Fertigungstechnologien: Intel-Chefs sprechen über 10, 7, 5, 3, 2 und 1,4 nm

Im Rahmen zweier Konferenzen haben die beiden höchsten Angestellten von Intel, CEO Robert Swan und Chief Engineering Officer Venkata Renduchintala, über die Zukunft des Konzerns geredet. Viele Frage drehten sich dabei um die Produktionsprobleme bei 14 nm sowie 10, aber auch den Blick in die Zukunft mit 7 und 5 nm.

14-nm-Chips sind das aktuelle Brot- und Buttergeschäft bei Intel. Da jedoch fast alles in dieser Fertigungsstufe gebaut wird, hat der Halbleiterhersteller extreme Kapazitätsprobleme. Nicht nur, weil die Chips immer mehr Kerne bekommen und damit mehr Platz auf einem Wafer benötigen, es sind die zusätzlichen Produkte, die Intel in die Problemzone gebracht haben.

So ging Intel ursprünglich davon aus, auch heute nur die Hälfte an Apple-Modems zu produzieren, doch Apple warf Qualcomm raus und Intel wurde einziger Zulieferer. Hinzu kam, dass man unbedingt alle Chipsätze auf 14 nm in den eigenen Werken fertigen musste, was die Kapazitäten extrem forderte. Die im Jahr 2019 geschaffenen zusätzlichen 25 Prozent mehr Kapazität verpufften so bereits fast vollständig, mehr CPUs konnten letztlich kaum gebaut werden, weshalb die Probleme in dem Bereich nun seit fast eineinhalb Jahren andauern und auch in naher Zukunft weiter bestehen werden. Deshalb will und muss Intel auch 2020 die Kapazität weiter erhöhen.

Intels Chief Engineering Officer betonte dabei, dass der aktuelle 14-nm-Prozess rund 70 Prozent besser sei als der Ursprung. Denn auch dieser war zu Anfang alles andere als gut, Broadwell hatte viele Probleme, denn bereits damals hatte sich Intel übernommen, statt des klassischen Scalings von einer Fertigungsstufe zur nächsten, die dem Faktor 2x entspricht, hatte Intel 2,3x angestrebt. Das ging zu Beginn fast in die Hose und brauchte auch gut ein Jahr länger als üblich, spätestens mit Skylake war die Geschichte aber zum Guten gewendet. Doch aus dem Problemen seinerzeit hatte Intel nicht gelernt, für den nächsten Schritt wurde gar ein Scaling von 2,7x angestrebt. Das ging quasi komplett schief: die 10-nm-Fertigung.

Die unendliche Geschichte mit Intels 10-nm-Fertigung

2,7x statt 2,0x ist auf dem Papier nicht viel, doch in der Branche eine kleine Welt. Intels Chief Engineering Officer betonte, dass bei der Entwicklung die unterschiedlichen Teilbereiche die Vorgaben erfüllten. Doch wurden sie zu dem finalen Produkt zusammengefügt, ergaben sich ganz neue und riesige Problemfelder. Der Fokus auf Moores Law und immer mehr Leistung hatte zur Folge, dass das Endprodukt nicht funktionierte. Cannon Lake zeigt das unter anderem daran, dass der CPU-Part zwar existent ist, die GPU aber stets komplett deaktiviert ist – obwohl sie ja eigentlich vorhanden ist. Diese verlorene, erste 10-nm-Generation wurde letztlich zugunsten von Ice Lake aufgegeben. Ohne Kompromisse jedoch, betont Intel, was man sich vorgenommen habe, sei nun auch umgesetzt.

Ice Lake kam in diesem Jahr gleich in 10+ auf den Markt. Hier wurden direkt im Design noch Änderungen vorgenommen, sodass am Ende komplett funktionsfähige CPUs herausgekommen sind. Doch noch ist die Fertigungstechnologie am Anfang, die Taktraten insbesondere für Intel-Verhältnisse sehr gering, nur ein überzüchteter Chip schafft bisher 4 GHz. Doch dass soll sich ändern, schon Anfang 2020 will Intel Chips in 10++ ausliefern, als Client-Produkt, wie Intels Chefingenieur betont. Damit dürfte Tiger Lake gemeint sein, denn Ice Lake-SP für den Server bestätigte er für Ende 2020. Man sei bei 10 nm nun an dem Punkt angekommen, an dem man vor dem eigenen Zeitplan liege, erklärte er zu der Thematik abschließend.

Bei 7 nm will Intel vorsichtiger sein

Laut CEO und Chief Engineering Officer wird Intel bei 7 nm zurück auf das klassische 2,0x-Scaling zurückwechseln – nun scheint der Hersteller wirklich gelernt zu haben. Ein einfacheres Design gepaart mit viel erworbener Erfahrung bei EUV soll helfen, dass das erste Produkt auch Ende 2021 verfügbar wird. Dabei setzt Intel bewusst auf GPUs und nicht CPUs, da sich die bei neuen Fertigungstechnologien etwas leichter fertigen lassen und die Skalierung schneller umsetzbar ist. Gleichzeitig soll es zeigen, dass Intel nicht mehr nur für CPUs steht.

Bob Swan als Intel-Chef vergleicht die 7-nm-Fertigungsstufe dabei direkt mit TSMCs 5-nm-Design, was in den Branche als durchaus zutreffend angesehen wird. Die Taiwaner haben in dieser Woche erneut erklärt, ab dem ersten Halbjahr 2020 in die Serienproduktion von 5 nm gehen zu wollen. Damit wäre der Abstand zwischen den vielleicht vergleichbaren Chips noch immer 1,5 Jahre groß.

5 nm setzt ab 2023 auf die zweite Generation EUV

Für die eigene 5-nm-Fertigung befindet sich Intel noch im Findungsprozess. Fest steht, dass dieser die zweite Generation EUV nutzen wird, also mit mehr Layern als zuvor, die dann mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Hier blickt Intel nicht nur auf die klassische Verkleinerung, sondern neue Baustellen wie den Interconnect zwischen den Transistoren. Dieses Problem hat auch TSMC erkannt, deren 3-nm-Design steht vor ähnlichen Baustellen. Intels CEO denkt dazu passend, dass diese beiden Fertigungsstufen konkurrieren werden.

Intel-Pläne bis 1,4 nm und Backport-Möglichkeit

Im Rahmen des parallel ablaufenden IEDM hat ASML in dieser Woche die groben Pläne von Intel bis zum Jahr 2029 umrissen, was die Fertigung anbelangt. Wie WikiChip berichtet, taucht dabei in stetiger Kadenz eine neue Fertigungsstufe auf, auf 7 nm folgt bekanntlich 5 nm, dann geht es über 3 und 2 nm zur 1,4-nm-Fertigung.

Die Auslegungen dürften jedoch extrem, wenn nicht gar übertrieben optimistisch sein. Intel selbst betont nach außen bisher, zu einem Wechsel in der Fertigung von 2 bis 2,5 Jahren zurückkehren zu wollen. In der Roadmap ist nicht einmal auch nur eine kleine Zeitspanne mehr eingebaut, alles geht vom kompletten Idealfall von 2 Jahren aus – das hat schon seit der 22-nm-Fertigung nicht mehr funktioniert und ist seitdem komplett zusammengebrochen. Hier muss Intel nun erst einmal wieder beweisen, dass es nach den extremen Problemen bei 10 nm die nächste Lösung 7 nm pünktlich liefern kann.

Viel interessanter sind jedoch die kleinen Details, allen voran die Backport-Möglichkeit. Intel scheint ab der 7-nm-Fertigung das Design der Chips so verändert zu haben, dass sich dies auf einen älteren Schritt zurückportieren lassen soll. Die grundlegende 7-nm-Fertigung soll dabei bei 10++ ansetzen, während sie später oder bei Bedarf auf 10+++ zurück portiert werden könnte. Gleiches gilt dann für alle folgenden Generationen, 5 nm soll sich auf 7++ zurück portieren lassen und so weiter. Gerüchte, dass ein 10-nm-Chip auf 14 nm portiert wird, untermauert heute keine Information. Es könnte aber als kleiner Testlauf Anwendung finden, für CPUs in der zweiten und dritten Reihe, während die Topmodelle in der besten Fertigungsstufe erscheinen. Dies dürfte auch für die Zukunft das wahrscheinlichste Szenario sein, die Reanimierung eines 22-nm-Pentiums in der letzten Woche lässt sich so entsprechend deuten.

In Intels eigener Roadmap ist jedoch nicht mehr von 3, 2 und 1,4 nm die Rede, hier haben sie die internen Codenamen wie N2027 verwendet. ASMLs Angaben dürften stimmen, was sich am Ende aber wirklich darunter verbirgt, wird die Zukunft zeigen. Die originale Roadmap hat zudem ihrem Ursprung schon im Mai dieses Jahres und ist laut Intel-Kritiker Charlie Demerjian bereits überholt.

Die Backport-Möglichkeit könnte weitreichende Folgen haben. Bisher ist das schlichtweg nicht möglich, denn das Design muss von Grund auf für die Möglichkeit ausgelegt sein. Intels Chefingenieur betonte, dass sich die Designrichtlinien und alles dazugehörige in Zukunft deutlich vereinfachen sollen. Bisher gilt dort Intels Methodik in der Branche als sehr speziell, unter anderem ein Grund, warum Intel als Foundry-Geschäft für andere Hersteller quasi keine Kundschaft hat: es dauert zu lange und ist zu kompliziert.

Intels Chips sind vollständig auf das jeweilige Verfahren geprägt, was es quasi unmöglich macht, damit zu einer anderen Foundry zu wechseln. Das klappt weder bei Prozessoren, noch bei Chipsätzen, die Intel in das 14-nm-Dilemma getrieben haben. Auch diese müssten quasi komplett neu aufgelegt werden, um sie von einem anderen Hersteller bauen zu lassen, weshalb die stetigen Gerüchte, dass Samsung plötzlich und ganz schnell Intels Chips fertigen wird, jeglicher Grundlage entbehren. Zum Thema Fremdfertigung sagte Intel passend, dass sich an den 20 bis 25 Prozent, die bereits seit 20 Jahren immer von externen Firmen für Intel gebaut werden, sich auch in Zukunft nichts ändern soll.