從電子的數學模型上推論，認為應該存在第四種基本電子元件，那就是憶阻器（memristor）。顧名思義，憶阻器的特性便是能夠記憶電阻值，憶阻器簡單來說是一個可變電阻。當強大的正電壓通過時，便會增加憶阻器的電阻值，反之強大的負電壓通過時，便會減少憶阻器的電阻值。蔡少棠於一九七一年發表第一份憶阻器的論文，也許他的理論太過超前，也許一直都沒有人發現憶阻器在物理上的存在，電子科學界三十多年來差不多完全無視他的理論。憶阻器妨如只存在於數學模型中的幻之電子元件，不少電子科學家認為那只不過是一些有趣的數學公式。

終於在2008年，HP實驗室的科學家Stanley Williams在研究新記憶體時，無意中發現憶阻器的存在。他的實驗室在研發創新的crossbar記憶體架構，以改變其電阻值作為記憶體的位元，大電阻值時代表一，細電阻值時則代表零。他嘗試用不同的物料去構成記憶體，他的記憶體實驗姑且算是成功，他發現用二氧化鈦（TiO2）有改變電阻值的特性，但卻苦無任何物理學理論能解釋其運作原理。某天他的同事Greg Snider丟給他蔡少棠那份被多數人遺忘了的憶阻器論文，不看可猶自可，一看之下Stanley驚覺自已原來造出了那個幻之電子元件，蔡少棠的數學模型正好解釋他奇怪的實驗觀測。

憶阻器可以說是革命性的記憶體，傳統的記憶體分為兩大類，DRAM讀寫速度快，但關上電源便資料沒有了，而FlashRAM可以在沒有電源時保存資料，但讀寫速度緩慢。憶阻器則集兩家之大成，不單讀寫速度快，沒電時也能保存資料。試想像一下如果用憶阻器做電腦的主記憶體，便不用每次開機都要經歷漫長的等待了，關上電源後不會清空記憶體的內容，下次開機便可以立即回復先前的進度。由於憶阻器是被動電子元件，不需要使用電力去記著和讀取資料，只是在寫入資料時才需要電力，因些耗電量非常少，可以令電池更加耐用。除了當記憶體外，憶阻器還可以取代半導體去組成構邏輯閘的單元，藉著組合不同電阻值的憶阻器，能模疑NAND這個萬用邏輯閘。而用憶阻器組成的邏輯，更可在運算中改變其算式，讓半導體晶片結合傳統FPGA的功能。憶阻器比半導體的體積更細，運行時所需的電力也較少，最重要是可以應用現行的圓晶技術生產，相信可以延繼摩爾定律多十年二十年。

或許憶阻器最革命性的應用，是用來製造人工智能電腦的神經網絡。我們目前只能用半導體電腦去模疑腦袋如何運作，不論電腦技術發展如何飛快，模疑腦袋始終追不上真正腦袋的速度。憶阻器正好吻合人類神經系統的神經鍵（synapses）的特性，或許這讓我們能夠建造與人腦同樣運作原理的電子腦，造出能夠和人類同樣地思考的智能機械人，終有一天實現科幻小說中關於機械人的預言。