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Zur Einordnung: TSMC 5 nm vs. Intel 10 nm vs. GloFo 7 nm

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intelIn den vergangenen Tagen und Wochen war viel über die Probleme bei Intel mit dem nächsten Fertigungsschritt in 10 nm zu hören. Erst kürzlich musste Intel erneut eingestehen, dass man Probleme mit der Fertigung in 10 nm hat und dass die Massenproduktion für Desktop- und Serverprozessoren erneut zurückgestellt werden muss und nun für irgendwann 2019 geplant ist.

Auf dem gestrigen 2018 Annual Stockholders’ Meeting musste Intels CEO Brian Krzanich einige unangenehme Fragen dazu beantworten. Mit dem Core i3-8121U wird ein erster Prozessor in Kleinserie in 10 nm gefertigt, diesem fehlt es aber an einer funktionierenden Grafikeinheit und so dürfte der ebenfalls aufgetauchte Core m3-8114Y der erste vollständig funktionierende Desktop-Prozessor aus dieser Fertigung sein.

Auf dem 2018 Annual Stockholders’ Meeting beruhigte Intel seine Anleger. Der nächste Schritt in 7 nm sei nicht von den Verzögerungen für 10 nm betroffen. Hier kommen bereits für 14 und 10 nm verwendete und damit etablierte Technologien zum Einsatz. Aber auch die Extreme Ultraviolet Lithography (EUV oder EUVL) wird in Teilen bereits eingesetzt. Intel setzt dabei vor allem auf Hardware, die nicht aus eigenem Hause stammt und verspricht sich davon viel:

"And 7-nanometer will be the first one that transitions to the new lithography tool, which then opens up our ability to print features that are much, much smaller, much more easily. So that's step one that's different between 10- and 7-nanometers.

[...]

to make 7-nanometer much more like our traditional technology innovations that we've done and hence we believe that most of the issues that occurred at 10-nanometers would not carry over into 7-nanometers. And we continue to monitor our progress on 7-nanometers and continue to be very positive about where we're at with 7-nanometers."

Die Fertigung in 10 nm will man also schnellstmöglich in den Griff bekommen und sieht sich für 7 nm im Plan – zumindest suggeriert man dies nach Außen hin.

10 nm sind nicht gleich 10 nm

Intel liefert derzeit seine Massenprodukte in 14 nm aus, will schnellstmöglich auf 10 nm wechseln und plant schon konkret mit 7 nm. Meldungen wie der Start der Massenfertigung in 7 nm bei TSMC wirken dann so, also sei TSMC der Fertigungstechnologie von Intel weit voraus. GlobalFoundries als weiterer Auftragsfertiger liefert derzeit für AMD in 14 und 12 nm aus. Samsung spricht ebenfalls bereits von 7 und 5 nm. Die Auftragsfertiger und solche mit eigenen Fabriken überbieten sich also 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.

Eine wichtige Größe sind die Anzahl der Transistoren pro Quadratmillimeter. In diesem Bereich setzt sich Intel immer sehr ambitionierte Ziele. Mit dem Wechsel der Fertigung von 20 auf 14 nm, 14 auf 10 nm und 10 auf 7 nm setzen sich die Fertiger Ziele, um welchen Faktor die Packdichte steigen soll. Im Falle von 20 auf 14 nm war dies bei Intel der Faktor 2,4. Mit dem Wechsel von 14 auf 10 nm plante Intel mit einem Faktor von 2,7, was offenbar auch einer der Gründe ist, warum Intel derzeit mit einigen Schwierigkeiten zu kämpfen hat. Um die Anforderungen etwas geringer zu halten, nimmt man aber auch die Ziele für die Packdichte etwas zurück und plant wieder mit dem Faktor 2,4.

Basierend auf den Zahlen von TSMC und Intel, wird CLN5, also einem Prozess in 5 nm, ein Shrink um den Faktor 1,8 im Vergleich zu CLN7FF in 7 nm sein. Intel plant 7 nm mit einem Shrink um den Faktor 2,4 von 10 nm. Damit liegt TSMC bei 147 Millionen Transistoren/mm² in 5 nm und Intel bei 242 Millionen Transistoren/mm² in 7 nm. Intels Fertigung ist in diesem Bereich also deutlich weiter fortgeschritten und kompakter.

Es ist also nicht so einfach zu sagen, dass TSMC, Samsung oder GlobalFoundries Intel nun einen Fertigungsschritt voraus sind.

Erst kürzlich haben wir uns diesem Thema im Bereich der Fertigung eines SoC bei Samsung und TSMC gewidmet. Beide Hersteller kämpfen hier um lukrative Aufträge. Die reine Nomenklatur der Fertigung durch die Hersteller spielt dabei keine Rolle mehr. Es gibt multiple Faktoren, die in der Fertigung eine Rolle spielen.

Gegenüberstellung der Fertigungstechnologien
  Intel 14 nm Intel 10 nm TSMC 10 nmSamsung 10 nm
Fin Pitch 42/45 nm 34 nm 35,1 nm46,8 nm
Min Metal Pitch 52 nm 36 nm 44 nm
48 nm
Cell Height 399 nm 272 nm 330 nm360 nm
Gate Pitch 70 nm 54 nm 44 nm
48 nm
Fin Hight 42/46 nm 53 nm 42,1 nm48,6 nm
Fin Width 8/7 nm 7 nm 5,4 nm5,9 nm
6T-SRAM 69.167/70.158 nm² - 40.233 nm²49.648 nm²
  • 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

Eines ist jedoch klar: Es wird zunehmend schwieriger für die Hersteller die kleineren Fertigungsschritte auch in der Praxis umzusetzen. Während Intel jedoch bei 10 nm aus noch immer unbekannten Gründen zu kämpfen hat, wird der Einsatz von EUV für alle Hersteller noch eine Hürde werden. Ob Moores Law nun an Ende ist oder nicht, darüber wird bereits seit Jahren gestritten. Die Multi-Milliarden-Investitionen in neue Fertigungsstraßen und die Entwicklung zeigen, dass der Aufwand immer größer wird. Erst kürzlich gab Intel bekannt, dass man 5 Milliarden US-Dollar in die Erweiterung der Fab 28 in Israel investiert.