Intels 10 nanometer kom av sig
Processorjätten Intel har historiskt sett kört på som en ångvält inom halvledarindustrin och varit den obestridda ledaren, med ett försprång som tidigare ansågs vara helt ointagligt. Sen kom nästa stora teknikskifte av sig. Bolagets 10-nanometersteknik är aktuell på bred front först i år, 2021, runt 5 år efter planering. Efterverkningarna av detta har blivit stora.
Bolagets tidigare helt ointagliga försprång har istället vänt till att Intel är på efterkälken och ligger efter kontraktstillverkarna TSMC och Samsung, som båda har mer avancerade transistortäta tekniker. Som ett led i detta har det också möjliggjort för ärkerivalen AMD att få en tillverkningsteknisk fördel, trots att de inte längre har egna fabriker.
Intel visade kiselplattor med 10-nanometersteknik juli 2014. Det var två månader innan arkitekturen Broadwell introducerade 14 nanometer.
En andra konsekvens är att Intel som brukligt trodde på att leverera 10 nanometer, för vilken alla nya arkitekturer och kretsdesigner var gjorda för. Att de misslyckades och fick en teknik som var omöjlig att tillverka på gjorde att bolaget inte hade något nytt att erbjuda på arkitekturfronten. Skylake som var tänkt att vara svanesången för 14 nanometer fick leva vidare i flera generationer.
Att ta fram nya arkitekturer och utveckla nya kretsar är ingen smal sak, utan tar åratal och enorma resurser i miljardklassen – räknat i amerikanska dollar. Kretsarna ska sedan genomgå den mest avancerade tillverkningsprocessen mänskligheten har att frambringa. I takt med att vi jagar mindre transistorer ökar komplexiteten och där med såväl tidsåtgången som resurser som krävs vid utveckling.
Förr i världen var det förhållandevis lätt att kunna välja och vraka mellan olika tillverkningstekniker. Om ens ursprungliga planerade stötte på patrull över längre tid fanns möjligheten att gå tillbaka och stöpa om sagda krets till en äldre, befintlig, teknik. Det är en gammal sanning som inte längre stämmer. Nu måste varje krets med alla integrerade funktioner särskilt anpassas och optimeras för en specifik tillverkningsteknik. Att "bara byta" vid problem existerar inte.
I decennier följde Intel ett tydligt schema som också var vägledande i allt de gjorde – Tick-Tock. Vad detta innebar var att varje ny generation av produkter var antingen ett Tick (krympt tillverkningsteknik) eller ett Tock (en ny arkitektur). Varje produktgeneration och därmed steg lanserades årligen. En ny arkitektur och en ny teknik vartannat år.
Hösten 2014 – 14 nanometer och Broadwell är här
För det mesta levererade Intel som utlovat och i vissa fall försenades ett kliv till en mer avancerad teknik med någon månad. Det första riktiga tecknet på hicka uppstod när det var dags att sjösätta 14 nanometer (Tick) och arkitekturen Broadwell, en krympning av Haswell. Förseningen här handlade förvisso bara om ett fåtal månader, men det blev snart också tydligt att tekniken till en början inte blev fullt lika bra som förutspått.
Intel hade dels problem med yield, antalet fungerande kretsar vid tillverkning, vilket gjorde att de till en början endast släppte mindre kretsar på 14 nanometer. Samtidigt imponerade inte klockfrekvenserna, något som i sin tur gjorde att Haswell på den äldre tekniken 22 nanometer presterade bättre när det väl blev dags att ta Broadwell till mer prestandakritiska segment.
Det här blev inte minst tydligt när Intel augusti 2015 lanserade arkitekturen Skylake och Core 6000-serien. Det blev inga dåliga processorer, tvärtom faktiskt, men det blev ingen solklar grand slam jämfört mot föregående arkitekturen Haswell som tack vare högre klockfrekvenser i vissa fall kunde ta igen fördelarna en ny arkitektur för med sig.
Efter Skylake var det tänkt att Intel skulle lanseras Cannon Lake på 10 nanometer till slutet av år 2016. Det flyttades sedan både framåt och bakåt i tiden, men det allra mesta pekade mot som senaste i början av år 2017. Med andra ord endast några månader efter Intels egen Tick-Tock-strategi som utlovar en ny teknik var 24 månader. Men handen på hjärtat hade det inte spelat någon roll – Intels försprång mot resten av världen kunde räknas i flera år.
Stycket ovan var den tänkta historieskrivning få hade anledning att misstro. I upptakten till lanseringen av Skylake augusti 2015 började dock rykten cirkulera om förseningar av 10 nanometer och därmed även Cannon Lake, krympningen av arkitekturen Skylake. Den mest trovärdiga rapporten kom från Semiconductor Engineering, som gjorde gällande att Intel senarelagt beställningarna av utrustning för tillverkning på just 10 nanometer.
Varje tillverkningstekniskt steg skulle ske vart tredje år, istället för vartannat.
Månaden innan bekräftades att Intels övergång till 10 nanometer sker mycket senare än väntat. Intels dåvarande VD, Brian Krzanich, gick ut med att de drog ut på framgångsrika Tick-Tock-modellen. Varje tillverkningsteknik skulle få sin tid i rampljuset under tre år istället för två, vilket helt sonika innebar tre processorgenerationer på varje teknik. I väntan på Cannon Lake skulle Intel lansera Kaby Lake med "prestandaförbättringar" – i praktiken en Skylake Refresh med finputsad 14 nanometer för högre klockfrekvenser.
Intels 10 nanometer ett allt större sorgebarn
Fram till här var det inga konstigheter. Intel hade stött på problem och tvingats senarelägga nästa generation. Det finns många exempel inom halvledarindustrin på när det här behövts göras. Skillnaden här var att Intel råkade ut för problem. Som tidigare nämnt var dock Intels försprång så pass enormt att det ur konkurrenssynpunkt inte spelade någon roll. TSMC, Samsung och Globalfoundries skulle knappast hinna ikapp, ärkerivalen AMD trampade vatten med ett misslyckande till arkitektur.
Problemen blev dock allt allvarligare och det krävdes ingen djupare insyn för att se det. Till slut fick Intel gå ut med att de tvingades skrota Tick-Tock-modellen, det ständigt återkommande löftet om nyheter. Det här ersattes året efter av ett buzzword vid namn "Hyperscaling", ett nytt löfte där de istället lovade större kliv i transistortäthet för varje krympning.
Att Intel myntade Hyperscaling just då var säkert inte ett sammanträffande. En knapp månad innan, den 2 mars 2017, lanserade AMD arkitekturen Zen, som med generation ett gav "tillräckligt bra" prestanda och många kärnor till ett för tiden bra pris. Intel, som sedan länge visste om hur allvarliga problemen var på 10 nanometer, kontrade samma höst med processorfamiljen "Coffee Lake". Bolaget gick från att erbjuda fyra till sex kärnor, men då de var låsta till 14 nanometer var arkitekturen fortfarande Skylake.
Efter det här fortsatte uppgifter om förseningar av 10 nanometer med tillhörande produkter att avlösa varandra. Intel lyckades till slut få ut ett antal fungerande kretsar ur processorfamiljen Cannon Lake och sälja dessa i bärbara datorer i Kina. Energieffektiviteten var dock bedrövlig och den integrerade grafikdelen fick stängas av. Intel kröp senare till korset och medgav att de var för aggressiva, att de försökte ta ett för stort kliv i transistortäthet.
För att hänga med konkurrenten AMD fick Intel fortsätta att pressa 14 nanometer än hårdare. Sex kärnor blev åtta med "Coffee Lake Refresh" och senare tio med "Comet Lake". Det har nu gått 5,5 år sedan Skylake först lanserades i Core 6000-serien och nu är vi framme vid Core 10000-serien. Det är också först nu som Intel för första gången sedan sensommaren 2015 har en faktisk nyhet att bjuda på – en ny arkitektur.
Det finns mycket mer att skriva om berg-och-dalbanan 10 nanometer, men det får vi be att återkomma till när Intel lanserar Alder Lake.
Intel "Rocket Lake" – från 10 till 14 nanometer
Exakt när Intel inledde arbetet med "Rocket Lake" är det svårt för utomstående att svara på. En kvalificerad gissning är dock att det skedde i samband med, eller kort efter, att AMD lanserade Ryzen 1000-serien och arkitekturen Zen. Att ta fram en ny arkitektur tar åratal och dessa måste sedermera skräddarsys för en specifik tillverkningsteknik.
Arkitekturen Sunny Cove var vid tillfället om inte helt, till mestadels, färdig. Den här var dock tänkt för 10 nanometer och ingick i processorfamiljen Ice Lake, som blev Intels första riktiga produkt på tillverkningstekniken. Det blev en energieffektiv historia, men då endast vid klockfrekvenser en bit under 4,0 GHz. Över detta skenade effektförbrukningen iväg.
Lösningen för att ha något nytt för stationära datorer, där hög enkeltrådad prestanda är viktig, blev att göra en backport av Sunny Cove. Med andra ord att ta designen från 10 nanometer och från grunden bygga upp den på nytt för beprövade 14 nanometer. En sådan process skulle ta ett antal år, varför det inte är helt orimligt att det arbetet inleddes kort efter att AMD var tillbaka i matchen.
Den stora frågan är, och den ska vi besvara idag, hur en arkitektur ursprungligen ämnad 10 nanometer beter sig på 14 nanometer. Att gå ned till en mer avancerad tillverkningsteknik har tekniskt två syften. Det ena att få plats med fler transistorer och det andra att sänka energiförbrukningen. När arkitekturen nu istället tar ett kliv tillbaka till en äldre nod blir de där extra transistorerna en nackdel.
Arkitekturen är identisk, men för att särskilja den från varianten på 10 nanometer har den fått namnet Cypress Cove. Varje processorkärna är signifikant större än beprövade Skylake och utan fördelarna med en krympt teknik är energieffektiviteten sannolikt jämförelsevis hårt ansatt. Dessutom har Intel tvingats gå ned i antalet kärnor, från tio stycken för Comet Lake ned till åtta för Rocket Lake.
När Intel presenterar Rocket Lake blir det tydligt mellan raderna att det är en nödåtgärd. Oavsett varför är det här första gången på 5,5 år som entusiaster får ta del av en helt ny arkitektur från Intel. Frågan är om den klarar av att möta AMD eller om Intel är för sent ute.
