Wat je moet weten over processors en nanometers

AMD bakt zijn Ryzen-chips op 7 nm, Intels tiende generatiechips worden al naargelang het model op 10 nm en 14 nm gebouwd. Wat betekenen die nanometers nu precies en wat zeggen ze echt over de prestatie van een chip?

Intels processors van de tiende generatie bevatten twee erg verschillende chipfamilies: er is Ice Lake, gebakken op 10 nm, en Comet Lake, gebakken op 14 nm. AMD laat zijn Ryzen-cpu’s bouwen in de fabrieken van TSMC, en dat op 7 nm.

Er wordt heel wat heen en weer gebokst tussen Intel en TSMC wat die nanometerbenamingen betreft. Wat Intel 10 nm noemt, zou bijvoorbeeld identiek zijn aan wat TSMC als 7 nm omschrijft. Het onderscheid is belangrijk: het formaat van een productienode heeft een directe impact op de prestaties van de chips. Nu Intel met zijn tiende generatie alles op één onduidelijk hoop heeft gesmeten en AMD opnieuw een relevante concurrent is, onderzoeken we wat die nanometers nu eigenlijk precies betekenen.

Over nodes

De verzamelnaam voor de technologie die gebruikt wordt om een chip te maken, is een ‘node’. Nodes worden van elkaar onderscheiden door een naamgeving in nanometers. 14 nm, 10 nm, 7 nm… zijn dus productienodes. Ze geven een indicatie van de nauwkeurigheid van het productieproces in een fabriek. Intel heeft bijvoorbeeld chipfabrieken die chips produceren op een 10 nm-node, wat betekent dat die chips gefabriceerd worden met een verzameling moderne technologie die onder de noemer ’10 nm’ leeft.

 

microchip processor wafer
De nanometer-benaming van een node staat los van het formaat van de transistors of andere componenten op een chip.

Een veelvoorkomende misvatting is dat de nanometers betrekking hebben op het formaat van de transistors op een chip. Daar is vandaag niets van aan. Tot 1997 was er wel een rechtstreeks verband tussen het formaat van een transistor en de naamgeving van een node. Specifiek kwam een node overeen met de lengte van de transistorpoort, die met de technologie geproduceerd werd.

De 350 nm-node in 1995 kreeg zijn naam omwille van de chips met transistors met een poortlengte van 350 nm, die van de 350 nm-node-band rolden. Rond de eeuwwisseling ging dat verband verloren. Nieuwe technologieën voor de bouw van microtransistors zorgden voor een hogere transistordichtheid op microchips, waardoor de poortlengte niet meer de relevante factor is.

Minder spelers, meer verschillen

Tot ongeveer 2013 was er wel eensgezindheid in processorland over wat een specifieke node precies moest inhouden. Omdat het gemiddeld bijna 15 jaar duurt om technologie van een wetenschappelijke paper tot in een operationele chipfabriek te krijgen, bestond er tot dan een overkoepelende sectorinstantie die roadmaps voor processornodes over de lange termijn uitwerkte. De ‘International Technology Roadmap for Semiconductors’, ITRS voor de vrienden, zette voor iedere node doelen uit met betrekking tot het aantal transistors per chip en het gemiddelde formaat van onderdelen op een dergelijke chip.

De laatste jaren is de ITRS hervormd en werd de roadmap een stuk minder relevant. Logisch: waar chips vroeger gebouwd werden in fabrieken van een tiental fabrikanten, zijn er vandaag nog maar drie bedrijven die productielijnen met de meest moderne technologie kunnen opzetten: Intel, Samsung en TSMC.

GlobalFoundries strandde op de 14/16 nm-node en kreeg zijn fabrieken niet succesvol geschaald naar 10/7 nm. Van node veranderen is immers een kostelijke zaak, zowel qua onderzoek als materiaal. Er gaan miljarden euro’s gepaard met de verkleining van een node.

Gekaapt door marketing

Als de nanometerbenaming niet meer overeenkomt met een specifiek onderdeel op een chip, en het is evenmin een koepelbenaming waaronder conventies op het vlak van formaat en technologie schuilen, wat zijn begrippen als 14 nm en 10 nm dan nog waard?

 

De nanometerbenaming voor nodes is vandaag overgenomen door het marketingdepartement.

 

Op technisch vlak bitter weinig. De nanometerbenaming voor nodes is vandaag overgenomen door het marketingdepartement en heeft geen rechtstreekse betrekking meer op componenten van een microchip. Gaat Intel van 14 nm naar 10 nm, dan kan je daaruit niet afleiden wat er exact gebeurt in het productieproces.

Indicatieve term

Het nodeformaat is vandaag dan ook eerder een indicatie dat een chipbouwer zijn fabrieken heeft uitgerust met nieuwe technologie, die op verschillende niveaus nauwkeuriger is en een hogere transistordichtheid toelaat. Hoeveel nauwkeuriger is niet helemaal duidelijk.

Historisch gezien moet een nieuwe node gepaard gaan met een verdubbeling van het aantal transistors op een gegeven oppervlakte, maar ook die vuistregel is vandaag weinig meer dan een ruwe indicatie. Verkleint een node van formaat X naar formaat Y, dan geeft de fabrikant vooral aan dat er een grote sprong voorwaarts is gemaakt in het eigen productieproces.

 

Nieuwe nodes uitrollen is een complexe en kostelijk affaire. Vandaag zijn er nog maar drie fabrikanten die meespelen op het scherp van de snee. (Beeld; Custom Foundry van Intel).

Wat dat productieproces precies is, verschilt meer dan ooit tussen verschillende fabrieken. Intel bouwt zijn chips anders dan TSMC en Samsung. Verschillende technologieën die te maken hebben met een schaalverandering, worden op verschillende momenten geïntroduceerd (FinFET, Gate-last..). Dat zorgt ervoor dat een chipdesigner vandaag nauw moet samenwerken met zijn fabrikant naar keuze.

Chipdesigns moeten meer dan ooit geoptimaliseerd zijn voor niet alleen de gebruikte node, maar de implementatie van die node door TSMC, Intel of Samsung. Wie een design ontworpen voor bijvoorbeeld Samsung in een fabriek van TSMC op een gelijkaardige node wil laten maken, mag zich aan een klein jaar van redesigns verwachten.

Vergelijken

Kijken we naar één fabrikant, dan is de naamgeving van een node nog wel waardevol. 10 nm is beter dan 14 nm, en de verbeteringen zijn groot genoeg voor de chipbouwer om van een nieuwe node te spreken. Dat betekent in de regel compactere componenten op de chip, wat voor betere prestaties zorgt. Waarom dat precies is, leggen we verder in het stuk uit. Je kan in ieder geval zonder twijfel zeggen dat Intels 10 nm Ice Lake-chips structureel superieur zijn aan de 14 nm Comet Lake-processors.

 

10 nm is beter dan 14 nm. Verrassing?

 

Een vergelijking tussen fabrikanten maken, is wel moeilijker geworden. AMD’s 7 nm Ryzen-chips worden gebakken door TSMC. Een kleinere node zorgt voor betere chips, maar node-namen zijn het eigendom van het marketingdepartement. Is 7 nm bij TSMC daarom werkelijk kleiner dan bijvoorbeeld 10 nm bij Intel? Die laatste beweert alvast bij hoog en bij laag dat wat TSMC 7 nm noemt, volgens Intel-conventie eigenlijk gewoon 10 nm is. De Ryzen-chips moeten wat productieproces betreft equivalent zijn aan Ice Lake-processors.

De cijfers achter de node

Om de claim te onderzoeken, openden we de doos van Pandora. 10 nm, 14 nm en 7 nm mogen dan wel marketingtermen zijn, ze corresponderen desalniettemin met bepaalde specificaties die wel technisch relevant zijn. Concreet gaat het om de Contacted Gate Pitch en de Minimum Metal Pitch. De Contacted Gate Pitch is grosso modo de minimumafstand tussen transistors op een chip, terwijl de Minimum Metal Pitch de minimale afstand is tussen de interconnects die transistors verbinden tot logische schakelingen.

Een kleinere afstand tussen transistors houdt een hogere transistordichtheid in, een kleinere afstand tussen de interconnects betekent dat je de extra transistors ook kan verbinden tot complexere schakelingen. Onder de node-marketingvlag documenteren TSMC, Intel en Samsung netjes hun Contacted Gate Pitch en hun Minimum Metal Pitch.

Kijken we eerst naar 10 nm, dan zien we dat die afstanden voor Intel respectievelijk 54 nm en 36 nm zijn. TSMC’s 10 nm-chips hebben een lagere dichtheid: Contacted Gate Pitch en Minimum Metal Pitch zijn 66 nm en 44 nm. Idem voor Samsung, waar de waarden op 68 nm en 48 nm liggen.

De ‘Contacted Gate Pitch’ is geen marketingterm, maar een meetbare eigenschap van een chip. Dit is één van de parameters die aangeeft wat de waarde van een node werkelijk is. Hier zie je hoe Intels 10 nm-proces vergelijkbaar is met wat de concurrenten 7 nm noemen.

Halen we nu de 7 nm-specificaties erbij, dan zien we dat TSMC en Samsung de twee parameters verlaagd hebben. TSMC pakt uit met 55 nm en 40 nm, Samsung met 54 nm en 36 nm. Vergelijk nu met de 10 nm-specificaties van Intel, en je ziet dat de belangrijkste parameters voor dichtheid op 7 nm bij TSMC en Samsung inderdaad overeenkomen met de specificaties van 10 nm bij Intel.

Met andere woorden: 10 nm Intel is vergelijkbaar met 7 nm TSMC en Samsung. Nog anders gezegd: Intels marketingdepartement heeft de bal misgeslagen. Er zijn nog parameters die relevant zijn om de kwaliteit van een node te beoordelen, maar die volgen dezelfde lijn.

Kleiner, maar waarom beter?

Zo komen we tot slot aan de kern van de zaak: waarom is kleiner beter? Een hogere dichtheid (waarvan Contacted Gate Pitch en Minimum Metal Pitch dus goede objectieve parameters zijn) gaat in de regel gepaard met kleinere transistors. Een kleinere transistor heeft een kleinere afstand tussen source en drain. Dat betekent dat er een lager voltage nodig is om de transistor van 0 naar 1 en omgekeerd te switchen.

 

Een doorsnede van een transistor in een microchip. De afstand tussen source (S) en drain (D) heeft een grote impact op de prestaties van een chip.

Een chip met een identiek design, gebakken op een kleinere node, zal dus minder stroom trekken dan zijn voorganger. Dat heeft enerzijds een rechtstreekse impact op het uithoudingsvermogen van de batterij in laptops, maar maakt anderzijds ook betere prestaties mogelijk. Met het lagere verbruik gaat immers ook de opgewekte hitte naar omlaag. Doordat chips op een kleinere node inherent koeler draaien dan identieke chips gebouwd op een grotere node, kunnen ze iets hogere frequenties aan eenzelfde TDP (thermal design point = maximale stroomverbruik) aan. De architectuur (wijzigingen aan chipdesign die geen betrekking hebben op de node) heeft ook een impact, maar onderzoek wees pas nog uit dat die best klein is.

Conclusies trekken

Daarom kan je dus stellen dat Intels Ice Lake inherent beter is dan Comet Lake, zonder de details van de node te kennen: kleiner is fysisch altijd beter. De chips worden allebei in fabrieken van Intel gebakken en zijn dus onderling vergelijkbaar.

Om diezelfde reden kan je niets zeggen over Ice Lake versus AMD’s Zen 2 Ryzen-chips op basis van enkel de node. 7 nm lijkt kleiner dan 10 nm, maar zoals we hierboven in detail uiteenzetten, is dat in processorland niet altijd waar.

Tot slot verdient EUV nog een vermelding. Extreme UV verwijst naar de golflengte die wordt gebruikt bij het lithografieproces waarmee processors gemaakt worden. Die golflengte kan je vergelijken met de penseeldikte bij het schilderen: hoe fijner, hoe nauwkeuriger het productieproces kan zijn. De huidige nodes zijn al zo nauwkeurig dat het moeilijk is om penselen te bouwen die fijn genoeg zijn. EUV-technologie belooft in dat opzicht een sprong voorwaarts te zijn die nodeverkleiningen opnieuw in een stroomversnelling zal storten.

Gerelateerd: Hoe Intel je opzettelijk misleidt met nieuwe 10e generatiechips