Nach mehr als einem Jahrzehnt der Dominanz gab Intel seinem Hauptkonkurrenten AMD Platz. Jeremy Laird versuchte herauszufinden, wo Intel auf dem falschen Weg war und wie es auf den Feind reagieren würde.
Was genau ist mit Intel passiert? Der einst unbestrittene Marktführer bei der Herstellung von Prozessoren und Mikroschaltungen ist heute in fast allen möglichen Indikatoren den Konkurrenten unterlegen. Die CPUs von AMD erwiesen sich als ausgefeilter, und die Produktionstechnologie von TSMC war effizienter. Es sieht so aus, als hätte sich Intel völlig verirrt.
Selbst auf dem Markt für mobile PCs, auf dem der Hersteller seit Jahrzehnten der absolute Marktführer ist, sind Intel-Prozessoren dem neuen Renoir-Hybrid von AMD gewichen.
Die Dinge sind so schlecht, dass Apple Pläne angekündigt hat, die Beziehungen zum Hersteller zu kappen und eigene ARM-basierte Chips zu produzieren. Schlimmer noch, Gerüchten zufolge erwägt Intel selbst eine Partnerschaft mit TSMC, um bestimmte Produkte in Zukunft herauszubringen, darunter die erste benutzerdefinierte Grafikkarte. Im Wesentlichen kann dies eine völlige Demütigung für das Unternehmen sein.
Oder ist das nur eine Vermutung? Trotz aller Schwierigkeiten erreichte der Umsatz von Intel im vergangenen Jahr einen Rekordwert von 72 Milliarden US-Dollar. In Wirklichkeit besteht das größte Problem des Herstellers darin, dass er nicht mit der Dynamik der Nachfrage aus sogenannten Hyperscale-Rechenzentren Schritt hält. Dies sind Unternehmen wie Amazon, Microsoft, Google, Facebook und andere, denen einfach genug Xeon-Prozessoren fehlen. In der Zwischenzeit gibt es gute Gründe zu der Annahme, dass Intel in Bezug auf die Herstellung von Chips und CPU-Mikroarchitekturen bald zu seiner früheren Position zurückkehren wird.
Wie können Sie Intels Probleme und Unglück auf den Punkt bringen? "10 Nanometer", würde ich sagen. Und es ist nicht nur das Scheitern der Chip-Technologie - solche Argumente können für jedes Unternehmen zur Herstellung von Mikroarchitekturen vorgebracht werden, das sich seit Jahrzehnten auf seinen Lorbeeren ausruht. Aber 10 Nanometer! Das ist ein Desaster.
Dieser Begriff "10 Nanometer" bezieht sich auf einen Prozess oder eine Anordnung, die zur Herstellung von Computerchips verwendet wird. 10 nm sind theoretisch die Größe der kleinsten Komponenten in einem Chip. In der Praxis haben Prozessnamen und tatsächliche Größen von Komponenten, wie z. B. Transistor-Gates in einem Desktop-Prozessor, in letzter Zeit keine Beziehung mehr zueinander. Und höchstwahrscheinlich gibt es im Intel-Prozessor keine solche Komponente, die wirklich 10 nm groß ist.
Dieses Fehlen einer direkten Beziehung zwischen Komponentengröße und Baugruppenbeschreibung wird problematischer, wenn es darum geht, die Arbeitsabläufe konkurrierender Hersteller zu vergleichen. Aber dazu später mehr. Und jetzt interessieren wir uns für die 10-nm-Prozesstechnologie von Intel und ihre Nachteile. Es sollte ursprünglich im Jahr 2015 eingeführt werden. Es ist jetzt die zweite Hälfte des Jahres 2020, aber die Produktpalette mit 10-nm-Chips ist gering. Sie können keine Desktop-PCs oder Server-CPUs kaufen, die auf dem oben genannten technischen Prozess basieren. Nur mobile Prozessoren für Laptops und Tablets haben auf 10-nm-Technologie umgestellt, und selbst dann nur solche mit geringem und extrem geringem Stromverbrauch. Der Rest wurde auf 14 nm aktualisiert.
Diese Tatsachen müssen unter Berücksichtigung des von Intel selbst verabschiedeten Standards - Moores Gesetz - berücksichtigt werden, und daher ist es notwendig, den Widerstand der Gesetze der Physik zu berücksichtigen, mit denen Chipdesigner in den letzten Jahren konfrontiert waren. Noch größere Schwierigkeiten bei der Halbleiterherstellung können jedoch auftreten, wenn einzelne Transistoren die Größe einer Handvoll Atome erreichen und mysteriöse Quanteneffekte wie das Tunneln erfahren. Aber das ist eine ganz andere Geschichte.
Höchstwahrscheinlich sind alle Probleme von Intel auf übermäßige Ambitionen, Veralterung einer bestimmten Produktionstechnologie, möglicherweise Selbstzufriedenheit und mangelnde Investitionen zurückzuführen.
Laut Intel-Chef Bob Swan sind die 10-nm-Probleme von Intel „eine Art Ableitung dessen, was wir in der Vergangenheit getan haben. Dann haben wir versucht zu gewinnen, egal was passiert. Und in besonders schwierigen Zeiten haben wir uns noch ehrgeizigere Ziele gesetzt. Und deshalb haben wir mehr Zeit gebraucht, um sie zu erreichen. “
Hohe Erwartungen an Mikroschaltungen
Für einen 10-nm-Technologieknoten bedeutet dieses ehrgeizige Ziel eine 2,7-fache Erhöhung der Transistordichte. Mit anderen Worten, ein 10-nm-Knoten enthält 2,7-mal mehr Transistoren pro Einheits-Chipfläche als ein 14-nm-Knoten. Insbesondere enthalten die 14-nm-Prozessoren 37,5 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter, während ein Quadratmillimeter 10-nm-Kristalle 100 Millionen Transistoren enthält. Der dramatische Anstieg der Transistordichte macht die 10-nm-Technologie im Vergleich zu anderen Verfahrenstechnologien viel ehrgeiziger.
Die 2,5-fache Zunahme der Dichte und der Übergang von 22 nm zu 14 nm Technologie war beeindruckend. Der Übergang von 32 nm zu 22 nm bedeutete jedoch eine 2,1-fache Zunahme der Dichte und eine 2-fache Zunahme der Dichte von 45 nm auf 32 nm. dreimal. Das Verständnis dieser Änderungen erklärt die Unterschiede zwischen Intel und konkurrierenden Knoten. Zum Beispiel impliziert die 10-nm-Technologie von Intel eine Dichte von 100,8 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter. Diese Zahl ist etwas höher als die von TSMC mit 96,5 Millionen Transistoren (später kündigte TSMC 113,9 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter für eine verbesserte 7-nm-Prozesstechnologie an). Alle drei 7-nm-Knoten von Samsung unterschreiten ebenfalls die 100-Millionen-Marke.
Dies liegt daran, dass die 10-nm-Technologie von Intel sehr ehrgeizig war - so sehr, dass das Unternehmen 2017 das Label "Hyper Scaling" hinzufügte, um auf die erhöhte Dichte aufmerksam zu machen. Im Nachhinein kann argumentiert werden, dass die Erwartungen zu hoch waren. Dies liegt daran, dass Intel einen Endknoten basierend auf der aktuellen Fern-UV-Lithographie (DUV) erstellt hat. Kurz gesagt, die Größe der Komponenten in einer Mikroschaltung wird durch die Wellenlänge des Lichts bestimmt, das in lithografischen Prozessen verwendet wird. Diese Prozesse gravieren Komponenten auf die Oberfläche eines Siliziumsubstrats, und PC-Prozessoren werden aus Siliziumwafern geschnitten.
Dies ist keine direkte Beziehung. Verschiedene Techniken und Zusatzoptionen können ebenfalls Auswirkungen haben, z. B. Masken, die tatsächlich als Multiplikator verwendet werden und die Größe von Komponenten unter die tatsächliche Wellenlänge des Lichts reduzieren.
DUV-Chipherstellungsgeräte verwenden UV-Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm. Die Dichte der Transistoren bei einer bestimmten Wellenlänge ist jedoch begrenzt. Intel hat diese Grenze überschritten.
Das Ergebnis ist eine beschämende Verzögerung der Produktfreigabe um fünf Jahre. Dies ist eine Ewigkeit in Bezug auf die Intel-Volumendynamik und das Moore-Gesetz. Selbst jetzt gibt es Hinweise darauf, dass der 10-nm-Prozess nicht so ist, wie er sein sollte. Ice Lake, die neuen mobilen Prozessoren der zehnten Generation, beschleunigen also langsamer als ihre 14-nm-Vorgänger. Die schnellsten 10-nm-Ice-Lake-Prozessoren, der Core i7-1065G7, erreichen eine Höchstgeschwindigkeit von 3,9 GHz, während der Core i7-8665U der 8. Generation satte 900 MHz schneller ist. Das ist verdammt viel, was bedeutet, dass im Produktionsprozess etwas schief geht.
Ein weiterer Beweis dafür, dass der 10-nm-Prozess die Erwartungen von Intel nicht erfüllt hat, ist die Partnerschaft von Prozessoren der 10. Generation mit geringem Stromverbrauch. Zusammen mit den aktuellen Ice Lake-CPUs wird eine neue Comet Lake-Familie veröffentlicht, die beide als 10. Generation eingestuft werden.
Wie Ice Lake sind auch die mobilen Prozessoren von Comet Lake in den Formaten Low Power und Ultra Low Power erhältlich.
Im Gegensatz zu Ice Lake verwendet Comet Lake 14 nm und nicht 10 nm und erstreckt sich auf 6-Core-Modelle mit einer maximalen Taktrate von 4,9 GHz.
Infolgedessen können Sie bereits einen Laptop mit einem Prozessor kaufen, der das Intel-Logo der 10. Generation trägt. Was sich jedoch in der Verpackung befindet, kann von dem angegebenen abweichen. Wenn der Prozessor 2 oder 4 Kerne hat, kann er stromsparend oder extrem stromsparend sein. Und auch 10 Nanometer oder 14 Nanometer. Es kann auf der Skylake-Mikroarchitektur 2015 oder der völlig neuen Sunny Cove basieren und auch als Eissee betrachtet werden.
Probleme mit der Mikroarchitektur
Die Erwähnung von Sunny Cove bringt uns natürlich zu einem weiteren großen Intel-Fehler - der Mikroarchitektur. Bis zur Veröffentlichung von 10-nm-Ice-Lake-Chips für ultraportable Laptops Ende letzten Jahres basierte eine Vielzahl von Prozessoren für Desktops, Laptops und Server auf der 2014 erstmals vorgestellten 14-nm-Prozesstechnologie und der 2015 erschienenen Skylake-Architektur. Beide wurden tausende Male regiert, aber es wurden keine wesentlichen Änderungen an den Updates vorgenommen.
Darüber hinaus konnte Intel seit der Einführung der Nehalem-Mikroarchitektur im Jahr 2008 nur 4 Prozessorkerne für gängige PC-Modelle anbieten. Dies dauerte bis zur Veröffentlichung der Coffee Lake-Mikroarchitektur 2017, einer weiterentwickelten Version von Skylake, und der anschließenden Erhöhung auf sechs Kerne. Seit fast einem Jahrzehnt hat Intel die Anzahl der Kerne für seine Mainstream-Produktmodelle nicht erhöht.
In etwas weniger als zweieinhalb Jahren hat Intel mit der Veröffentlichung von Comet Lake, einem Skylake-Umbau der 14-nm-CPU-Familie, die Messlatte für beliebte Desktop-Prozessoren auf 10 Kerne angehoben. Es stellt sich heraus, dass es 10 Jahre lang keine Schichten gab, und dann gab es in kurzer Zeit eine 2,5-fache Zunahme. Was hätte nach einer langen Stagnation zu einem so starken Anstieg der Kerne führen können? Der Grund dafür ist das Aufkommen der Zen-Architektur von AMD und den Ryzen-Prozessoren, deren erste Generation 2017 veröffentlicht wurde. Einfach ausgedrückt, Intel war faul, bis es einen Konkurrenten bekam.
Selbst mit zehn Kernen liegt Intel natürlich weit hinter AMD, das derzeit 16 Kerne in beliebten PCs mit Ryzen-Prozessoren der 3. Generation anbietet. Ihr Vorteil liegt auch in der Tatsache, dass sie auf der 7-nm-Prozesstechnologie von TSMC basieren.
Im mobilen Bereich ist Intel nicht besser. Die neue 7-nm-Renoir-APU von AMD verfügt über acht Zen-2-Kerne mit 15 Watt. Intel hat es nur geschafft, einen 6-Kern-Comet Lake Core-i7 10810U als Konkurrent herzustellen. Dies ist ein Prozessor mit einer Taktrate von nur 1,1 GHz. Der 15-Watt-Ryzen 7 4800U ist mit 8 Kernen ausgestattet und mit 1,8 GHz getaktet. Kein schmeichelhafter Vergleich.
Ein Blick in die Zukunft
Hier ist die Version der Staatsanwaltschaft. Die letzten Jahre waren für Intel technologisch nicht fruchtbar. George Davis, CFO des Unternehmens, sagte über den 10-nm-Flop: „Dieser Technologieknoten wird definitiv nicht der beste in der Geschichte von Intel sein. Es ist weniger effizient als die 14-nm-Prozesstechnologie und weniger effizient als die 22-nm-Prozesstechnologie. " Aber sind die Folgen der gegenwärtigen Schwierigkeiten von Intel wirklich so katastrophal?
Aus finanzieller Sicht kann diese Frage eindeutig beantwortet werden - nein. In Wirklichkeit ist nicht nur die aktuelle Situation nicht so schlecht, tatsächlich gibt es überhaupt kein Problem. Die Einnahmen von Intel erreichten 2019 Rekordhöhen. Seit Mitte 2018 ist der Umsatz aufgrund der technologischen Stagnation nicht gesunken, und der Hersteller selbst hatte Schwierigkeiten, die Nachfrage nach seinen 14-nm-Prozessoren zu befriedigen.
Wenn Sie tiefer graben, können Sie zu dem Schluss kommen, dass zumindest ein Teil des Problems im Prozess liegt. Die Anzahl der Kerne in Intel Server-Prozessoren ist mit dem Aufkommen der 14-nm-Ära sprunghaft angestiegen. Intel bietet jetzt bis zu 28 Kerne in einem einzigen Prozessorchip an. Dies bedeutet, dass je mehr Kerne im selben Prozess vorhanden sind, desto weniger Prozessoren aus einem Halbleiterwafer extrahiert werden können, was wiederum zu einer begrenzten Versorgung führen kann.
Was auch immer man sagen mag, Intel hat keine finanziellen Schwierigkeiten, und dieser Umstand ist der Hauptgrund, warum der Hersteller den Wettbewerbern in Bezug auf Produkte und Technologie eine anständige Antwort geben kann.
Und dieser Effekt ist bereits sichtbar. Ice Lake-Prozessoren haben eine neue Mikroarchitektur namens Sunny Cove. Es verbessert die Leistung pro Uhr um 18% gegenüber Coffee Lake, einer Weiterentwicklung der Skylake-Mikroarchitektur.
Und das ist erst der Anfang. Ein entscheidender Faktor für die Wiederbelebung der Mikroarchitektur von Intel war die Aufnahme von Jim Keller in das Team, das das Entwicklungsteam für Mikroprozessoren leitete.
Obwohl er plant, diesen Posten in sechs Monaten zu verlassen, ist der Beitrag, den er zur Entwicklung des Unternehmens leisten kann, nicht zu unterschätzen. Keller ist einer der angesehensten, wenn nicht der angesehenste Mikroprozessorarchitekten.
Es wurde berühmt für die Entwicklung der Mikroarchitektur des K8-Prozessors mit dem Codenamen Athlon 64 und des ersten Chips von AMD, der mit Intel konkurrierte. Später arbeitete Keller bei Apple und entwarf eine Reihe von ARM-basierten Prozessoren aus eigener Produktion, die später die führenden Positionen auf dem Smartphone- und Tablet-Markt einnahmen. 2012 kehrte Keller zu AMD zurück, leitete die Entwicklung der Zen-Mikroarchitektur und stellte AMD erneut die Tools zur Bekämpfung von Intel zur Verfügung. Nach einer kurzen Amtszeit als Leiter des Tesla-Teams für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen übernahm Keller im April 2018 die Position des Senior Vice President von Intel.
Angesichts der Zeitspanne zwischen dem Design und der Mikroarchitektur der Prozessoren und der Einführung der Produkteinführung ist es höchst unwahrscheinlich, dass die neuen Sunny Cove-Kerne in Ice Lake-Prozessoren von Keller stammen. Gleiches gilt für die Willow Cove-Architektur, die Sunny Cove folgt. Es ist geplant, Ende dieses Jahres für eine Familie von 14-nm-Backport-Prozessoren freigegeben zu werden, dh die "umgekehrte Übertragung" der neuen Mikroarchitektur auf den "alten" technischen Prozess, Rocket Lake-Prozessoren.
Die Mikroarchitektur von Golden Cove wird einen noch größeren Schritt nach vorne machen und den Grundstein für geplante Alder Lake-Prozessoren im Laufe des nächsten Jahres legen. Aber selbst Golden Cove kann nicht als vollständige Kreation von Keller angesehen werden. Dazu müssen wir warten, bis Ocean Cove 2022 oder 2023 herauskommt, obwohl Kellers bevorstehender Abgang bedeuten wird, dass sein Einfluss auf das Projekt wahrscheinlich etwas begrenzt sein wird.
Es gibt noch keine offiziellen Informationen über Ocean Cove. Vor kurzem gab es Gerüchte, dass die Leistung dieser Mikroarchitektur 80% höher sein wird als die von Skylake. Obwohl dies nur Gerüchte sind, wissen wir mit Sicherheit, dass Keller eine herausragende Erfolgsbilanz vorweisen kann und dass Intel einen ehrgeizigen strategischen Plan hat, der weit über das hinausgeht, was er vor Jahren getan hat. Wie Keller sagte: "Wir planen, die Anzahl der Transistoren um das 50-fache zu erhöhen und alles zu tun, um das Beste aus jedem Stapel herauszuholen."
Gleichzeitig unterliegen 7-nm-CPUs, die den problematischen 10-nm-Prozessoren folgen, nicht denselben Einschränkungen wie ihre Vorgänger. Für die Herstellung von 7-nm-Prozessoren wird die Lithographie im extremen Ultraviolettbereich (EUV) mit einer Wellenlänge von bis zu 13,5 nm verwendet. Mit anderen Worten, die 7-nm-Prozesstechnologie hat sich dramatisch verändert. Die Zeit wird es zeigen, aber jetzt können wir definitiv sagen, dass Intels Prognosen zu optimistisch sind.
Intel plant, den Übergang von 7 nm auf 5 nm und darüber hinaus zu beschleunigen. Dies bedeutet, dass der Hersteller im Gegensatz zu der derzeit kostspieligen Technologie aktiv neue Technologien entwickeln wird, auch wenn Investitionen in Forschung und Entwicklung erforderlich sind. Darüber hinaus geht Intel davon aus, dass Intel unter Einbeziehung der EUV-Lithographie zu den vorherigen Produktionsraten zurückkehren wird - einmal alle zwei Jahre, beginnend mit einer 7-nm-Prozesstechnologie Ende 2021 bis zur Veröffentlichung der 1,4-nm-Technologie im Jahr 2029. "Ich denke, EUV wird uns helfen, zu dem Tempo zurückzukehren, mit dem die Transistoren von Moore's Law zunehmen", sagte Davis.
Alles zusammen ergibt den Eindruck, dass Intel die Standards für die Erstellung der fortschrittlichsten Architekturen und der schnellsten Prozessoren zurückgibt. Ob dies passieren wird, ist eine andere Frage. AMD ist jetzt wohl in einer besseren Position als Intel, obwohl letzterer deutlich mehr Anstrengungen unternimmt. Die strategische Roadmap von AMD für Mikroarchitekturen, einschließlich Zen 3 und Zen 4, in Verbindung mit den Technologielösungen von TSMC wird den Wettbewerb zwischen den beiden Herstellern fördern. Wir werden jedoch die Niederlage von Intel nicht vorhersagen.
Immerhin, als NetBurst und Pentium 4 das letzte Mal ihren Weg fanden und Intel ins Stocken geriet, war die Antwort die Core-Dynastie und die Marktführerschaft auf dem Prozessormarkt für ein Jahrzehnt.