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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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