Přímo proti Intelu: TSMC uvádí speciální křemíkové procesy pro maximální výkon. První je N4X

16. 12. 2021

TSMC je sice nejlepší v křemíkové technologii, ale je jedna věc, kde má asi navrch Intel: maximální frekvence čipů. Ale možná ne nadlouho. TSMC teď rozjíždí speciální HPC technologie "X", které by mohly porazit Intel i v této disciplíně.

Před deseti až pěti lety byl neoddiskutovatelným králem výrobních procesů Intel, ale pak vedení ztratil, když mu 10nm proces zabral pět místo dvou let, a dnes je jasným lídrem tchajwanské TSMC. Často se uvádí, že jeho procesy jsou specializované na mobilní použití, takže ve frekvencích jsou proti Intelu pořád horší. Jenže to by se mohlo změnit, firma teď oznámila, že se speciálně zaměří i na čipy pro PC s vysokým výkonem a takty.

Před nedávnem jsme tu psali, že TSMC oznámilo vylepšený proces N4P, jenž zlepší parametry 4nm procesu (jenž je sám vylepšením 5nm technologie). Tento proces měl například zlepšit až o 6 % výkon. Krátce nato teď TSMC ještě oznámilo další variantu, označenou N4X, která má právě výkon posouvat ještě dál. Pořád jde o derivát procesů N5 a N4, takže na první pohled by to nebylo něco moc pozoruhodného. Ale tento proces je součástí nové strategie TSMC a nové line jeho procesů, které budou označené právě oním „X“ a po 4nm generaci by asi měly existovat i od dalších budoucích technologií.

Tchajwanský podnik se totiž zřejmě rozhodl udělat něco s oním náskokem technologie Intelu co do maximálního frekvenčního potenciálu (pro pořád je třeba říct, že je otázka, zda spočívá jen v procesu, nebo i v architektuře, každopádně ale procesory Intel dosahují taktů až 5,3 GHz, zatímco konkurenční AMD na technologii TSMC má maxima znatelně nižší). V této oblasti proto bude TSMC nabízet onu novou rodinu procesů „X“, která začíná právě procesem N4X.

Proces TSMC N4X (Zdroj: TSMC)

Procesy X budou mířené na HPC produkty, v překladu čipy, u kterých je prioritou co nejvyšší výkon (a proto frekvence). Nemusí jít jen o procesory pro superpočítače a servery, což se pod označením HPC obvykle rozumí, použití tohoto procesu by zřejmě mělo pomoci i procesorům pro PC a možná GPU, aby dosáhly vyšších frekvencí.

Proces N4X má být z 5nm generace procesů nejvýkonnější. Má být možné dosáhnout u něj až o 15 % vyšší frekvenci než u čipů postavených na původním 5nm procesu (N5). Není to až tak vysoký skok proti N4P (ten má dosáhnout +11%, pro N4 se uvádělo +6 %), nicméně ve skutečnosti by možná přínos mohl být větší. Toto srovnání platí pro čipy běžící s stejným 1,2V napětím. Ovšem proces N4X bude zároveň mít robustnější tranzistory a také kovové vrstvy, které budou lépe zvládat napětí nad úrovní 1,2 V oproti předchozím variantám. Díky tomu budou procesory moci trošku přidat na napětí a tím se reálná dosažitelná frekvence může zvýšit ještě víc.

Navýšení napětí ovšem vede ke zvýšení spotřeby, takže provoz na takových vyšších napětích (po dalších úpravách na úrovni architektury to může být až nějakých 1,35–1,5 V, jaké vidíme třeba u 7nm Ryzenů) zhorší energetickou efektivitu a spotřebu. Toto zvyšován napětí se proto asi nemusí moc hodit pro navyšování celkového mnohojádrového výkonu procesorů nebo výkonu GPU, ale mohlo by být užitečné pro zvýšení jednovláknového výkonu při agresivních turbo boostech. Použití této schopnosti procesu N4X by teoreticky mohlo AMD dovolit dostávat se s jednovláknovými boosty přesvědčivě nad 5 GHz podobně jako Intel. Zda na stejnou úroveň, to je otázka, bude o tom rozhodovat nejen proces, ale i architektura.

Výkonnější tranzistory, vodiče a kondenzátory, jako v procesu Intelu

TSMC zmínilo i některé techniky, které jsou v této výkonné variantě 4nm technologie použité: jednak to mají být tranzistory a další struktury optimalizované na to, aby zvládly vysoké proudy a maximální frekvence. Mohou to asi být FinFETy s vyššími „finy“, či tranzistory s vyšším počtem finů. Tyto optimalizace asi mohou být i na úrovni standardních knihoven (jako jsou například buňky SRAM).

Proces TSMC N4X (Zdroj: TSMC)

Zároveň ale budou také pro vyšší dosažitelný výkon optimalizované kovové vrstvy, Jak, není přesně řečeno, mohlo by asi jít o podporu vyšších počtů vrstev, více vrstev s robustnější tloušťkou vodičů, ale mohlo by jít o nějaká zlepšení snižující impedanci a parazitní kapacitanci.

TSMC dále uvádí, že čipy budou moci použít vylepšené nanokondenzátory typu MIM (kov-izolant-kov) s velmi vysokou hustotou v čipu. Tyto kondenzátory mají sloužit k tomu, aby čip zvládal vyšší spotřeby a proudové zátěže, zejména při jejich nárazových změnách.

X v označení procesu N4X patrně má znamenat Extreme Performance (Zdroj: TSMC)

Tato zlepšení kovových vrstev a kondenzátorů ale také v samotných FinFETech hodně připomínají vlastnosti procesu 10nm SuperFin od Intelu, který výrazně zlepšil frekvenční potenciál do té doby špatného 10nm procesu (doslova ho „opravil“, protože z velmi špatných taktů se najednou dostal na 5GHz frekvence procesorů Tiger Lake). Proces N4X je tak možná koncepčně dost podobná úprava, i když provedená na o generaci novějším procesu. Protože ale proces N5/N4 asi neměl nějaké velké problémy s frekvencemi jako původní 10nm proces Intelu, asi nebudou navýšení taktů tak dramatická.

Více: 10nm proces Intelu zpět ve hře. Technologie SuperFin masivně zlepší takty

Konverze čipů z N5 a N4 mají být jednoduché

TSMC neuvádí, zda bude (při zachování stejného napětí) dosažená nějaká úspora energie proti procesu N4P, nebo bude efekt neutrální, případně zda optimalizace na výkon nebude nějakou energetickou efektivitu stát. Také není sděleno nic o hustotě tranzistorů. Ta by asi mohla být horší než u procesu N4/N4P, protože struktury a knihovny optimalizované na výkon typicky zabírají víc plochy než ty standardní optimalizované na efektivitu.

Co nicméně zůstává, je částečná kompatibilita s pravidly 5nm procesu. Takže fyzický návrh čipů nebude muset začínat úplně od začátku, ale měl by být usnadněn, pokud design přechází z jiné varianty 5nm a 4nm procesu TSMC.

Dostupnost v roce 2023/2024

Zatím nevíme, jaké procesory nebo GPU by se na tomto výkonném procesu mohly vyrábět. Jako klient se nabízí AMD a procesory Ryzen, ale i třeba i nějaké konkurenční výkonné procesory ARM. Vyloženě atraktivní by mohla být pro IBM a jeho procesory Power a Z – pokud by se firma odhodlala k dalšímu přechodu nedlouho poté, co byla nucená k přesunu k Samsungu. Otázka je, zda taková CPU nebudou raději používat energeticky úspornější 3nm proces, který by nejspíš měl být dostupný ve stejné době paralelně s touto na výkon zaměřenou technologií. Dosavadní uniklé roadmapy zatím neukazovaly žádné 4nm produkty AMD, v procesorech by prý mohlo skočit z 5 nm (Ryzen 7000) rovnou na 3 nm (Ryzen 8000).

Logo TSMC symbolizující wafer před budovou firmy (Zdroj: TSMC)

TSMC uvádí, že proces N4X naběhne do tzv. risk production v první polovině roku 2023, je tedy ještě poměrně vzdálený, ačkoliv první 4nm mobilní SoC (ještě na první generaci procesu N4) už se pomalu objevují teď. Risk Production je jen počáteční zkušební provoz, po němž následuje regulérní komerční výroba obvykle až po delším čase.

Procesory vyrobené na procesu N4X se tedy realisticky na trhu asi mohou objevit až na konci roku 2023 nebo začátkem roku 2024. 3nm čipy na procesu N3 by přitom mohly vycházet už v první polovině roku 2023. Zde by asi bylo dobré, kdyby budoucí procesy X odvozené od 3nm a 2nm generace byly dostupné dříve po příchodu základní první generace procesu. Je možné, že v budoucnu o to TSMC bude usilovat. Každopádně by tato technologie mohla být zajímavý přídavek do portfolia nejmodernějších křemíkových technologií a mohla by umožnit hodně zajímavý hardware.