AMD bakt zijn Ryzen-chips op 3 nm, Intels nieuwste Cure Ultra-chips worden op 1,8 nm of 18 Angström gebouwd. Wat betekenen die nanometers nu precies en wat zeggen ze echt over de prestatie van een chip?
Intels Core Ultra processors van de derde generatie, oftewel Panther Lake, wordt vervaardigd op Intels eigen 18A-bakproces. 18 staat voor 18 Angström of 1,8 nanometer. AMD laat zijn Ryzen-cpu’s bouwen in de fabrieken van TSMC, en dat op 3 nm. In de nabije toekomst zal AMD 2 nm bij TSMC omarmen.
Er wordt heel wat heen en weer gebokst tussen Intel en TSMC wat die nanometer-benamingen betreft. Wat Intel 18A noemt, zou bijvoorbeeld identiek zijn aan wat TSMC als 5 nm omschrijft. Het onderscheid is belangrijk: het formaat van een productienode heeft een directe impact op de prestaties van de chips. Nu Intel met Panther Lake opnieuw een plaats aan het technologische voorfront inneemt, AMD zich heeft ontpopt tot een te duchten concurrent, 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. 7 nm, 5 nm, 3 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 4 nm-node, wat betekent dat die chips gefabriceerd worden met een verzameling moderne technologie die onder de noemer ’4 nm’ leeft.
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 vijftien 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.
ITRS werd in 2017 afgevoerd, al bestaat er met de International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) wel een opvolger. Het belang daarvan is kleiner. 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.
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 nm en 3 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 4 nm naar 3 nm of zelfs 1,8 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.
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, RibbonFET, 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. 3 nm is beter dan 5 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 1,8 nm Panther Lake-chips structureel superieur zijn aan de 3 nm Arrow Lake-processors.
3 nm is beter dan 5 nm. Verrassing?
Een vergelijking tussen fabrikanten maken, is wel moeilijker geworden. AMD’s 3 nm Ryzen-chips worden gebakken door TSMC. Een kleinere node zorgt voor betere chips, maar node-namen zijn het eigendom van het marketingdepartement. Is 3 nm bij TSMC daarom werkelijk kleiner dan bijvoorbeeld 4 nm bij Intel?
De cijfers achter de node
Om zo’n claim te onderzoeken, moeten we op zoek gaan naar meer objectieve parameters. Concreet gaat het om de Contacted Gate Pitch en de Minimum Metal Pitch. De Gate Pitch is grosso modo de minimumafstand tussen transistors op een chip, terwijl de 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.
We kijken ter verduidelijking naar de 3 nm- en 4 nm-nodes van Intel en TSMC. TSMC’s N4-node heeft een gate pitch van 51 nm en een metal pitch van 28 nm. Intel 4 heeft gelijkaardige cijfers met 50 nm en 30 nm. Voor de TSMC N3E-node daalt de gate pitch naar 48 nm en de metal pitch naar 23 nm. Voor de Intel 3-node blijven we op 50 nm en 30 nm steken.
Daaruit blijkt dat wat Intel Intel 3 en Intel 4 noemt, dicht aanleunt bij TSMC N3E en TSMC 4. Het verschil tussen 4 nm en 3 nm is in beide gevallen slechts klein, wat impliceert dat de node-verkleining van 4 nm naar 3 nm toch ook voor een stuk door marketing was ingegeven.
Voor Intel 18A en TSMC N2 is de vergelijking moeilijker te maken. TSMC zou met N2 wel een hogere dichtheid behalen dan Intel 18A (238 MTx/mm² vs 313 MTx/mm² – miljoen transistors per vierkante millimeter). Intel 18A zou dan weer meer prestaties kunnen leveren. Het lijkt er alleszins op dat beide nodes aan elkaar gewaagd zullen zijn, ook al suggereert Intel met de 18A-benaming dat het een voorsprong heeft.
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 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 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 die is kleiner.
Conclusies trekken
Daarom kan je dus stellen dat Intel Panther Lake (Intel 18A) inherent beter is dan Meteor Lake (Intel 4), 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 weinig zeggen over Panther Lake versus AMD-chips op basis van gebakken op de TSMC 2N-node. 1,8 nm lijkt kleiner dan 2 nm, maar zoals we hierboven in detail uiteenzetten, is dat in processorland niet altijd waar.
Dit stuk verscheen oorspronkelijk op 29 augustus 2019. Het kreeg een update met de recentst beschikbare informatie.