Aus 10 wird 7, aus 7 wird 4 und aus Nanometer Angström Intel läutet Angström-Ära ein

Autor: Michael Eckstein

Pat Gelsinger hat das A-Wort gesagt: Als einer der ersten Halbleiterhersteller will Intel die Angström-Ära in der CMOS-Prozesstechnik einläuten. Wichtiger ist jedoch: Intel gleicht die Benennung seiner Prozesstechniken dem Wettbewerb an – und will damit sein neu ausgerufenes IDM-2.0-Foundry-Geschäft anschieben.

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Umschlossen: Ribbon-FET sind Intels Implementierung der Gate-All-Around-Transistoren. Diese sollen in Kombination mit dem PowerVia-Stromversorgungsnetzwerk die Basis für die zukünfigte Angström-Ära bilden.
Umschlossen: Ribbon-FET sind Intels Implementierung der Gate-All-Around-Transistoren. Diese sollen in Kombination mit dem PowerVia-Stromversorgungsnetzwerk die Basis für die zukünfigte Angström-Ära bilden.
(Bild: Intel Corporation)

Pat Gelsinger als CEO bei Intel – diese Kombination fühlt sich irgendwie „richtig“ an: Wenn Gelsinger auf dem Intel Accelerator Event 2021 über die „Magie der Silizium-Prozesstechnik“ spricht, kauft man ihm seine Begeisterung ab. Er ist halt Ingenieur und kein Buchhalter wie sein Vorgänger Bob Swan. Und hat durchaus Gehaltvolles mitzuteilen.

So hat Gelsinger auf der gestrigen Intel-Hausveranstaltung eine detaillierte Marschroute vorgestellt, nach der das Unternehmen in den nächsten Jahren wieder die Technologieführerschaft zurückerobern will. 2025 will man zumindest auf dem Weg dorthin sein.

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In einem ersten Schritt gleicht Intel die Namenskonventionen zur Benennung seiner Prozessknoten (Nodes) an den Wettbewerb an. Damit reagiert das Unternehmen auf die niedrigen Nanometer-Angaben der Konkurrenz. Geht man nämlich danach, hängt Intel mit seiner Chip-Fertigungstechnik stets mehrere Prozessgenerationen hinterher. Was de facto nicht stimmt.

Nanometer-Bezeichnungen sagen wenig über die Leistungsfähigkeit einer Prozesstechnik aus

Tatsächlich sind die Nanometer-Bezeichnungen, mit denen heute branchenweit die CMOS-Prozessgenerationen benannt werden, eher eine Marketing-Erfindung und ermöglichen nur eine grobe Orientierung. Denn die Prozesstechnik ist viel komplexer, als dass eine einzige Längenangabe für eine qualitative Aussage ihrer Gesamtleistungsfähigkeit ausreichen würde. Klare Worte hat Philip Wong, VP of Corporate Research von TSMC dazu in seiner Keynote auf der Hot chips 31-Konferenz gefunden: „Heute sind diese Zahlen nur Nummern – wie die Modellbezeichnungen von Autos. Man sollte sie nicht mit dem verwechseln, was eine Technologie tatsächlich zu leisten im Stande ist.“

Jahrelang hat Intel selbst diese Konventionen definiert und genutzt. Irgendwann hat die Konkurrenz dann angefangen, kleinere Zahlen zu verwenden – was vordergründig „fortschrittlicher“ wirkt. Mittlerweile haben diese Angaben mehr oder weniger keinen tatsächlichen Bezug mehr zum ursprünglichen Parameter, nämlich der Gate-Länge der hochintegrierten Transistoren.

Gate-Länge seit Einführung von 3D-Transistoren kein geeignetes Maß mehr

Spätestens seit Einführung der FinFETs („Klingen Feldeffekttransistoren“) – Trigate im Intel-Jargon – im Jahr 2011 haben die hochintegrierten Transistoren eine dreidimensionale Struktur. Eine zweidimensionale Längenangabe allein kann also kein geeignetes Maß mehr sein für die Leistungsfähigkeit einer Prozesstechnik. Seit Jahren diskutieren die Hersteller in der Branche daher über eine bessere Alternative. Die Transistordichte bietet sich an. Hier zeigt sich, dass beispielsweise Intels 10-nm-Knoten vergleichbar ist mit TSMCs 7-nm-N7-Prozess.

Kurzum: Ab dem Enhanced SuperFin-Knoten wird Intel eine neue Nomenklatur verwenden. Dieser bisher als 10 nm deklarierte Knoten heißt ab jetzt „Intel 7“. Laut Gelsinger ist dieser Schritt gerechtfertigt, da der Knoten eine Leistungssteigerung von 10 bis 15 % pro Watt gegenüber dem vorherigen 10-nm-SuperFin-Prozess ermöglicht. Derartige Leistungsverbesserungen werden typischerweise von einem neuen Prozess erwartet – und Intel vermarktet ihn jetzt als solchen.

Intel streicht das „nm“ aus der Prozessbezeichnung …

Intel 7 wird die Basis für der kommenden Alder-Lake-CPUs bilden. Die Massenproduktion läuft, erste Produkte sollen noch 2021 auf den Markt kommen. Ab 2022 sollen Sapphire-Rapids-Prozessoren für Rechenzentren folgen.

Es folgt „Intel 4“: Die bisher als 7 nm bezeichnete Technik wird sich mit TSMCs N4-Prozess messen müssen. Laut Intel soll verstärkt die moderne EUV-Belichtungstechnik mit extrem ultraviolettem Licht zum Einsatz kommen. Etwa 20 % mehr Rechenleistung pro Watt und eine bessere Flächennutzung sollen für Intel sprechen, die ab Q3/2022 bereit für die Massenproduktion sein soll. Die eigene Roadmap sieht vor, dass erste Produkt ab 2023 auf den Markt kommen – darunter Meteor Lake für Clients und Granite Rapids für Rechenzentren.

Wenig überraschend geht danach „Intel 3“ ins Rennen: Noch mehr EUV-Einsatz und Optimierungen der Transistoren sollen die Dichte weiter erhöhen und die Rechenleistung um etwa 18 % pro Watt steigern. Gelsinger prognostiziert, dass die Technik ab 2023 reif für die Volumenfertigung ist.

… und führt Angström als nächste Längenbezeichnung ein

Dann folgt der eigentliche Clou in Gelsingers Präsentation: Mit RibbonFET und PowerVia will Intel die Angström-Ära in der Prozesstechnik unter dem Namen „Intel 20A“ einläuten. Angström sei dabei keine Längenangabe, sonst könnte der Knoten auch 2 nm heißen – schließlich entspricht ein Angström 0,1 nm.

RibbonFET ist Intels Implementierung eines Gate-All-around-Transistors (GAA) oder auch NanoSheet-Transistors. Erstmals seit Einführung FinFETs 2011 steigt das Unternehmen damit auf eine neue Transistorarchitektur um. Diese soll schnellere Schaltgeschwindigkeiten bei gleicher Stromaufnahme ermöglichen. PowerVia hingegen ist Intels Lösung für eine rückseitige Stromversorgung der Logikkomponenten im Chip. Sie soll eine Stromführung auf der Vorderseite der Chips obsolet machen. Bereits 2024 soll die Risikoproduktion starten.

Mit RibbonFET und PowerVia zum Intel-18A-Knoten

Damit nicht genug: die Roadmap des US-Chipfabrikanten reicht über 2025 hinaus. Dann soll nämlich „Intel 18“ folgen, das laut Gelsinger ebenfalls bereits in der Entwicklung ist und mit Optimierungen der RibbonFETs aufwarten soll. Um dies überhaupt möglich zu machen, arbeitet Intel nach Angaben des Intel-CEOs eng mit Fab-Ausstatter ASML zusammen, um die nächste Generation von EUV-Belichtungsanlagen auf den Weg zu bringen.

Natürlich ist Intels neue Terminologie in Punkto Vermarktung ein kluger Schachzug. Schließlich will man im Zuge der im März ausgerufenen IDM-2.0-Strategie mit den „Intel Foundry Services“ (IFS) selbst verstärkt zum Auftragsfertiger werden – und da hilft es, wenn potenzielle Kunden die eingesetzten Prozesstechniken besser mit der Konkurrenz vergleichen können. Laut Gelsinger kann Intel bereits die ersten Großkunden für sein Foundry-Geschäft listen: Qualcomm und Amazon Web Services (AWS). Während AWS Server-CPUs bei Intel fertigen lassen will, setzt Qualcomm für seine System-on-Chips auf den Intel-20A-Prozess. Der Mobilfunk-SoC-Spezialist fährt aber zweigleisig und lässt auch bei Samsung Chips mit GAA-Technik fertigen.

Es wird spannend sein zu beobachten, ob Intel seine hochgesteckten Ziele unter dem neuen CEO und Hoffnungsträger Pat Gelsinger tatsächlich im vorgegebenen, sehr sportlichen Zeitrahmen erreicht. Im letzten Jahrzehnt hat das nicht immer geklappt. Sowohl der 10-nm- als auch der 7-nm-Prozess sind erst mit langer Verspätung zur Marktreife gelangt. Abseits von blumigen Nomenklaturen hat die Konkurrenz, allen voran TSMC aus Taiwan und Samsung aus Südkorea, es währenddessen geschafft, Fertigungstechniken mit sehr hoher Transistordichte wie geplant auf den Markt zu bringen – und an Intel vorbeizuziehen.

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Über den Autor

 Michael Eckstein

Michael Eckstein

Redakteur, Vogel Communications Group