TSMCs 5nm-Fertigung bringt nur unterdurchschnittliche Fortschritte

AnandTech [1] berichten über die 5nm-Fertigung von Auftragsfertiger TSMC, bei welchem bekannterweise AMD, nVidia, Sony und Microsoft (letztere beide für ihre Konsolen-SoCs) fertigen lassen. Dabei hat man sich auch sehr exakte Aussagen zu den Vorteilen der 5nm-Fertigung von TSMC geben lassen: Gegenüber der vorhergehenden 7nm-Fertigung von TSMC in deren Standard-Ausführung "7FF" (noch ohne EUV-Einsatz im Gegensatz zu der leicht verbesserten Variante "7FF+") soll TSMCs 5FF eine Flächenreduktion um -45% sowie um +15% höhere Taktraten oder einen um -20% niedrigeren Stromverbrauch ermöglichen. Dies entspricht grob einem üblichen Fullnode – perfekt erfüllt wird dieser Gedanke allerdings nicht, denn dafür bräuchte man eine Flächenreduktion von -50% sowie einen (mindestens) um -40% niedrigeren Stromverbrauch.

Interessanterweise erfüllt von den derzeit sichtbaren TSMC-Fertigungsverfahren allein die vielgeschmähte 10nm-Fertigung dieses Ideal – die oftmals getätigte Aussage, das jene Fertigung (angeblich) nur für Smartphone-SoCs zu gebrauchen wäre, läßt sich anhand deren technischer Daten bei weitem nicht untermauern. Vielmehr ist gemäß den Angaben vorstehender Tabelle klar zu sehen, das TSMC nach jener 10nm-Fertigung mit etwas geringeren Entwicklungsschritten auskommen will: 7FF zu 10FF liegt klar unterhalb des vorgenannten Ideals, bei 5FF zu 7FF ist es auch nicht viel besser (zwar höhere Flächenreduktion, aber noch geringe Stromverbrauchs-Ersparnis). Insbesondere die Verbesserungen beim Stromverbrauch gehen mit jedem der kommenden Fullnodes klar herunter: Von -40% bei 10FF zu 16FF+ über -33% bei 7FF zu 10FF auf nur noch -20% bei 5FF zu 7FF. Die teilweise hierzu vorhandenen Halfnodes (Zwischen-Nodes) ändern im übrigen nichts am Gesamtbild, auch wenn deren Vorteile zum jeweiligen Fullnode vorhanden und sicherlich auch genutzt werden dürften.

In der 7nm- und 5nm-Zukunft ist damit vor allem ein Problem bezüglich des Stromverbrauchs entsprechender Chips zu sehen – zumindest bei jenen, welche bis an die Grenzen der jeweiligen Fertigungstechnologie gehen. Dies trifft üblicherweise fast nur auf Grafikchips (sowie Konsolen-SoCs) zu: Die größten Grafikchips werden regelmäßig durch (aus wirtschaftlicher Sicht) maximal verträgliche Chipflächen sowie durch einen Stromverbrauch von üblicherweise bis maximal 250-300 Watt (pro Grafikkarte) limitiert. Um die mit einem Fulllnode bislang durchaus übliche (grobe) Performance-Verdopplung zu erreichen, muß sowohl eine Flächenreduktion von -50% vorliegen als auch der nominelle Stromverbrauch um (mindestens) -40% sinken (die restlichen Prozente werden dann üblicherweise durch Architektur-Verbesserungen herausgeholt). Erst damit wird es dann möglich, doppelt so viele Transistoren auf der gleichen Chipfläche zu bauen – und damit am Ende nicht auf einem höheren Stromverbrauch herauszukommen.

Passt hingegen der Parameter des sinkenden Stromverbrauchs nicht zum Ideal (wie gerade bei TSMCs 5nm-Fertigung), dann könnte man zwar (grob) die doppelte Transistorenmenge auf der gleichen Chipfläche verbauen, würde dafür allerdings den Stromverbrauch durch die Decke jagen. Im Beispiel von TSMCs 5nm-Fertigung würde dann aus einem vormaligen 250-Watt-Chip gleich ein 400-Watt-Chip (einfache Hochrechnung, im Detail sind da natürlich noch andere Faktoren mit drin, aber grob kommt ein solches Ergebnis heraus). Dies kann man sich bei Grafikkarten natürlich nicht leisten, ergo müsste die Chipfläche reduziert werden und hängt der insgesamte Performancegewinn dieser Generation dann eher denn am (geringen) Fortschritt beim Stromverbrauch als denn an der Flächenreduktion. Aus dieser Sicht betrachtet ist die 5nm-Fertigung von TSMC arg unterdurchschnittlich für Grafikkarten geeignet – bei anderen Halbleiterprodukten kann dies natürlich anders aussehen.

Smartphone-SoCs oder auch DRAM-Chips sind schließlich bei weitem nicht derart durch ihren (maximalen) Stromverbrauch limitiert, müssen (im Gegensatz zu Grafikchips) auch nicht immer gleich doppelt so viel Transistoren tragen. In diesem Fall nehmen die Chipentwickler primär die kleinere Chipfläche mit und erreichen damit sogar Kosteneinsparungen – zumindest sofern die Kosten des neueren Fertigungsverfahren nicht gerade exorbitant (pro Transistor) steigen. Aber im Fall von Grafikkarten dürften die 5nm-Generation (zumindest sofern von TSMC gebaut) nicht gerade für ganz große Wellen sorgen. Nicht umsonst denkt GlobalFoundries derzeit darüber nach [3], diesen Fullnode wiederum auslassen – und sich gleich auf die 3nm-Fertigung zu konzentrieren. In beiden Fällen geht es schlicht darum, das die Chipfertiger eigentlich mehr Zeit benötigen würden, um einen "normgerechten" Fullnode zu entwickeln. TSMC löst dieses Dilemma dadurch, das die zukünftigen Fullnodes nur noch unterdurchschnittliche Verbesserungen bringen – während GlobalFoundries lieber jeweils eine Generation überspringt.