7 vs 14 nm

Intels und TSMCs Transistoren im Größenvergleich

Vor etwas mehr als zwei Jahren legte Roman Hartung alias der8auer an der Hochschule Heilbronn einen Intel Core i7-8700K unter ein Rasterelektronenmikroskop oder kurz REM. Bei der Firma Tescan hat man sich nun einen AMD Ryzen 9 3950X und einen Intel Core i9-10900K, bzw. die darin befindlichen Chips einmal genauer angeschaut. Es geht darum, sich einmal anzuschauen, in wie weit sich die Fertigung in 7 und 14 nm unterscheidet.

Über Hitze, ein Anschleifen und weitere Bearbeitungsschritte wurden der 10-Kern-Die von Intel sowie der CCD und der IOD des Ryzen 9 3950X vom Package gelöst. Bevor man die Bauteile unter das Rasterelektronenmikroskop legen konnte, mussten weitere Bearbeitungsschritte gemacht werden. Unter anderem muss die Probe auf einen Probenhalter geklebt werden. Damit das REM seine Arbeit machen kann, muss diese mittels eines elektrisch leitenden Klebers aufgebracht werden.

In weiteren Schritten wurde der zu beobachtende Teil der Probe mit Platin bedampft und ein Ionenstrahl schneidet eine feine Lamelle aus dem Material, damit diese schlussendlich entnommen und untersucht werden kann. Das Bedampfen dauert mehrere Stunden und das Anbringen einer Probennadel an ein Bauteil, welches nur noch eine Länge von 100 µm hat, ist alles andere als einfach. Mit Platin wird die Probe final am Probenhalter angebracht, auf 200 bis 300 nm dünn geschnitten und kann nun endlich durchleuchtet werden.

In den ersten beiden Videos werden die Themen der Vorbereitung und der Funktionsweise eines Rasterelektronenmikroskops noch einmal genauer behandelt. Im dritten und letzten Video ging es nun um die Abbildung der Transistoren.

Im Video sind dann auch die Transistoren zu sehen – die des Ryzen-Prozessors, gefertigt in 7 nm (TSMC, N7), und die des Intel-Prozessors, gefertigt in 14 nm (14 nm+++). Auffällig dabei: Die Gate-Breite der Transistoren im Intel Core i9-10900K ist mit 24 nm gar nicht so weit weg von der Gate-Breite des in 7 nm gefertigten Ryzen-Prozessors mit etwa 22 nm. Auch die Höhe der Gates ist sehr ähnlich, allerdings kann TSMC die Transistoren enger, bzw. dichter packen.

Die Quintessenz ist hier einmal mehr: Vergleiche auf Basis eines Werts in der Fertigung sind wenig sinnvoll. Es geht um die Packdichte und eine 3D-Struktur kann eben in drei Dimensionen in der Größe skalieren und nicht nur in einer. Hinzu kommt: Es gibt unterschiedliche Typen an Transistoren, je nachdem ob sie im Cache verwendet werden oder in der Logik des Prozessors. Intel und TSMC liegen bei 7, bzw. 10 nm bei etwa 90 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter. Für 5 nm (TSMC), bzw. 7 nm (Intel) wird dann eine Transistordichte von über 150 MT/mm² angepeilt.

Aber noch einmal, auch diese Werte können nicht so einfach miteinander verglichen werden, da ein High-End-Prozessor bereits unterschiedliche Transistoren verwendet, für eine GPU gilt dies ebenso. Zuletzt haben wir uns damit bei den neuen Ampere-GPUs bei NVIDIA beschäftigt. Eine in 8 nm bei Samsung gefertigte GA102-GPU kommt auf 44,56 MT/mm², die in 7 nm bei TSMC gefertigte GA100 auf 65,37 MT/mm².