Analyse: waar blijven de 20nm-GPU's?

54 reacties
Inhoudsopgave
  1. 1. Inleiding
  2. 2. Immersielithografie en EUV
  3. 3. De plannen van chipfabrikanten
  4. 4. Roadmaps AMD en Nvidia voor 2015
  5. 5. Blik in de toekomst: 450mm-wafers en nieuwe materialen
  6. 6. Conclusie
  7. 7. Reacties

Inleiding

Nvidia lanceerde recent de GeForce GTX 970 en GTX 980, twee videokaarten die gebruikmaken van een volledig nieuwe architectuur. Deze Maxwell-chips worden gewoon geproduceerd op het 28nm-productieprocedé, dat al sinds AMD's introductie van de Radeon HD 7970 wordt gebruikt. Ook AMD introduceerde niet al te lang geleden een videokaart waarin eveneens een daadwerkelijk nieuwe chip zat, de R9 285 met de Tonga-GPU. Die chip bracht stapjes vooruit op een aantal gebieden, maar ook deze GPU kwam uit dezelfde productiemachine rollen als de Tahiti-chip in de genoemde HD 7970 bijna drie jaar geleden al deed. De volgende beloofde stap is 20 nm, maar waarom zijn de recent geïntroduceerde GPU's nog steeds 28 nm?

Laten we bij het begin beginnen. Waarom zijn kleinere productieprocedés eigenlijk beter? Hoewel je de grootte in nanometers tegenwoordig niet meer letterlijk kunt nemen, kun je wel stellen dat één transistor bij elke die-shrink een kleinere oppervlakte in beslag neemt. Een nanometer staat gelijk aan een miljardste van een meter en is dus bijna onvoorstelbaar klein, maar in een moderne high-end GPU zitten al gauw tussen de vier en zeven miljard transistors. Chips worden gemaakt als wafers, een soort platen met chips waar ze als ze helemaal klaar zijn uitgesneden worden.

Vanaf daar wordt het heel simpel. Hoe kleiner de transistors, des te kleiner een hele GPU is. Een procesverkleining betekent dan dat er meer transistors op dezelfde oppervlakte kunnen worden geplaatst. Bestaande ontwerpen zouden dan, als ze één op één gekopieerd worden, simpelweg kleiner worden. Je haalt dan meer chips uit een even grote wafer en als die nog steeds evenveel kost, kost het produceren van die chip dus minder. Daarnaast kun je ook de andere kant op redeneren: je kunt meer transistors kwijt op dezelfde oppervlakte en met een even grote chip dus betere prestaties halen. Bovendien zijn kleinere transistors in het algemeen zuiniger, wat wederom twee kanten op werkt.

Eén van de weinige 20nm-chips tot nu toe is de Apple A8-processor, die in de iPhone 6 zit. (bron: iFixit)

Immersielithografie en EUV

Al tijden gebruiken alle grote chipbakkers immersielithografie om processors te maken. Daarmee wordt de resolutie van de 'laser' hoger door de ruimte tussen de lens en de wafer op te vullen met een vloeistof met een zo hoog mogelijke brekingsindex, in plaats van normale lucht. Ultraviolet licht met een golflengte van 193 nm kan daardoor worden gebruikt voor veel kleinere productieprocessen. Onder de 45 nm werden er trucjes toegepast als het meerdere keren belichten van een wafer, maar bij het 22nm-proces moest er iets worden veranderd om zo'n kleine oppervlakte nog precies te kunnen bewerken. Het gaat bij aanduidingen van productieprocessen trouwens altijd om 'classes', maar sowieso kun je de procedé's van verschillende chipbakkers niet één-op-één met elkaar vergelijken.

Intel paste bij zijn 22nm-proces 'tri-gate-technologie' toe. Hier wordt het verhaal behoorlijk ingewikkeld, maar het komt eigenlijk op hetzelfde neer als wat de rest van de industrie FinFET noemt. Daarbij is het kanaal waar de stroom doorheen loopt als de transistor ingeschakeld is, niet langer plat, maar gaat het fysiek door de 'gate' heen. Een voorstelling daarvan biedt Intel met de onderstaande plaatjes. Door dat meerdere keren te doen, bijvoorbeeld twee keer (zoals in de eerste revisies van het FinFET-plan de bedoeling was) of drie keer (zoals nu eigenlijk iedereen doet), kan er nauwkeuriger geschakeld worden.

Zo ziet een FinFET eruit als je extreem inzoomt.

Hoewel er dus steeds weer trucjes worden bedacht om de relatief inaccurate lichtstraal nauwkeuriger te maken met behoud van de immersielithografie-methode, is de rek niet eindeloos. Daarom werken bedrijven als het Nederlandse ASML, dat veel van de productiemachines die chipfabrikanten als Intel en TSMC gebruiken ontwerpt, al jaren aan een opvolger. Dat is EUV, wat staat voor 'extreme ultraviolet'. Met een golflengte van 13,5 nm valt EUV tussen zichtbaar licht en röntgenstraling in. ASML beschrijft de noodzaak voor EUV als het gebruiken van een kleinere kwast om gedetailleerder te kunnen schilderen.

Produceren met EUV-licht is allesbehalve eenvoudig.

Bij de ontwikkeling van EUV moesten enorme struikelblokken uit de weg worden geruimd. EUV gebruikt een hoogenergetische laser die wordt gericht op een microscopisch klein druppeltje gesmolten tin, waardoor het overgaat in plasma. In die gedaante gaat het EUV-licht uitstralen, dat wordt opgevangen en in een straal wordt gericht. Een ander groot probleem is dat EUV door vrijwel alles wordt geabsorbeerd. Glazen lenzen kunnen niet worden gebruikt; men gebruikt extreem platte spiegels. Als zo'n spiegel werd opgerekt naar de grootte van Duitsland, zou de grootste oneffenheid minder dan 1 mm hoog zijn. Zelfs lucht absorbeert EUV-licht, dus moet de blootstelling ervan aan de wafers in grote vacuümkamers gebeuren.

EUV is in eerste instantie veel goedkoper doordat multi-patterning niet nodig is, maar voor nog kleinere procesgroottes kan dezelfde trukendoos weer uit de kast worden gehaald: double-patterning (meerdere keren blootstellen), FinFET, het is allemaal ook mogelijk om met EUV-licht nog kleinere lichtstralen te vormen. Onder andere Intel en TSMC werken samen met ASML aan het zo snel mogelijk productieklaar krijgen van EUV-lithografie. Desondanks heeft Intel al aangekondigd dat EUV te laat komt voor zijn 10nm-proces in 2016, waardoor het moet kiezen voor een gewaagde aanpak met multi-patterning. Volgens de geruchten gaat het zelfs om vier blootstellingen per wafer, wat simpelweg tijdverslindend en duur is.

Nvidia stipt één van de grote problemen aan: verkleiningen worden steeds duurder.

De plannen van chipfabrikanten

TSMC, Globalfoundries, Samsung en Intel zijn de enige eigenaren van chipfabrieken met een rol van betekenis voor de hardwarewereld. Daarbij produceert Intel vrijwel alleen maar zijn eigen processors, maar de rest leeft voornamelijk van orders van andere chipontwerpers. TSMC is daarvan veruit de grootste - naar eigen zeggen heeft het ongeveer 80% marktaandeel bij het 28nm-procedé.

Die Taiwanese chipbakker maakte eerder dit jaar bekend dat het verwacht de komende jaren marktaandeel in te leveren. Het gaat de FinFET-technologie namelijk pas inzetten bij zijn 16nm-procedé, terwijl Intel dat al een tijd doet. Ook andere concurrenten hebben naar verwachting eerder FinFET-chips in massaproductie dan TSMC. TSMC loopt uiteindelijk een paar maanden achter, waardoor een aantal chipontwerpers zoals Qualcomm andere chipmakers zullen verkiezen.

Op roadmaps stond het 16nm-FinFET-proces al gepland voor begin dit jaar.

Bovendien heeft TSMC het aantal productieprocessen teruggebracht van vier bij 28 nm tot één bij 20 nm. Verschillende processen binnen een node zijn er om in de ene processor langzamere maar zuinigere transistors te kunnen verwerken dan in de andere. Zo worden high-end GPU's op een ander proces gemaakt dan low-power ARM-SoC's.

Het enige overgebleven 20nm-proces van TSMC is dat voor die zuinige chips. Daarop wordt bijvoorbeeld de Apple A8-CPU in de iPhone 6 en 6 Plus gebakken, maar als vaste klant bij TSMC heeft Nvidia geen mogelijkheden om zijn nieuwe Maxwell-GPU's op 20 nm te laten produceren. Pas in het derde kwartaal van volgend jaar zouden de eerste producten op basis van TSMC's 16nm-FinFET-proces kunnen verschijnen.

Globalfoundries is het bedrijf wat is ontstaan toen AMD in 2009 zijn productietak afstootte. De investeringsmaatschappij ATIC is de eigenaar van de halfgeleiderfabrikant, waarmee Globalfoundries indirect eigendom is van de emir van Abu Dhabi. Met de 28nm-processen stelde het een beetje teleur, doordat de productielijnen pas lang nadat TSMC startte met uitleveren opengingen. Dat had bijvoorbeeld effect op de roadmap van AMD-processors. Over de 20nm-plannen van Globalfoundries is eigenlijk niet veel bekend, maar volgens geruchten gaat Globalfoundries net zoals TSMC alleen low-power chips op 20 nm leveren.

Samsung en Globalfoundries kondigden in april aan dat ze gaan samenwerken voor hun 14nm-procedés. Globalfoundries mag de 14nm-FinFET-technologie van Samsung gaan gebruiken, waardoor bedrijven die chips willen laten produceren geen apart ontwerp voor productie in een fabriek van de andere fabrikant hoeven te maken. Dat is een groot voordeel, want door de technische verschillen in de productieprocedé's van verschillende bedrijven is het overhevelen van een chipontwerp van de ene naar de andere fabriek meestal moeilijker dan het op het eerste oog lijkt. Met deze samenwerking willen Globalfoundries en Samsung een blok vormen om te concurreren tegen TSMC. Gezien de naar beneden bijgestelde verwachtingen van TSMC lijkt dat te gaan lukken.

Samsung is een kleinere speler in deze markt, maar vormt wel een geduchte concurrent.

Roadmaps AMD en Nvidia voor 2015

AMD geeft in conference-calls met financieel analisten relatief veel informatie vrij over zijn toekomstplannen. Voorheen produceerde het al zijn GPU's voor losse videokaarten bij TSMC, maar het is de 28nm-productie langzaamaan aan het verschuiven naar Globalfoundries. In 2014 verwacht AMD 1,2 miljard dollar uit te geven bij Globalfoundries, onder andere aan de productie van de custom-SoC's voor de Xbox One en PlayStation 4. De kostprijs daarvan zou gelijk zijn aan die bij TSMC, zo zei een AMD-topvrouw bij de bespreking van de kwartaalcijfers van het eerste kwartaal van dit jaar.

Lisa Su, vicevoorzitter en manager van de business-divisie van AMD, gaf toen ook aan dat het 20nm-chips in ontwikkeling had. "Als het gaat om product- en technologievooruitgang, moeten we zeker een leidende rol spelen. (...) We ontwerpen actief voor 20 nanometer en die chips komen ook in productie. Daarna stappen we natuurlijk over op FinFET." Over de samenwerking tussen Samsung en Globalfoundries was ze positief. "Ik denk dat we dat als een goed iets zien. Het is goed voor de industrie en goed voor AMD dat ze samenwerken om FinFET's eerder in de markt te krijgen. (...) Het is een zeer belangrijke technologie voor ons en volgens mij verandert deze overeenkomst dat op geen enkele manier." De CFO van AMD, Devinder Kumar, bevestigde bovendien dat AMD dit jaar zowel de custom-SoC's als GPU's bij Globalfoundries inkoopt.

AMD levert de SoC's voor zowel de Xbox One als de PlayStation 4. (bron: iFixit)

Bij de presentatie van de kwartaalcijfers van het tweede kwartaal herhaalde Lisa Su dat 20 nanometer een belangrijke stap is voor AMD. "We zullen 20nm-producten volgend jaar verschepen. Als we vooruit kijken, is FinFET natuurlijk ook belangrijk." Het is daarmee helemaal niet gezegd dat het om GPU's gaat. We weten wel al zeker dat AMD werkt aan energiezuinige SoC's volgens het 20nm-proces.

In een interview met Deutsche Bank scheen CEO Rory Read zijn licht over de toekomst van de productieverkleining. "We maken testchips en samples, maar we gaan niet over op volumeproductie totdat het zijn investering oplevert, want die hele Moore's law is aan 't uitvlakken. (...) We gaan door naar beneden en we zullen het (nieuwe procedés, red.) gebruiken voor producten waarbij het nut heeft." Procesverkleining is dus niet meer zo vanzelfsprekend als het ooit was. Read benadrukt daarbij dat de kosten en baten van de procedés onder de 28 nm een heel ander verhaal waren dan voorheen. "28 nanometer blijft de dominante procestechnologie voor een lange tijd. De volgende drie, vier jaar." Bijvoorbeeld console-SoC's zullen niet snel naar een nieuw procedé gaan, maar ook voor GPU's gaat AMD pas overstappen als de yields hoog en de kosten laag genoeg zijn.

En Nvidia dan?

Over Nvidia's plannen is minder bekend, want tegenover analisten houdt het stijf zijn mond. Uiteraard zal Nvidia gewoon TSMC aanhouden voor zijn leveranties en daarmee de 20nm-node overslaan. De opvolgers van de GeForce GTX 970 en GTX 980 zullen dan worden geproduceerd op het 16nm-FinFET-proces en op z'n vroegst in het derde kwartaal van 2015 uitkomen. Voor die tijd komt Nvidia volgens de geruchtenmolen wel nog met een 'GTX 980 Ti' of een nieuwe Titan, gebaseerd op een grote GPU met meer shaders, maar ook die zal dan gewoon op 28 nm worden geproduceerd.


De GM204-chip in de GTX 980 wordt nog gewoon gebakken op 28 nm.

Blik in de toekomst: 450mm-wafers en nieuwe materialen

Procesverkleining is niet de enige manier om het produceren van chips goedkoper te maken. Een verbetering waar al jaren over wordt gesproken is het vervangen van 300mm-wafers door platen met een diameter van 450 mm. De kosten die men nou eenmaal maakt voor het verwerken van een wafer kunnen dan door meer chips worden gesplitst, waardoor de kosten voor bijvoorbeeld multi-patterning op chipbasis ook lager worden. Daardoor kan efficiënter worden geproduceerd.

Natuurlijk moeten ook alle machines daarop worden aangepast. Eind vorig jaar zette ASML zijn inspanningen voor de ontwikkeling voor 450mm-machines op een laag pitje, waarschijnlijk doordat Intel, Samsung en TSMC daar minder prioriteit aan gaven of nog niet uit de precieze specificaties voor zo'n 450mm-wafer zijn. Die drie chipfabrikanten hebben de afgelopen jaren fors geïnvesteerd in ASML, zodat de ontwikkeling van nieuwe productietechnieken sneller kan gaan. De verwachting is nu dat de grotere wafers niet voor 2018 hun intrede gaan doen. Volgens de roadmaps werkt Intel tegen die tijd aan een sub-10nm-productieprocedé. Recente geruchten duiden er op dat het door de complexiteit helemaal in de ijskast is gezet.

Een 450mm-wafer naast een gebruikelijk 300mm-exemplaar.

Een goede reden om over te stappen naar een nieuw formaat, is als toch alle machines moeten worden vervangen, zoals bij het overstappen naar een andere grondstof voor chips. Sinds jaar en dag wordt silicium gebruikt om de chips van te maken. Na het 14nm-procedé wordt silicium echter te dun om het kwantum-tunneleffect en gate-leakage tegen te gaan. Dat betekent dat het stroomverbruik drastisch toe zal nemen en de nauwkeurigheid bij het schakelen van de transistors flink afneemt. Er zal dus een nieuw materiaal moeten worden gevonden. Dat wordt waarschijnlijk silicium-germanium of zelfs puur germanium. Beide geleiden ze elektronen beter, waardoor lagere stroomspanningen nodig zijn. Tunneling, leakage en het hogere verbruik zijn daardoor niet meer aan de orde.

Switchen naar een nieuw materiaal hoeft niet heel moeilijk te zijn, maar omdat alle apparatuur vervangen zal moeten worden, gaan er wel gigantische investeringen mee gepaard. FinFET zorgt er met een groter raakoppervlak trouwens ook voor dat dit soort effecten worden tegengegaan - je zou het dus als het uitstellen van een overstap naar een nieuw materiaal kunnen zien. Al met al zijn de investeringen die gedaan moeten worden om een nieuw materiaal te gaan gebruiken en over te stappen naar een nieuw waferformaat enorm. Het is dan ook niet vreemd dat de verschillende fabrikanten er alles aan doen om deze dure stappen zo veel mogelijk uit te stellen.

Conclusie

Kortom, zowel AMD als Nvidia werken aan producten op het 20nm-procedé, maar dan gaat het wel om ARM-SoC's. Geen enkele halfgeleiderfabrikant lijkt een 20nm-proces voor high-end chips met een hoger stroomverbruik aan te bieden, dus het GPU-spoor lijkt dan al gauw dood te lopen. Als AMD toch naar GPU's verwijst als het 't over '20nm-producten in 2015' heeft, blijft in ieder geval de vraag waar het die dan vandaan gaat halen.

De moeilijkheden die vrijwel iedere fabrikant had met een sub-28nm-procedé - Intel stapte al over naar FinFET, TSMC annuleerde alle processen behalve dat voor low-power-chips en van Globalfoundries hebben we eigenlijk nog nauwelijks wat gehoord - lijken een trend te worden. Moore's law, die voorschrijft dat het aantal transistors in een processor door technologische vooruitgang elke twee jaar verdubbelt, komt steeds meer onder druk te staan. De CEO van AMD noemde het 'uitvlakken'. Intel gaf tijdens de presentatie van Broadwell-Y aan dat men met 14 nm ook veel meer moeite had dan voorheen en de kosten van een wafer meer dan gebruikelijk zijn toegenomen.

Er moeten steeds nieuwe trucjes worden bedacht om nog kleinere transistors te kunnen maken, zoals FinFET en multi-patterning. Echte doorbraken moeten komen van onder andere het Nederlandse ASML. Het gaat om een heel aantal veranderingen, zoals het overstappen naar een ander materiaal dan silicium, grotere wafers en een ander soort licht, maar technisch blijkt dat ingewikkelder dan gedacht. Door de enorme investeringen die dat soort aanpassingen vergen, proberen de chipfabrikanten ze dan ook zo veel mogelijk uit te stellen.

AMD is daarnaast met een hele andere interessante transitie bezig: het (gedeeltelijk) verplaatsen van de GPU-productie van TSMC naar Globalfoundries. Door de samenwerking die Globalfoundries met Samsung aan is gegaan, kan dat betekenen dat AMD via die fabrikant eerder toegang krijgt tot een nieuw productieprocedé dan Nvidia bij TSMC, dat al rekening houdt met lagere inkomsten doordat ze later zullen zijn. De kaarten zijn geschud, maar het zal nog even duren voordat ze allemaal op hun plaats vallen. In ieder geval, de tijd waarin elke twee jaar het aantal transistors in een chip verdubbelde, lijkt langzaamaan toch echt aan een eind te komen.

Moore's Law: binnenkort verleden tijd?

0
*