Intel Intel 10nm /7nm/5nm wo ist das Problem - oder wieso klappt es bei AMD?

[Blubbie]

Ahoi,

mal wieder eine N00b Frage von mir:
Wo ist eigentlich das Problem bei Intel, dass sie die 10nm CPUs im großen Maßstab nicht auf die Reihe kriegen oder damit überhaupt Probleme haben?

Ich muss gestehen meine letzte Intel CPU war ein Pentium 150Mhz (danach kam AMD Athlon 500 und nur noch AMD) - daher kann es sein das ich "Offensichtliches" bei Intel nicht weiß.

Ich lese immer nur Intel Probleme mit 10nm hier und Verzögerung da... etc. Und irgendwie steht Intel immer ALLEINE (also im Kontext solcher News) mit dem Problem da.

Bei AMD hörte ich früher "...lässt von Globalfoundries fertigen..." und seit 7nm / Zen+/Zen2 "... AMD lässt bei TSMC fertigen" und "5nm ist on Track".
Aber was hat der "Original-Hersteller" also Intel bzw. AMD denn mit 10nm/7nm überhaupt zu tun? Ich verstehe das so, dass die doch nur die "Baupläne" / "Schablonen" für die CPUs an die Auftragsfertiger wie TSMC weitergeben und der Auftragsfertiger - also bei AMD ist es zur Zeit TSMC muss diese Technik dann in 10nm/7nm/5nm umsetzen.

Oder hat und will Intel gar keine Auftragsfertiger die die CPUs für Intel herstellen und will das alles selber machen und bekommt es nicht auf die Reihe?

Und ich weiß - es gibt Unterschiede was 10nm / 7nm bei Intel und bei AMD bedeuten. Aber darum geht es mir gar nicht - bitte jetzt auch keine AMD / Intel Kriege starten. ☮🕊.

Oder hat Intel alleine schon Probleme überhaupt die 10nm Baupläne/Schablonen herzustellen???

 

[Thy]

Intel ist ja im Gegensatz zu AMD nicht fab-less, sondern fertigt die Mikrochips seit den 70ern selbst. Ein Halbleiterprozess ist eines der komplexesten Herstellungsverfahren, die durchgeführt werden. Um die verschiedenen Prozesse zu entwickeln und aufeinander abzustimmen, bedarf es Experten aus vielen verschiedenen Fachgebieten, wie Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Elektrotechnik, Maschinenbau, Informatik, aber auch solche Leute wie z.B. Logistiker und Anlagenbauer. Wenn nur ein Baustein nicht optimal funktioniert, kann das Auswirkungen auf die gesamte Prozesskette haben. Im Nanometerbereich kostet die Entwicklung eines stabilen Herstellungsprozesses Milliarden. Dies können sich nur wenige Unternehmen auf der Welt überhaupt leisten. Was genau bei Intel derzeit klemmt, keine Ahnung. Man kann nur hoffen, dass sie es selbst verstanden haben und daran arbeiten. Das es bei TSMC seit Jahren so aussieht, als ob alles wie am Schnürchen läuft, ist keineswegs selbstverständlich, sondern Ergebnis von sehr viel Geld, immenser Expertise und gutem Management. TSMC hat insofern einen Vorteil, dass sie eine reine Foundry sind und sich voll und ganz auf das Produzieren konzentrieren können. Da sie Auftragsfertiger sind, bekommen sie ihre Fabs auch leichter ausgelastet, da sie nicht auf die Designs eines Herstellers beschränkt sind.

 

[ShieTar]

Oder hat und will Intel gar keine Auftragsfertiger die die CPUs für Intel herstellen und will das alles selber machen und bekommt es nicht auf die Reihe?

Intel hat kaum Auftragsfertiger, Intel ist der weltgrößte Hersteller von Halbleitern und seit Jahrzehnten an der Spitze der Entwicklung von neuen Fertigungsgrößen. Intel verkauft auch schon seit 2018 10nm-CPUs.

Und der Intel "10nm"-Prozess erreicht im übrigen eine vergleichbare Transistor-Dichte wie die "7 nm" Prozesse bei Samsung und TSMC, TSMC hat gegenüber Intel in der Fertigung also auch keinen großen Vorsprung, sondern verwendet nur ein anderes Label. Dieses Label bedeutet ohnehin recht wenig, ein einzelnes Transistor-Gate ist zum Beispiel bei beiden Prozessen ungefähr 50 nm breit, es gibt absolut keine Komponente in der CPU die insgesamt nur 7 nm oder 10 nm breit wäre.

Was derzeit bei Intel noch nicht funktioniert ist die Herstellung von 10 nm Prozessoren die mit hoher Wahrscheinlichkeit mit deutlich über 4 GHz betrieben werden können. Daher werden die Desktop-Prozessoren immer noch nicht in diesem Prozess hergestellt, sondern nur einige Mobil-Prozessoren.

Geschichten von "Intel bekommt nichts hin" sind reißerische Übertreibungen. Tatsache ist das Intel die eigene Roadmap korrigeren mußte weil die 10nm-Fertigung sich nicht wie geplant/gehofft entwickelt, aber das ist nichtmal weiter ungewöhnlich. AMD hat ja auch Jahrelang vergeblich auf einen brauchbaren "20nm" Prozess von GlobalFoundries gewartet, und mußte die ganze Zeit 28 nm CPUs verkaufen die keine echte Konkurrenz zu den 20 nm - CPUs von Intel waren.

 

[grizzlygff4]

Intel besitzt selbst eigene Fabriken zur Halbleiterfertigung und ist daher der eigene Fertiger. Die verspäteten Fertigungsprozesse sind Intels eigene.
Zzt. nutzt Intel afaik keine Auftragsfertiger für fertige Produkte, zieht das aber in Betracht.

AMD hatte früher auch eigene Fabs, hat diese allerdings vor einigen Jahren als Globalfoundries ausgegliedert und verkauft. Seitdem ist AMD fabless und lässt beim GloFo (12nm + 14nm) und seit seit neuestem auch TSMC(7nm und kleiner) fertigen.

 

[Blubbie]

okay - aber wenn Ich jetzt intel wäre - und sehe dass ich Probleme mit meiner Fertigung habe - dann könnte ich doch die Zeit überprücken und die 10nm oder die Chip-Genration XYZ doch einfach für dieses und nächstes Jahr z.b. von TSMC fertigen lassen. Und wenn "ich" es bei mir in der Fabrik wieder alles auf die Reihe bekommen habe - mach ich die Chips ab 2022 wieder komplett selbst??

 

[Besterino]

In der Vergangenheit kam bei Intel alles immer aus einer Hand: Chipdesign und Fertigung. Das war auch lange ein Riesenvorteil und Intel hatte gerade bei der Fertigung die Nase weit vorn!

Zunächst war das bei AMD so, also das Design und Fertigung in einer Hand waren. Bis sie dann die Fertigung ausgegliedert und in Form von Globalfoundaries - wenn ich mich richtig erinnere: in Form eines Börsengangs? - verselbstständigt haben. So ganz freiwillig gewollt war das damals von AMD auch eher nicht, sondern eher den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen geschuldet.

Nun ist's halt so, dass sich dieser Vorteil gegen Intel gewendet oder zumindest neutralisiert/relativiert hat, einfach weil irgendwas in der Fertigung so ganz übel nicht wie geplant/gewollt funktioniert hat.

Hinzu kommt, dass sich auch bei der Fertigung einiges ganz fundamental geändert hat, nämlich dass es inzwischen bei den wesentlichen Maschinen für die Chipherstellung de fact eigentlich nur noch einen Hersteller gibt (ASML), jedenfalls sobald wir über Strukturbreiten von 10nm und kleiner (je nach Perspektive) reden. Von dem kaufen inzwischen quasi alle Fertiger wenn es um die neuen Verfahren geht.

Und zum Abschluss noch eine persönliche Glaskugel-Note: Intel verliert - bitte nur relativ gesehen! - aktuell auch Know How bei der Spitzentechnologie, weil eben TSMC undd Samsung insb. mit den EUV-Maschinen aktuell Erfahrung mit dem wichtigen & alles entscheidenden High Volume Manufacturing (https://www.golem.de/news/chipmasch...ellungen-fuer-23-euv-scanner-1910-144467.html) gewinnt. Intel scheint da immer noch an Basics zu basteln, während die anderen sich mit Optimierungen beschäftigen können.

EDIT & Nachtrag: die Fertigungskapazitäten auch bei TSMC & Co. sind endlich und teilweise auf JAHRE ausgebucht. Hinzu kommt, dass man heutzutage nicht einfach sagen kann, "hey, hier ist der Bauplan, brenn' jetzt bitte mal ein paar Waver". Design und Fertigung müssen inzwischen knallhart aufeinander abgestimmt werden. Auch Eigenheiten des Fertigungsprozesses müssen teilweise in das Chipdesign bzw. den weiteren Fertigungsprozess einfließen (Chipherstellung ist ja nicht nur Waver brutzeln). Dafür benötigt man intimes Know How aus der Fertigung auch beim Designprozess und ggf. umgekehrt. Daher war es ja auch so schön, wenn alles aus einer Hand kommt: da kann man das wunderbar aufeinander abstimmen und für den ganz eigenen Bedarf rechts (Design) und links (Fertigung) finetunen.

Wenn Intel jetzt also auf die Idee kommt, "och, lass mal schauen was bei TSMC & Co. so geht", dann müssen die teilweise wieder zurück ans Reißbrett und kommen außerdem erst zum Zug, wenn da Kapazitäten frei werden.

Chipherstellung auf diesem Niveau (<10nm)) ist einfach TOTAL ABGEFAHREN GEIEL!

 

[Thy]

Fertigung von Intel-Chips bei TSMC würde theoretisch gehen, allerdings kostet das viel Geld, da die eigenen Fabs dann nicht ausgelastet sind und gleichzeitig noch TSMC bezahlt werden muss. Außerdem ist TSMC schon gut von anderen Firmen ausgebucht. So auf die Schnelle bekommt man da sicher keine größeren Fertigungsslots.

 

[Blubbie]

@ShieTar , dass Intel einige Sachen in 10nm macht wusste ich schon. Aber eben nicht die aktuellen "Flagships" siehe hier:



Von deiner Erklärung habe ich das so verstanden - Intel könnte jetzt auch alles in 10nm fertigen - dann würden die Prozessorren aber keinen Turbotakt von > 4 GHz hinkriegen?

Hmm das klingt ja dann auch wieder an einem grundsätzlichem Problem in der Architektur der Prozessoren. Aber das ist wahrscheinlich auch Top-Secret...

 

[Thy]

Hinzu kommt, dass sich auch bei der Fertigung einiges ganz fundamental geändert hat, nämlich dass es inzwischen bei den wesentlichen Maschinen für die Chipherstellung de fact eigentlich nur noch einen Hersteller gibt (ASML)

Und selbst ASML hatte Riesenprobleme, die EUV-Technologie in den Griff zu bekommen. Eigentlich grenzt es an ein technologisches Wunder, dass es nun doch funktioniert: https://semiengineering.com/euv-finally-arrives-now-what/

 

[Moeppel]

Zusätzlich zu dem, was die anderen bereits erwähnten ist es in dem Fab Business auch nicht unüblich, dass alle paar Jahre eine Konsolidierung stattfindet.

GF gehörte irgendwann mal AMD wenn ich mich nicht irre, wurde dann aber herausgelöst und war jahrelang AMD's Exclusivpartner mit Spezielverträgen. Diese wurden größtenteils mit Zen 1 gekippt, nachdem GF sich ebenfalls verschluckt hat.

Samsung, TSMC und INTC sind die big player und ggbf. noch Schmieden wie Micron, die meines Wissens nach aber keine CPUs herstellen.

Wenn man in dem Business den Anschluss verliert, heißt das meist das aus, da aufholen recht schwierig bis unmöglich wird. Intel steht gerade an dieser Kreuzung und entweder sie werden ihren Fertigungsprozess bald hinkriegen, oder haben eine massive Abschreibung an der Backe, zusätzlich zu dem Fakt, dass das produzieren in anderen Fabs ebenfalls sehr kostspielig ist. Natürlich könnte man die Fabs noch für anderes einsetzen statt sie einzustampfen oder abzuschreiben, dennoch wird selbst die beste Architektur nicht helfen, wenn der Fertigungsprozess nicht mitspielt. Intel fehlt gerade beides, ein Chipletdesign wie auch die Fertigung.

Wenn ich mich nicht irre ist das auch das erste mal, dass Intel keinen deutlichen Fabvorsprung mehr gegenüber AMD genießt.

Von deiner Erklärung habe ich das so verstanden - Intel könnte jetzt auch alles in 10nm fertigen - dann würden die Prozessorren aber keinen Turbotakt von > 4 GHz hinkriegen?

Eine Takregression wäre ist noch nebensächlich, wenn der IPC stimmt. Wären die CPUs mit 4.5ghz schneller als die 14nm 5.2 OC Teile, würde Intel diese vermutlich ablösen. Sind sie aber nicht und eine Regression in Leistung bzw. Perf/Watt ist in dem Feld unzumutbar.

 

[Besterino]

@Thy: jo. ASML hat im Prinzip über die Zeit alles rund um EUV aufgekauft (und zwar weil sie MUSSTEN, nicht weil sie wollten), um das überhaupt hinzubekommen. Das bisher übliche Miteinander mit diversen Zulieferern hat einfach nicht mehr gereicht. Da mussten oftmals (viel häufiger als vorher) Lösungen in der Praxis für Probleme entwickelt werden, die es vorher einfach noch nicht einmal theoretisch gab. Und das Niveau dann auch von 0 auf Massenproduktion heben, also für das fertige "Produkt" von Grundlagenforschung über Protypen bis hin zum Endprodukt oft alles neu - und das in so übel vielen Disziplinen. Das ist high tech am high end.

Ich kann da nur stumm den Hut vor der Leistung der Ingenieure ziehen. Darüber kommt aktuell m.E. nichts mehr.

 

[ShieTar]

Von deiner Erklärung habe ich das so verstanden - Intel könnte jetzt auch alles in 10nm fertigen - dann würden die Prozessorren aber keinen Turbotakt von > 4 GHz hinkriegen?

Hmm das klingt ja dann auch wieder an einem grundsätzlichem Problem in der Architektur der Prozessoren. Aber das ist wahrscheinlich auch Top-Secret...

Es ist bei jeder Fertigung so das es eine Streuung der maximal erreichbaren Frequenz gibt, basierend auf winzigen Unterschieden in Material und Herstellung. Die Chips werden allesamt vom Hersteller getestet, und dann in Produktkategorien eingeteilt. Wenn die CPU besonders viel Takt verträgt darf sie ein 10900K werden, wenn sie nicht so gut taktet, oder gar einer der Kerne nicht funktioniert, dann werden Kerne abgeschaltet und die CPU wird auf ein günstigeres Modell programmiert.

Wenn die Fertigung besser als erwartet funktioniert werden mehr gute CPUs produziert als der Markt haben will, und werden dann als günstigeres Modell verkauft. In solchen Zeiten bekommt man häufig günstige CPUs mit sehr viel Übertaktungspotential. Wenn hingegen der Prozess schlechter als erwartet funktioniert, bekommt man nicht genug hochwertige CPUs um überhaupt ein Spitzenprodukt anzubieten.

Das Problem hat mit der Architektur bzw. dem Design der Prozessoren wenig bis nichts zu tun, es geht primär um die Materialeigenschaften des dotierten Halbleiters die bestimmen wie lange man einen Transistor laden muß bis er mit absoluter Sicherheit genug Ladung gesammelt hat um seinen Zustand von "0" auf "1" zu ändern (oder umgekehrt).

Und die Tatsache das wir dir nicht exakt erklären können was das Problem ist hat vermutlich weniger damit zu tun das es "Top-Secret" wäre, und mehr damit das diese Prozess-Entwicklung nunmal enorm komplex ist. Sonst würden Intel&Co ja nicht für jeden Prozess-Wechsel Hunderte von Ingenieuren Jahrelang bezahlen müßen, bis das gewünschte Ergebniss erreicht wird.

Eine Takregression wäre ist noch nebensächlich, wenn der IPC stimmt. Wären die CPUs mit 4.5ghz schneller als die 14nm 5.2 OC Teile, würde Intel diese vermutlich ablösen. Sind sie aber nicht und eine Regression in Leistung bzw. Perf/Watt ist in dem Feld unzumutbar.

Die IPC ist alleine durch das Design bestimmt, und hängt nicht an der Fertigungsgröße. Das gleiche Design in 10 nm anstelle von 14 nm wird potentiell günstiger, weil man mehr CPUs pro Wafer herstellen kann, aber an den Fähigkeiten der Rechenwerke ändert sich erstmal nichts. Darum gab es in der Vergangenheit ja auch recht wenig IPC-Steigerung bei den reinen Prozess-Wechseln in Intels Tik-Tok-Phase (2->3. Generation, 4->5. Generation)

 

[Moeppel]

Die IPC ist alleine durch das Design bestimmt, und hängt nicht an der Fertigungsgröße. Das gleiche Design in 10 nm anstelle von 14 nm wird potentiell günstiger, weil man mehr CPUs pro Wafer herstellen kann, aber an den Fähigkeiten der Rechenwerke ändert sich erstmal nichts. Darum gab es in der Vergangenheit ja auch recht wenig IPC-Steigerung bei den reinen Prozess-Wechseln in Intels Tik-Tok-Phase (2->3. Generation, 4->5. Generation)

Korrekt, allerdings geht ein Nodesprung meist immer mit einem Effizienssprung einher, was entweder höheren Takt bedeutet bei ähnlichem Verbrauch oder gleiche Leistung bei weniger Vebrauch.

Letztlich war der Punkt: Würden die Intel Chips der 7/10nm Sparte die 14nm outperformanen (ohne dabei den Chiller in die Knie zu bringen ), hätte man das komplette Portfolio bereits vor langer Zeit umgestellt und wenn Intels 10nm Massaker nur der Vorgeschmack auf ein 7nm Massaker ist, dann sehe ich beim besten Willen kein Licht am Ende eines langen Tunnels - ein Tunnel der schon zur Hochzeit der Core-Serie viel zu lange war.

 

[HerrRossi]

okay - aber wenn Ich jetzt intel wäre - und sehe dass ich Probleme mit meiner Fertigung habe - dann könnte ich doch die Zeit überprücken und die 10nm oder die Chip-Genration XYZ doch einfach für dieses und nächstes Jahr z.b. von TSMC fertigen lassen.

Ich bin weit davon entfernt, Experte auf diesem Gebiet zu sein, aber ganz so einfach dürfte das auch nicht sein. So ein Chipdesign muss ja auch an den Produktionsprozess angepasst werden bzw. vice versa. Das kostet auch Zeit und Geld und dann ist es ja wohl auch nicht so, dass TSMC händeringend Arbeit suchen würde, die sind schon gut ausgelastet.

 

[HerrRossi]

Und selbst ASML hatte Riesenprobleme, die EUV-Technologie in den Griff zu bekommen.

Welche Belichtungstechnologie kommt eigentlich nach EUV? Röntgen- und Gammastrahlen hören sich für Halbleiter eher ungesund an

 

[HerrRossi]

ASML hat im Prinzip über die Zeit alles rund um EUV aufgekauft (und zwar weil sie MUSSTEN, nicht weil sie wollten), um das überhaupt hinzubekommen.

Mit Trumpf und Zeiss sind da auch zwei deutsche Unternehmen involviert.

 

[Thy]

Welche Belichtungstechnologie kommt eigentlich nach EUV? Röntgen- und Gammastrahlen hören sich für Halbleiter eher ungesund an

Nachfolger von EUV könnte Röntgenlithographie sein, wobei Wellenlängen um die 1 nm verwendet werden. Diese unterscheidet sich von der optischen Lithographie aber noch grundlegender als EUV, was Masken- und Lacktechnik angeht. Ansonsten wird auch an Elektronenstrahllithographie geforscht, welche aber wieder andere Nachteile, z.B. elektrische Aufladung, hat.

Edit: Ich möchte aber nicht wissen, wieviel eine solche Maschine dann kostet. Ein EUV-Belichter von ASML kostet schon läppische 120 Mio. €. Das liegt vor allem an der Plasmaquelle und den extrem hohen Anforderungen der Spiegeloptik (unter 0,25 nm Rauhigkeit).

 

[ShieTar]

Welche Belichtungstechnologie kommt eigentlich nach EUV? Röntgen- und Gammastrahlen hören sich für Halbleiter eher ungesund an

Möglicherweise reicht EUV mit ein paar Verbesserungen aus um bis zur kleinsten sinnvollen Strukturbreite zu kommen. Irgendwann sind nicht mehr genug Atome im Bauteil um als klassisches elektronisches Bauteil zu funktionieren. Bereits bei aktuellen Strukturen tragen die Leckagen durch quantenmechanische Tunnelströme ein erheblichen Beitrag zu den Leistungsverlusten bei. Außerdem benötigt man eine gewisse Anzahl an Elektronen um ein Signal mit hohen Signal-Rausch-Verhältnis zu übertragen, da bei zu wenigen Ladungsträgern das unvermeidbare Schrotrauschen zum Tragen kommt.
Strukturbreiten von ~1 nm oder gar weniger sind sehr unwahrscheinlich. Und da wir mit 193 nm Licht die Fertigungstechniken bis 10 nm realisiert haben, reicht EUV (derzeit ~13 nm) möglicher völlig aus um die kleinste sinnvolle Strukturbreite zu erreichen.

 

[rockys82]

Was daran ist denn überhaupt noch 14, 10 oder 7nm außer irgendwelcher Zwischenlagen usw. das ist wie damals mit irgendwelchen Watt angaben mit Boxen nannte sich PMPO, Schwachsinn der seinesgleichen sucht!

Ich glaube egal von wem diese angaben kommen niemanden mehr, am Ende zählt was ich als Endverbraucher an Leistung bekomme und PL, bei Verbrauch, IPC und Temperatur, die zahlen selbst gehen mir am Arsch vorbei egal wie süß mit Sahne und Zuckerguss mir das Marketing irgendetwas verspricht oder nicht.

 

[Thy]

Das einfachste Vergleichsmerkmal zwischen den einzelnen Prozesstechnologien ist die Transistorendichte pro qmm. Es gibt schon einige Abmessungen in den Chips, die kleiner als 10 nm sind, z.B. die Breite der Siliziumfinnen der MOSFETs. Ansonsten hat die Knotenbezeichung, z.B. 7 nm, keine direkte Entsprechung im Chip selbst mehr, wie dies bei älteren Prozesstechnologien (bis etwa 22 nm) der Fall war, wo damit die effektive Gatelänge bezeichnet wurde.