News Intel zum IEDM 2022: Höher, Schneller und Weiter in der Chipindustrie

[Beitrag]

was meinst du mit Leckströme ,heißt es wird dann heißer.Es mag zwar dann weniger Strom verbrauchen aber kühler wird es also nicht.Das wolltest du damit zum ausdruck bringen?
Ich dachte immer je weniger Spannung desto besser wären die Temperaturen.Scheint wohl nicht immer so zu treffen.

Es gibt in CMOS-Schaltkreisen im Wesentlichen zwei Arten von Verlusten: Schaltverluste und Leckstromverluste. Nehmen wir mal die einfachste CMOS-Grundschaltung als Beispiel, einen Inverter. Sagen wir mal, die Versorgungsspannung Vdd beträgt 5 Volt. Wenn bei Vin 5 V anliegen, sperrt der obere Transistor und der untere leitet. Das Ausgangssignal Vout wird vom unteren Transistor also auf 0 Volt gezogen. Liegt bei Vin 0 Volt an, leitet nur der obere Transistor, das Ausgangssignal Vout wird auf 5 Volt gezogen. Daher die Bezeichnung "Inverter".
Wenn man eine digitale CMOS-Schaltung hat, verwendet man ein Taktsignal. In diesem Beispiel legen wir jetzt mal an Vin einen Takt von 1 GHz an, sprich, wir wechseln eine Milliarde mal pro Sekunde zwischen 0 Volt und 5 Volt. Das heißt, die beiden Transistoren müssen eine Milliarde mal pro Sekunde zwischen leitend und nicht leitend wechseln. Ein Transistor schält, indem sein Gate umgeladen wird. Wenn Vin auf 5 Volt liegt, fließt ein Strom von Vdd in die Gates. Wenn Vin wieder auf 0 Volt schält, fließt ein Strom von den Gates gegen Masse (Vss). Dieses Umladen der Gates beim Takten sind die Schaltverluste. Die Leckverluste stehen für den Strom, der ungewollt durch die beiden Transistoren von Vdd zu Vss fließt, ohne dass gerade umgeschalten wird.

Eine Analogie
Stell dir ein Waschbecken vor. Du drehst den Wasserhahn auf und füllst etwas Wasser in einen Becher, wartest einen Moment und dann kippst du das Wasser ins Waschbecken und es entweicht durch den Abfluss. Einen Moment später drehst du den Wasserhahn wieder auf, füllst den Becher wieder auf, wartest wieder einen Moment und kippst das Wasser dann erneut in den Abfluss. Und so weiter.
So kannst du dir die Schaltverluste vorstellen.
Wenn du das Auffüllen und Leeren des Bechers ganz schnell machst, fließt pro Minute deutlich mehr Wasser in den Abfluss. Das ist dein Takt. Taktest du doppelt so schnell, verbrauchst du doppelt so viel Wasser.
Wenn du einen größeren Becher nimmst, verbrauchst du ebenfalls mehr Wasser. Das entspricht der Gatekapazität des Transistors. Desto kleiner der Transistor ist (kleine Strukturgrößen in der Fertigung), desto kleiner ist dieser Wert.
Wenn du ganz schnell takten willst, kommt irgendwann dein Wasserhahn nicht mehr hinterher. Du kriegst den Becher gar nicht mehr voll, bevor es schon wieder an der Zeit ist ihn zu entleeren. Das ist wie, wenn du den Takt deiner CPU anhebst und es irgendwann zu Programmabstürzen kommt, weil die Zeit zu kurz ist, um die Gates in der Schaltung alle komplett umzuladen.
Du könntest das Problem lösen, indem du einen kleineren Becher nimmst. Die CPU-Hersteller machen das, indem sie eine kleinere Strukturgröße bei der Fertigung der CPU verwenden. Du selbst kannst aber keinen anderen Becher nehmen, der ist gesetzt.
Weil du deinen Becher aber unbedingt schneller mit Wasser füllen möchtest, gehst du jetzt in deinen Keller und spielst an der Wasserpumpe rum. Du schaffst es, den Wasserdruck um 1 Bar zu erhöhen und hast jetzt deutlich mehr Saft auf der Leitung. Wenn du jetzt den Wasserhahn wieder aufmachst, schießt das Wasser viel schneller raus und du schaffst es wieder den Becher rechtzeitig vollzumachen.
Das Problem: Jetzt muss deine Wasserpumpe nicht nur mehr Wasser pumpen, sie muss auch noch einen höheren Wasserdruck erzeugen. Wenn du auf diese Weise den Takt erhöhst, ist das also gleich doppelt schlecht. Deine Wasserpumpe verbraucht jetzt viel mehr Strom.

Das Erhöhen des Wasserdrucks entspricht in der Analogie dem Erhöhen der Spannung. Die Schaltverluste steigen linear mit der Gatekapazität und dem Takt und quadratisch mit der Spannung. Deswegen will man bei modernen Schaltungen gerne die Spannung senken. Stell dir vor, du baust größere Wasserleitungen und einen anderen Wasserhahn ein, der auf niedrigen Druck optimiert ist.
Damit schaffst du dann einen höheren Durchsatz bei gleichem Wasserdruck oder du senkst den Wasserdruck ab und schaffst dann aber immer noch den gleichen Durchsatz wie mit dem alten Wasserhahn.

Aber wie du ja weißt, kann es passieren, dass ein Wasserhahn tropft. Leckt. Das passiert einem Transistor auch. Selbst wenn er aus ist, kann ein kleiner Strom durchfließen. Das sind die Leckstromverluste. In meiner Analogie wäre das Problem jetzt, dass die auf niedrigen Druck optimierten Wasserhähne alle schlechte Ventile hätten.

Du kannst also immer weiter den Wasserdruck reduzieren, musst den Wasserhahn dann aber so umbauen, dass er immer stärker tropft. Irgendwann erreichst du einen Punkt, wo der Wasserhahn so doll tropft, dass du immer die ganze Leitung abdrehst, wenn du ihn grad nicht benutzt. Erst, wenn du wieder mit deinem Becher spielen willst, drehst du die Leitung wieder auf, weil dir sonst einfach zu viel Wasser durch den tropfenden Wasserhahn abgehen würde.
An diesem Punkt sind wir heute. Das Spiel noch weiterzutreiben bringt dann nicht mehr viel, denn selbst, wenn du den Wasserdruck noch weiter runterbekommst, irgendwann tropft das so doll, dass du dadurch gar nicht mehr sparst und vor allem läuft dann selbst wenn der Wasserhahn aus ist immer 'ne gute Menge an Wasser in deinen Becher. Wenn er leer sein sollte, aber nicht richtig leer ist, macht das bei ein paar Tropfen noch nichts aus, aber irgendwann kannst du gar nicht mehr genau sagen, ob er jetzt leer oder voll ist und an dem Punkt funktioniert dann deine ganze Schaltung nicht mehr.

Soviel dazu. Woran Intel also gerade forscht, sind bessere Wasserhähne.

 

[Nolag]

na meinte im Desktop Bereich.

Die CPUs werden auch inzwischen in Mini PCs verbaut. Die Unterscheidung zwischen Desktop und Notebook CPUs ist ja rein künstlich. Bei Apple gibt es diese Unterscheidung bereits nicht mehr und auch bei AMD und Intel werden Notebook CPUs auch für kompakte Desktop PCs verwendet. Der 5700G ist ja auch eine Desktop CPU, und der Nachfolger ist überfällig.

 

[Alexander2]

Soviel dazu. Woran Intel also gerade forscht, sind bessere Wasserhähne.

Ich sehe das am Montag schon in allen Zeitungen, "Intel Forscht jetzt an besseren Wasserhähnen"

 

[cedon]

Es gibt in CMOS-Schaltkreisen...

vielen dank für die super erklärung^^ besonders für deppen wie mich und oder leute die bei elektrotechnik nur bahnhof verstehen

Soviel dazu. Woran Intel also gerade forscht, sind bessere Wasserhähne.

also ohne den kontext gelesen zu haben, könnte man diesem satz unterstellen daß das was intel macht/forscht nur pille palle ist
ansonsten kann ich nur sagen: der satz zum sonntag

 

[Nolag]

Ich sehe das am Montag schon in allen Zeitungen, "Intel Forscht jetzt an besseren Wasserhähnen"

Ja, das passt schon. Wenn sie nämlich nicht erfolgreich sind, dann brauchen wir eh CPUs, wo sich das Wasser direkt durch den Die spülen lässt, weil sie sich sonst nicht mehr kühlen lassen (IBM Cools 3-D Computer Chips With Water).

 

[Alexander2]

Ja, an die IBM Entwicklung hab ich auch sofort gedacht, als ich Wasser durch den Die gelesen hab Das wär schon was. Aber die Preisleistung wird dabei schlecht sein ;-)

 

[Skysnake]

Lesen kannst du oder? Es sind vier Blades mit je einem Epyc. Es sind also vier getrennte Server im kompakten Format. Vom selben Hersteller bekommst auch eine Dual Xeon Variante mit max 2x40C pro Blade.

Ich will die Leistung nicht schmälern, es ist viel Rechenpower auf zwei HE, aber eben kein 4xEpyc Server und nichts was heutzutage irgendjemand vom Hocker reissen würde.

Was ist jetzt daran bitte besonders? 4N2U Systeme sind Standard. Da hast du 8 CPUs auf 2U. Das ist nicht sonderlich dicht. Wenn du dir bladecenter anschaust, kommst du teils auf 6 CPUs pro U. Wirklich dichter wird es dann eher nicht mehr.

@Volker
So ganz verstehe ich nicht, woher die 150mV kommen. Wen ich mir das Diagramm anschaur steht da +/-150mV. Also 300mV Swing. Das ist halt kein CMOS, wo man nen Swing bezüglich der Versorgungsspannung hat.

Das ist jetzt aber nicht neues. Es gibt nicht nur CMOS Logik sondern auch TTL oder CML Logik, die ohne full Swing arbeiten.

Die haben aber auch schon früher mit so kleinen Swings gearbeitet. Wenn ich mich recht erinnere habe ich in 65nm HP von TSMC mit 200mV Swing gearbeitet. Das ist also nichts besonderes.

Beachten muss man aber, dass da nen Offset Wpannubg ist. Bei mir waren das 600mV oder so. Hier ist es deutlich weniger.
Q
Man wird hier aber wohl weiterhin in Strong inversion arbeiten. Da verhalten sich Transistoren bezüglich Steom linear zur Gate-Drain Spannung.

Das ist alles alter Kaffee. Es gibt auch schon seit langem Multi Threshhold (also die Spannung um in die Strong inversion zu kommen. 65nm hat da z.b. Transistoren mit drei Threshhold Spannungen gegeben. High normal und low Vt.

Soweit ist das alles nichts neues. Wäre cool, wenn ihr da vielleicht nochmals drüber geht. Gerne kann ich mir das auch mal anschauen und paar Sätze zu schreiben

Btw kann man Transistoren auch in weak inversion betreiben. Also unterhalb der threshhold Spannung. Dann verhält sich der Strom exponenziell zur Spannung.

DAS ist richtig gut zum Energie sparen und wird teils auch gemacht, aber 1. Ist das dann verdammt langsam und 2. Hat man das Problem der Fertigungsschwankung extrem.

 

[Volker]

Artikel-Update: In einem Vortag hat Ann Kelleher, General Manager of Technology Development bei Intel und damit zuständig für die Umsetzung der Roadmaps in der Fertigung, Details zu eben genau jener gegeben. Demnach laufe alles wie geplant oder sogar besser, etwas, das Intel Investoren zuletzt bereits des Öfteren verkaufen wollte. Der Schritt Intel 4, der die erstmalige Nutzung von EUV einschließt, sei bereit für die Fertigung.

Wie üblich haben die Technologien aber deutlichen Vorlauf, die entsprechenden Produkte folgen dann binnen eines Jahres. Das wiederum dürfte auch für die zukünftigen Lösungen im grober Fahrplan passen, das entsprechende Datum plus ein Jahr für das Produkt im Markt.

[Bilder: Zum Betrachten bitte den Artikel aufrufen.]​

 

[Salutos]

etwas, das Intel Investoren zuletzt bereits des Öfteren verkaufen wollte.

Im badischen gibt es ein Sprichwort dazu.
"Immer den Kopf oben halten, auch wenn der Hals schmutzig ist"
oder im Dialekt
"Imma da Kopf owe losse, au wenn da Hals dregig isch" 😉

 

[Rickmer]

Die wollen jedes Halbjahr einen Process Node weiter gehen? Glaubt ihr das wirklich, Intel?

 

[Cool Master]

Zumindest seit Ingenieur Gelsinger das Zepter übernommen hat tu sie sehr viel für de Fortschritt der Computerwelt.

Genau deswegen sollten Tech Unternehmen ein CEO mit einem technischen Hintergrund haben und kein BWLer, Jurist oder sonst etwas. Wie will man ein Unternehmen führen wenn man das Produkt nicht kennt? Und ich meine nicht nur die Specs sondern wirklich wie das Produkt funktioniert und wie es hergestellt wird sei es Fertigung oder Entwicklung.

@Rickmer

Mit Pat am Steuer kann ich mir das schon vorstellen. Wenn nicht gibt es halt Entlassungen...

 

[Volker]

Die wollen jedes Halbjahr einen Process Node weiter gehen? Glaubt ihr das wirklich, Intel?

Ja das glaubt halt keiner nach dem Desaster der letzten Jahre. Aber Intel 4 ist ja quasi erstmal nur Einführung von EUV .. so 4 Jahre nach TSMC. Der Rest baut dann darauf auf.
Interessant wird es halt mit GAA .. und da ist der Zeitplan letztlich ziemlich ähnlich wie bei TSMC. Sie wollen nun halt parallel laufen und nicht weiter hinterher. Also Hexenwerk ist es pauschal nicht, aber klar, irgendwie fraglich.

 

[bensen]

Die wollen jedes Halbjahr einen Process Node weiter gehen? Glaubt ihr das wirklich, Intel?

Half-Node, wenn überhaupt. Da sind ja keine großen Sprünge zwischen 4 und 3 und 20A und 18A. Das ist wie N5 und N4.

 

[Salutos]

Interessant wird es halt mit GAA .. und da ist der Zeitplan letztlich ziemlich ähnlich wie bei TSMC

Hintergrund hierfür ist, wenn es die eigene Fertigung nicht hinbekommt, lässt man es bei TSMC fertigen.
Das bremst zumindest nicht mehr die eigene Produktentwicklung und Einführung aus.
Es wird dann spannend wer wieviel von TSMCs Fertigungskapazität erhält.

 

[latiose88]

Ich finde es echt Spannung und mal sehen welche großen Sprünge man noch so erwarten kann. Da AMD ja schon auf 5nm sind, wird dann nächtes Jahr villeicht auf 4nm gewechselt. Das bringt auch leichte Verbesserungen mit sich. Wie groß es dann zu 3 nm sein wird und wie es dann bei 2nm aussieht, das weiß wohl selbst tsmc noch nicht. Und darum ist ja auch fraglich WIe Intel das toppen will. Weil besser als tsmc wird Intel ja nicht sein aber zumindest die richtige Richtung schlägt Intel ein. Da kann ich mich schon mal jetzt auf einen super Schlagabtausch rechnen. Ob Intel schon Ende nächtes Jahres den Nachfolger bringen wird und es dann zu einer ordentlichen leistungssteigerung kommen wird.
Ich bin ehrlich, mir ist da noch zu wenig leistungssteigerung beim i9 13900k und ryzen 9 7950x. Ich brauche halt noch viel mehr leistung als die beiden dazu in stande sind. Also Intel schaue das du die fertigung in den Griff kriegst, das es dann mit der leistungs Steigerung weiter gehen kann. Denn das ist halt einfach zu wenig für mich. Die CPU Leistung muss richtig rein hauen. Vileleicht findet ja Intel oder andere neue Techniken um noch mehr aus dem ganzen wie ferigung herausholen kann,wer weiß.