Včera Intel odhalil najednou velkou řadu novinek ve svých technologiích v rámci akce Intel Architecture Day 2020. Nejpodstatnější z nich bylo odhalení či oznámení architektury nových procesorů Tiger Lake neboli Core 11. generace. Ještě předtím, než se k nim dostaneme v samostatném článku, se ale musíme zabývat výrobním procesem, na kterém vzniknou. Ten je nominálně 10nm, a tedy jako by zdánlivě nešlo o nic nového. Opak je však pravdou, 10 nm u procesorů Tiger Lake je zásadní změna a zdá se, že vlastně nejdůležitější součást jejich receptury.
Už delší dobu je známo, že procesory Tiger Lake přinesou vylepšený proces, kterému by dřív Intel říkal „10nm+“ (i když je možné, že tak chtěl Intel původně říkat už procesu Ice Lake a ten u Tiger Lake by byl „10nm++“). Toto včera Intel skutečně potvrdil, ovšem vypadá to, že ona zlepšení jsou opravdu hodně výrazná a budou dělat větší rozdíl, než by indikovalo jednoduché „plusko“. Intel tento vylepšený proces označuje značkou SuperFin, proces je tedy 10nm SuperFin nebo 10SF.
Mimochodem, Raja Koduri jako anekdotu řekl, že i samotní inženýři v Intelu prý někdy mají problém si zapamatovat, kolik plusek má oficiálně která verze procesů. I z tohoto důvodu bude odlišování vylepšených verzí výrobní technologie pomocí plusů opuštěno a nyní budou použita takováto označení.
10nm SuperFin: úplně jiný level 10nm procesu
Tento upgrade v rámci 10nm procesu, který s Tiger Lake přichází, je údajně dosud největší pokrok, jaký byl učiněn „vnitrogeneračně“. A má údajně dopad srovnatelný s přechodem na úplně novou generaci procesu (zlé jazyky to ale možná budou interpretovat tak, že konečně přinese takové zlepšení proti 14nm technologii, jaké se od 10 nm původně čekalo hned na začátku). Zatímco jednotlivá pluska u 14nm dávala podle Intelu vždy 4–6% zlepšení výkonu, proces 10SF údajně znamená proti původnímu 10nm procesu rozdíl celých 17,5 %.
V procesu 10SF jsou jinak zachované technologické postupy původního/současného 10nm procesu. Je použitá self-aligned čtyřnásobná expozice a kobaltové kontakty, u nichž se spekulovalo, že stály za problémy Intelu (ale kdo ví...). Rovněž je potvrzeno použití techniky Contact Over Active Gate (COAG). O co jde, asi pochopíte ze slajdu, kde je vše znázorněno (vpravo).
V klasickém tranzistoru FinFET musí brána zasahovat kousek mimo tranzistor, aby vzniklo místo, kam lze umístit kontakt pro vodič kovové vrstvy. U COAG je možné tento kontakt umístit rovnou na vršek brány přímo v místě nad procházejícími kanály tranzistoru. Toto je složitější na výrobu, ale je tak možno tranzistory více zahustit a zmenšit tím čip – respektive do stejné plochy dostat více tranzistorů.
SuperFin
Slovo „fin“ se používá pro strukturu kanálu v 3D tranzistoru Fin-FET. Kanál je v něm vertikální hranolek stoupající ze základní roviny; řídící brána tranzistoru je pak nanesena na tento fin, takže ho obklopuje zeshora a ze stran. Čím větší je takto obklopený obvod finu, tím efektivněji dokáže brána kanál „zavřít“. Díky tomuto FinFETy dokáží fungovat v podmínkách, kdy by se klasický planární tranzistor (s plochým kanálem a bránou sedící v rovině na jeho horní straně) už nechytal.
U FinFETů je proto velmi důležitým parametrem výška onoho finu (výčnělku), protože čím vyšší, tím větší pokrytí branou se dá vytvořit. Zároveň teoreticky tímto nestoupá plocha zabraná tranzistorem (netrpí hustota tranzistorů), takže co největší výška je velmi žádoucí – ale vtip je v tom, umět to spolehlivě vyrobit v množství miliard na centimetr čtvereční. Nabízelo by se proto, že SuperFin zvýšil finy 10nm tranzistorů, ale toto Intel nikde neuvádí. Tranzistor je u SuperFin procesu „redesignovaný“, ale spočívá to zdá se hlavně v jiných věcech.
Snížená hustota kritických tranzistorů
Intel uvádí, že byla poněkud uvolněna (zvětšena) rozteč finů (ty jsou ve FinFETu často například tři, je to vidět na slajdech), což sice zhorší hustotu, ale zlepší výkon, protože tranzistor bude schopen propustit víc proudu. Kontakty na drain a source částech tranzistoru jsou tvořené vylepšenou metodou, která má snížit jejich odpor – opět s výsledkem, že tranzistor zvládá vyšší proud. Rozvolnění rozteče bylo mimochodem součástí některých 14nm „plusek“.
Tato zhoršená hustota se nepoužívá všude, takže nemusí mít velké dopady na celkovou hustotu tranzistorů. Někdy kvůli zjednodušení mohou prý výsledné struktury být i menší.
Tenká bariéra
Intel také aplikoval novou technologii tenké bariéry mezi vodiči v kovových vrstvách, která umožnila snížit jejich odpor o 30 % (patrně proto, že ztenčení bariéry umožnilo zvětšit průřez samotných vodičů). Přesněji by zřejmě mělo jít o odpor vertikálních propojení (via) kovových vrstev. Odpor je přitom při zmenšování výrobních procesů kritickou limitací.
SuperMIM
Další velké zlepšení bude u kondenzátorů integrovaných v čipu. MIM (metal-insulator-metal) kondenzátory „SuperMIM“ použité v procesu 10SF mají údajně 5× vylepšenou kapacitu v porovnání s tím, co se standardně používá, při zachování stejně velké plochy v čipu. Tyto SuperMIM kondenzátory jsou tvořené strukturou superlattice z opakujících se vrstviček nového Hi-K materiálu s dvěma extra výkonnými vrstvami navrchu.
Tato vyšší kapacita dodá lepší schopnost eliminovat tzv. Vdroop (pokles napětí), který by jinak způsoboval nestabilitu. S redukovaným Vdroopem bude možné dosáhnout vyšších frekvencí se zachováním stability. Zlepší se tedy výkon. Intel mimochodem uvádí, že tyto kondenzátroy SuperMIM má jako první (je možné, že například TSMC ho v tomto bude následovat, samozřejmě).
Lepší výkon a současně efektivita
Výsledkem těchto zlepšení je takřka univerzálně lepší charakteristika čipu. Podle Intelu tranzistory SuperFin dosahují při jakémkoli zvoleném napětí vyššího výkonu (tedy výsledně frekvence), než předtím. Tranzistory mají větší dynamický rozsah mezi minimálním a maximálním napětím a současně je i větší nejvyšší povolené napětí (Vmax).
Díky tomu může procesor běžet na všech možných frekvencích vždy efektivněji (s nižší spotřebou). A zároveň se dostane na vyšší frekvence, na jaké se čip vyrobený původním 10nm procesem už vůbec nemohl podívat.
5 GHz už i na 10 nm?
Zatímco Ice Lake končilo frekvencí někde u 4,0 GHz, Tiger Lake by mohlo spět (byť ne nutně úplně dospět, to uvidíme) až skoro ke 5,0 GHz. Jádro bude při stejném napětí dosahovat vyšší frekvence, ale současně umožní zvednout napětí výš a posunout takt ještě o to dál. Zde je to názorně na grafu.
Next-gen následník: 10nm Enhanced SuperFin
Proces SuperFin má eventuálně být ještě dále vylepšen. Podle Intelu budou následující procesory Alder Lake (které by mohly vyjít v druhé polovině roku 2021 a budou mít jádro s výrazně navýšeným IPC) vyrobené vylepšeným 10nm procesem s technologií „10nm Enhanced SuperFin“. Tento procesor se bude tedy zkráceně označovat 10ESF.
Na tomto procesu budou pak také vyráběná některá samostatná GPU Intelu nebo jejich části. Má jít například o Rambo Cache u HPC GPU Ponte Vecchio. Také serverové procesory Sapphire Rapids mají používat proces 10ESF. Naopak nyní přicházející generace Xeonů Ice Lake-SP zřejmě ještě nemá ani proces 10SF, takže jim bude upřeno navýšení výkonu, které SuperFin přináší.
Galerie: Intel Architecture Day 2020: vylepšený 10nm proces SuperFin (10SF)
Vyřešil Intel všechny problémy 10 nm?
Z těchto informací to vypadá, že inženýři Intelu podle všeho udělali na 10nm procesu obrovské množství práce. Je dokonce možné, že průšvih, který s ním nastal, byl do jisté míry impulzem k vlastnímu zlepšení a posílení (co mě nezabije, to mě posílí). Je možné, že zde opravdu je takovýto pozitivní efekt. Ale na druhou stranu je také třeba připomenout, že 10nm proces je opožděn o řadu let a tato zlepšení možná jen řeší napravují tyto nedostatky, než aby přinášely něco víc třeba i proti konkurenci; možná tedy lze říct že měly být součástí od počátku.
Jak vyplývá z nedávných zpráv, nyní má Intel problémy i na 7nm procesu. Je otázka, zda urputné snahy zachránit 10 nm zase neznamenaly odliv zdrojů z vývoje následující 7nm technologie, čímž se problémy zase přelily dál. Dohnat skluz, který má Intel na TSMC, tak možná bude vyžadovat ještě více, než teď Intel předvedl.
Tip: Tiger Lake odhaleno: architektura a novinky. Výkon zlepší hlavně takty, IPC stouplo málo
Opravil těmito změnami Intel vše, co bylo s 10nm procesem špatně? To zatím těžko říct. Až testy procesorů Tiger Lake potvrdí, jestli jsou frekvence a energetická efektivita skutečně dobré (a zda lze tedy třeba srovnávat tuto technologii se 7nm procesem TSMC, jak to původně mělo být).
Je také možné, že Intel sice vyřešil dosahované frekvence a energetickou efektivitu, ale dál se bude potýkat s nadprůměrnou mírou defektů a špatnou výtěžností, které budou bránit v tom, aby se všechny 14nm produkty masově nahradily novými 10nm. Parametry čipu a výtěžnost jsou dvě věci, které nemusí jít úplně ruku v ruce. Momentálně Intel předpokládá, že s rozjezdem 10nm produktů mu klesnou marže, nicméně současně navýšil o 20 % plán výroby proti tomu, co pro letošek plánoval dříve. 10nm procesorů by tedy mělo v generaci Tiger Lake jít na trh víc, než v generaci Ice Lake.
Myslíte si, že proces 10SF "SuperFin" opravil problémy, které Intel na 10 nm měl, a už konečně splní původní očekávání, která od nové technologie byla?
Zdroje: Intel, Tom's Hardware, AnandTech
