TSMC:s 5-nanometersteknik går om Intel och Samsung i transistortäthet

Det ger sig om man läser artikeln innan man kommenterar. 😁

I övrigt skall det bli intressant att se hur det går med Intels planer att lansera en ny processorkärna i 14nm - skrud som stationär tävlare 2021.

SRAM-grafen i nyheten kan ge lite av en fingervisning om hur TSMC legat till mot Intel och Samsung de senaste åren. Förstås inte hela sanningen, men ändå ett representativt utsnitt.

[quote postid="18348287" userid="137226" name="SwedenVirre"]
@Zirgo: Skrev på luren xD

Det jag egentligen menade var att AMD, som tidigare gått ut med att dom skulle köra TSMC 5nm så småningom, antagligen kommer vilja köra på 5nm LVT för högre frekvenser istället för energieffektivitet.

Det där var en bra översättning. 😎

Om siffrorna stämmer är det svårt att fullt ut nyttja prestandapotentialen, speciellt för CPU som redan är termiskt begränsade. Ytterst finns en gräns för hur många Watt/mm2 som går att kyla bort.

Om man tex tar en AMD CPU i N7 och lägger den i N5 istället så blir alltså chipytan hälften så stor men effekttätheten(Watt/mm2) vid samma prestanda blir 40% högre och om man vill klocka 15% snabbare blir effekttätheten 100% högre. Så visst, under korta stunder kan man klämma ut mer men frågan är om N5 inte är mer lämpat för batteridrivet.

I artikeln står bara att det är densitet man offrar.

Att bara titta på SRAM ger en skev bild, med SRAM-desinsitet som "bra-mått" har inte Intels alls haft den fördel historiskt som de i praktiken hade.

Det är en balansgång mellan flera parameters, framförallt maximal frekvens (som kräver lägre densitet), hög strömtålighet (som leder till högre läckström och mindre densitet) och hög densitet.

Enligt WikiChip har ju TSMC högre SRAM densitet redan vid 7 nm jämfört med Intels 10 nm, men WikiChip har samtidigt kommit fram till att TSMC 7 nm har en maximal transistordensitet på strax över 90 Mtr/mm² medan Intels 10 nm har både deras egen utsago och enligt WikiChips uppskattning en densitet på rätt exakt 100 mtr/mm².

Det är just maximal densitet som noden tillåter, varken AMD eller Intel har den densiteten i sina CPUer då det inte alls skulle ge de frekvenser de faktiskt når. AMD har gått riktigt all-in på att utnyttja TSMCs fina SRAM-densitet, ungefär halva kretsytan i Zen2 består ju just av cacheminne!

Det finns en till effekt som blir allt mer kritisk ju mer man krymper: strömdensitet. Strömdensitet är direkt proportionell mot spänning (ja, mot spänning, total ström är bara en funktion av spänning och resistans hos de delar som för tillfället aktiveras) och spänningen är relaterad till hur högt man kan klocka kretsen.

Så man kan hamna i lägen där det rent tekniskt är möjligt att kyla kretsen tillräckligt mycket, men där strömdensiteten blir så hög att man får betydande elektromigration -> kretsen går sönder efter en tid. Elektromigration beror egentligen av kraften som utövas på atomer i ledarna, den kraften är proportionell mot spänningsfall per längdenhet som ökar med smalare ledare då resistansen ökar med smalare ledare (vid en viss ström i ledaren ökar självklart strömdensiteten om man gör ledaren smalare).

Måste vara både extremt roligt, samtidigt som det måste vara allt mer frustrerande när fysiken stoppar allt fler käppar i hjulen, att jobba med utveckling av processnoder och kretsdesign!

Det som primärt står i motsatsförhållande verkar vara hög densitet vs maximal prestanda + läckström. Från originalartikeln

För de som sedan bryr sig om maximal frekvens finns ett förhållande till som är relevant: maximal frekvens som funktion av spänning. Här är det primärt hur formen på den kurvan verkar ändras de senaste noderna, ju tätare nod ju skarpare böj verkar man få. D.v.s. högre täthet ger bättre effektivitet upp till någon viss frekvens, efter det ger högre spänning långt mindre påverkan för maximal frekvens än äldre noder.

Blå linje är den nod med lägst densitet och den mörkgula den med högst densitet, här skulle spänning vara på den fiktiva Y-axeln medan frekvens ligger på X-axeln

Både AMD och Intel har ju nämnt att vi nog får förvänta oss lägre maximal frekvens framöver, men verkar ändå som man kan hantera strax över 4 GHz riktigt effektivt. Är nog ingen slump att ARM tillverkarna fokuserar långt mer på att dra upp IPC, det så mycket att man helt klart offrar maximalfrekvens (både ARM och Apples designer verkar som mest nå strax över 3 GHz strecket).

Ja, fast det är lite samma sak, estimat på förbättring av yteffektivitet och effektförbrukning baseras ju på att man följer designreglerna och då har man ju tagit hänsyn till elektromigration. Om det finns en strömbegränsning per ytenhet så är det också en begränsning i effekt per ytenhet. Så frågeställningen kvarstår, är det i praktiken möjligt att utnyttja prestandaökningen som utlovats eftersom ytan för en given krets minskar snabbare än effektförbrukningen?

Om det fetmarkerade vore sant rent generellt borde vi vara långt förbi 10 GHz givet vad som lovats i form av "prestandaökning isoeffekt" mellan generation. Tror inte kiselritarna ljuger, men de prestandaförbättringar man listar är typiska "upp till" siffror som är applicerbar på frekvenser rätt långt från maximal frekvens.

Det sista är ju rätt enkelt att svara på: nej, det är inte möjligt att utnyttja prestandaökningen för ökning av maximal frekvens sedan Dennard scaling slutade fungera; det hände någonstans vid 45/65 nm. Efter det har vi inte alls sett en ökning av prestanda per kärna likt den vi såg under väldigt lång tid innan. Vad som fortfarande går att skala är servers och andra system som håller sig nära "optimal" frekvens.

Mitt påstående var "estimat på förbättring av yteffektivitet och effektförbrukning baseras ju på att man följer designreglerna"

Påstår Du att designers inte följer designregler?

Jag förutsätter att man följer designregler. Men det är nog också orsaken till att vi inte alls ser en ökning av maximal frekvens som ens kommer nära vad kiseltillverkarna nämner. Det just p.g.a. Dennard scaling inte längre fungerar.

Kikar man på utvecklingen de senaste noderna så har ju maximal frekvens knappt alls ändras. De vinster som nämns kring prestanda iso-effekt finns däremot för bärbara och servers, där frekvensen ligger runt 3 GHz strecket. Vinsterna kan användas till att öka antalet kärnor samt addera transistorer till varje kärna för högre prestanda vid iso-frekvens.