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Vergleich der Fertigung in 10 und 14 nm bei Intel, TSMC und Samsung (Update)

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intel-10nmEs ist ein beliebtes Wettrennen der Chipfertiger mit den kleinsten Fertigungsgrößen zu werben – egal ob mit eigner Fabrikation oder als Auftragsfertiger. Intel, Samsung, GlobalFoundries und TSMC überbieten sich hier regelmäßig. Doch Angaben wie 16, 14, 10 oder 7 nm sind längst nicht mehr ausschlaggebend und geben auch nicht wieder, wo nun die Vorteile der kleineren Fertigung liegen. Größen wie Fin Pitch, Min Metal Pitch, Cell Height und Gate Pitch.

Im vergangenen Jahr sah sich Intel offenbar dazu genötigt, einmal einen Vergleich zwischen 14 und 10 nm anzustellen. Gerne vergleichen sich auch AMD und Intel direkt miteinander, zumal deren Design sich grundsätzlich unterscheidet. Während AMD für die größeren Prozessor-Modelle auf ein Multi Chip Module mit bis zu vier Zeppelin-Dies setzt, vertraut Intel derzeit noch auf den Ansatz des monolithischen Designs.

Bang-Hao Huang und Shih-Hsin Chang von der MSSCORPS CO., LTD. aus Taiwan haben eine Analyse des bei Samsung gefertigten Exynos 8895 im Vergleich zum Apple A11 Bionic, der bei TSMC gefertigt wird, erstellt. Ebenfalls mit aufgenommen wurden Daten, die Intel herausgibt. Daraus kann nun ein interessanter Vergleich aufgestellt werden.

Gegenüberstellung der Fertigungstechnologien
  Intel 14 nm Intel 10 nm TSMC 10 nm Samsung 10 nm
Fin Pitch 42/45 nm 34 nm 35,1 nm 46,8 nm
Min Metal Pitch 52 nm 36 nm 44 nm 48 nm
Cell Height 399 nm 272 nm 330 nm 360 nm
Gate Pitch 70 nm 54 nm 44 nm 48 nm
Fin Hight 42/46 nm 53 nm 42,1 nm 48,6 nm
Fin Width 8/7 nm 7 nm 5,4 nm 5,9 nm
6T-SRAM 69.167/70.158 nm² - 40.233 nm² 49.648 nm²

Bevor wir uns die Daten genauer anschauen, ein paar Begriffserklärungen:

  • Fin Pitch: Abstand der Fins (Drain und Source) eines Transistors
  • Min Metal Pitch: Mindestabstand zwischen zwei Metallschichten
  • Fin Hight: Höhe der Fins aus dem Si-Substrat in das Oxid hinein
  • Fin Width: Dicke der Fins

Während Intel mit den zahlreichen Iterationen bei der 14-nm-Fertigung nur kleine Sprünge gemacht hat, zeigt die Fertigung in 10 nm deutliche Vorteile. Allerdings ist Intel längst nicht mehr der einzige Fertiger, der das notwendige Know-How hat – ganz im Gegenteil. Die zahlreichen Verzögerungen bei der Auslieferung erster Prozessoren in diesem neuen Verfahren haben gezeigt, dass es große technische Hürden gibt. Worin diese nun genau zu begründen sind, dazu möchte Intel sich natürlich nicht äußern.

Der Report stellt einen Vergleich zwischen Samsung und TSMC für die Fertigung in 10 nm an und kommt zu folgendem Entschluss: Während Samsung mit dem Exynos 8895 eine größere Fin Height und breiter Fins fertigen muss, kann TSMC mit einem kleinerem Fin Pitch und einer dünneren Inter-Connection-Thickness glänzen. Sowohl TSMC als auch Samsung bewegen sich an einer derzeit technisch machbaren Grenze wenn es um die Massenfertigung geht.

Der Vergleich zu den Angaben von Intel zur 10-nm-Fertigung zeigt: Der einstige Technologieführer in diesem Bereich musste die Konkurrenz teilweise an sich vorbeiziehen lassen. Nun ist die Fertigung eines mobilen SoCs nicht zwangsläufig mit der Fertigung eines Desktop-Prozessors zu vergleichen, einige Werte sind aber durchaus auf die komplette Palette der Fertigungstechnologien übertragbar, egal wie groß und komplex der Chip am Ende werden wird.

TSMC und Samsung haben in den vergangenen Jahren um lukrative Aufträge gekämpft. Daraus ergibt sich auch ein Kampf um die Spitzenposition bei der technischen Umsetzung einer solchen Fertigung. Intel wird mit der Massenproduktion von Prozessoren in 10 nm bald in diesen Kampf mit einsteigen und GlobalFoundries wird von AMD ebenfalls angetrieben hier mithalten zu können. Ob Moores Law nun an Ende ist oder nicht, darüber streiten sich die Geister. Die Multi-Milliarden-Investitionen in neue Fertigungsstraßen und R&D zeigen, dass der Aufwand immer größer wird.

Update:

Wir haben ein paar Fehler im Text beseitigt und die Tabelle um einige Werte ergänzt.

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Kommentare (43)

#34
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Kapitän zur See
Beiträge: 3208
Es ist völlig klar, dass der jetzt nicht 40% höher taktet. Muss Zen2 aber auch nicht. Es reichen ja 600-800MHz, was weit weg ist von den 40%. Aber wie gesagt GloFo spricht ja selbst von 5GHz und es gibt ja schon lange Samples, Tapeout war letztes Jahr. Die wissen schon wovon sie reden.
GlobalFoundries: 0,35x Fläche mit über 5 GHz in 7 nm | Planet 3DNow!
Und in Zeiten von sehr flexiblen Turbomodi, so wie RR und PR das jetzt ja schon bringen, kann man auch problemlos so hoch takten. Der Basistakt einen 16 Kerners würde sicherlich wieder so bei 3,5GHz liegen.

Übrigens sind die Einsparungen bei unverändertem Takt 60%+ bei 7LP. Das ist ein anderer Werte. 7LP packt 40% mehr Takt und 60% Stromeinsparung bei niedrigeren Taktraten ggü. 14LPP und eben die satte Flächenersparnis von über 230% bei Cache und Logik - was auszuklammern ist sind ja die Anschlüsse und Teile des mem-Controllers.
Es gab schon sehr lange nicht mehr so einen heftigen Sprung in der Halbleiterindustrie. Das ist aber auch nur so, weil GloFo 10nm komplett übersprungen hat (der war eben nicht in Entwicklung) und alles in 7LP gesteckt hat.

Wenn man das alles Berücksichtigt und die Annahme von Canard stimmt mit den 16-Kern-Dies, dann hätte Intel es mit einem 200mm²-16-Kern-Zen2 mit 3,5-5GHz Takt zu tun, der lt. Gerücht eben sehr viel größere L3-Caches mitbringt. Das wird ein interessantes Jahr. Das könnte ähnlich wie ein K8 Rev.C werden damals.
#35
Registriert seit: 05.07.2010

Admiral
Beiträge: 16401
Wobei bei einem echten Sprung von 14nm auf 7nm die Fläche sogar nur ein Viertel sein sollte, da 7² = 49 eben ein Viertel von 14² = 196 ist. Aber die Skalierung aller Strukturen wird eben immer schwerer.
#36
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Registriert seit: 02.05.2017

BannedForEveR
Beiträge: 8812
7-Nanometer-Herstellung verspricht deutlich mehr Leistung:
AMD Zen-2-Prozessoren - Globalfoundries erwartet 5 GHz Takt - GameStar

Wenn Intels 10nm-Prozess tatsächlich fest steckt (was nun von mehreren Quellen bereits so angedeutet wurde), was kann Intel dagegen tun?
#37
Registriert seit: 05.07.2010

Admiral
Beiträge: 16401
Fest steckt Intel nicht, es gibt wohl massive Verzögerungen, aber keinen Stillstand.
#38
Registriert seit: 06.09.2016

Hauptgefreiter
Beiträge: 247
Zitat Holzmann;26196866


Wenn Intels 10nm-Prozess tatsächlich fest steckt (was nun von mehreren Quellen bereits so angedeutet wurde), was kann Intel dagegen tun?


Was wohl? Sie werden noch mehr versuchen mit ****** AMD zu bremsen.
#39
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Registriert seit: 21.07.2004
Wien
Flottillenadmiral
Beiträge: 5960
Zitat Holzmann;26196866
...
Wenn Intels 10nm-Prozess tatsächlich fest steckt (was nun von mehreren Quellen bereits so angedeutet wurde), was kann Intel dagegen tun?

Sie werden es einfach aufgeben mit der Chipentwicklung und stattdessen Soft- und Energy Drinks herstellen.

Na was glaubst Du was passieren wird? Die werden den 10nm Prozess so gut es geht optimieren mit 10nm+ und eventuell sogar 10nm++ und das beste daraus machen bis Ihr eigener nächster Prozess ebenfalls soweit ist um in Serie Produkte zu fertigen. Vor frühestens Ende 2019 würde ich aber bei Intel nicht mit 7nm rechnen, eher deutlich später und vielleicht vorerst auch nur bei mobilen oder embedded CPUs.

Na drücken wir mal GloFo die Daumen daß Ihre 7nm Fertigung tatsächlich das bringt was sie hier prophezeien. Die Platzersparnis hört sich schon fast zu gut an um wahr zu sein, Taktraten bis 5 GHz könnten je nach Modell jedoch realistisch sein. Hoffe ich zumindest.
Ich bezweifle jedoch daß wir dann gleich 12 Kern Modelle für den AM4 Sockel sehen werden. Die Platzersparnis sollte die Ausbeute je Wafer deutlich erhöhen und hoffentlich einen Teil der höheren Kosten der Fertigung abdecken. Im Serverbereich kann ich mir jedoch gut vorstellen daß der gewonnene Platz mit mehr Kernen und Cache oder PCI-E Anbindungen genutzt wird.
Ich denke daß AMD auch vorerst nicht von Ihrem 4 Kern CCX Design großartig abweichen wird da sie damit recht flexibel sind und viel vom Markt abdecken können. Somit müsste ein 12 Kern RyZen am Mainstream Sockel schon 3 CCX haben. Alternativ falls AMD das 4 Kern Design auf ein 6 Kern Design aufbohrt, allerdings würde sich eben die Abdeckung des Marktes da eben nach oben schieben, denn ein 6 Kern CCX ist für die meisten mobile Marktanforderungen einfach überdimensioniert.
#40
Registriert seit: 05.07.2010

Admiral
Beiträge: 16401
Intel wird nicht aufgeben, so wie GF und TSMC nicht aufgeben haben, als ihr 20nm Prozess festgesteckt hat und sich stattdessen auf die 14nm bzw. 16nm Prozesse konzentriert und die 20nm für die Großserienfertigung übersprungen haben. Wenigstens als U oder Y Reihe scheint ja auch Cannonlake (also 10nm) zu kommen, eine größere Bandbreite an Produkten wird dann wohl erst mit 10nm+ und damit Ice Lake erscheinen, damit wird 10nm nicht ganz übersprungen aber fast.

Tiger Lake wird als 10nm++ dann sich auch noch eine ganze Weile die Stange halten müssen, bevor es auf 7nm geht, aber was Intel dann 7nm nennt, dürfte ähnlich kleine Strukturen haben wie 5nm bei GF und TSMC, so wie Intel 10nm+ wahrscheinlich sehr ähnliche Abmessungen wie GFs 7nm aufweisen dürfte. Das Rennen um die bessere Fertigung hat also wohl gewonnen, wer Ice Lake oder Zen2 zuerst auf den Markt gebracht hat. Denn die Platzersparnis hört sich für einen wirklich Full-Node von 14nm auf 7nm zu schlecht an, dafür müssten die gleichen Strukturen auf einem Viertel der Fläche untergebracht werden können und nicht auf 35%, dies wäre nämlich eher ein 8,3nm Prozess. Die Strukturen sind bei Intels 14nm Prozess kleiner als bei dem 14nm Prozess von GF/Samsung:


Bei dem Shrink von 14nm auf 10nm halbiert sich die Fläche, wenn man die Prozesse ehrlich bezeichnet, denn 14nm sind im Quadrat sind 196nm² und damit etwa doppelt so viel wie 10nm im Quadrat. Damit müsste die Größe eines Transistors bei Intels 10nm Prozess auf 1,82nm² fallen, 4,992nm² mal 0,35 sind 1,7472nm² und damit nur 4% kleiner. So groß wie die Ziffern 10 zu 7 es erscheinen lassen, wird der Unterschied in der Realität nicht ausfallen, zumal Globalfoundries 7-nm-Chips zunächst ohne EUV fertigen und muss dafür an einigen Stellen größere Strukturen in Kauf nehmen.
#41
Registriert seit: 27.05.2008
Simmerath 52152
Bootsmann
Beiträge: 753
ich wusste ja gar nicht das die nm Angabe für die Kantenlänge der chips ist
#42
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Registriert seit: 02.05.2017

BannedForEveR
Beiträge: 8812
Zitat angelsdecay;26205538
ich wusste ja gar nicht das die nm Angabe für die Kantenlänge der chips ist


Quatsch hier geht's um die Fläche.
#43
Registriert seit: 05.07.2010

Admiral
Beiträge: 16401
Die Zahlen der nm Angaben sind schon seit man unter 100nm gekommen ist, keine wirklich Längenangaben mehr für irgendwas auf dem Chip, sondern werden immer mehr zu Marketinginstrumenten. Danach waren die Angaben wenigstens meist auf der Fläche basierend gewählt, wenn sich also die Zahl halbiert hat, dann fiel die Fläche im Quadrat dieser Halbierung, also auf ein Viertel. Wenn also die Fläche für die Schaltung beim Wechsel von 14nm auf 7nm um den Faktor 0,35 statt 0,25 fällt, ist der 7nm Prozess in dem Sinne dann kein 7nm Prozess, aber die Namen darf ja jeder Hersteller selbst vergeben.
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