מה ההבדל האמיתי בין ה-14nm של אינטל ל-7nm של TSMC

לא מעט אנשים אומרים שאינטל תקועה מאחור לעומת יצרניות כדוגמת TSMC המשתמשות לכאורה בליתוגרפיות (תהליכי ייצור) הרבה יותר מתקדמות. כמות ה-memes הקיימים ברשת על 14nm+++++ היא פשוט עצומה אבל האם היא באמת מוצדקת?

ישנם לא מעט מאמרים ובכירים בתעשיית השבבים שאומרים כי ננו-מטר (nm) הוא כבר מזמן לא מדד מהימן לגודל המעבד או הטרנזיסטור. כשחושבים על זה לעומק זה גם נשמע הגיוני. כשאומרים 14nm, או 7nm וכן הלאה מתכוונים למעשה לגודל של רכיבים מזעריים הקיימים בתוך המעבד הנקראים טרנזיסטורים. בעבר, עד לשנת 2012 המדד היצרניות השתמשו בטרנזיסטורים פשוטים ובהם באמת הייתה חשיבות לגדלים הללו למרות שכבר אז התחילו הבעיות עם יחידת המידה הזו.

החל משנת 2012, אינטל ולאחריה גם יצרניות מעבדים אחרות התחילו להשתמש בסוג חדש לגמרי של אותם רכיבים קטנים הנקראים טרנזיסטורים. במהלך 2012 אינטל ושאר היצרניות עברו לשימוש בטרנזיסטורים הנקראים Fin Field-Effect Transistor, או בקצרה FinFet. המעבר הזה נעשה בגלל המגבלות הפיזיקליות שבהקטנת הטרנזיסטורים "הרגילים" הקודמים לגדלים של 14nm ומטה.

בניגוד לטרנזיסטורים שהיו בשימוש בעבר, טרנזיסטורי FinFet בנויים מצורה הרבה יותר מורכבת, הם הפכו מרכיבים דו מימדיים לרכיבים תלת-מימדיים הבנויים משלל צורות וגדלים. כך, אם נשווה שני טרנזיסטורי 7nm של שתי חברות ייתכן ולחברה אחת יהיו טרנזיסטורים מאוד גבוהים וארוכים ואילו לשנייה יהיה טרנזיסטורים גבוהים אך לא ארוכים אבל מה שבטוח הוא שלשניהם יהיה אותו רוחב. בעוד שמדובר באותו הרוחב, השוני במימדים האחרים משפיע באופן משמעותי על צריכת החשמל ועל כמות הטרנזיסטורים שניתן לשים פר יחידת שטח.

הבדיקה של Der8auer

האוברקלוקר המפורסם Der8auer החליט לקחת את הנושא צעד אחד קדימה ובעזרת מעבדה מקצועית הוא השווה בין 14nm של אינטל לבין 7nm של TSMC. לצורך הבדיקה, הוא לקח שני מעבדים מודרניים והשווה את הצורה והגודל של הטרנזיסטורים שלהם באמצעות מיקרוסקופים וכלים מיוחדים כאשר את הפלט שלהם הוא ניתח יחד עם חוקר מקצועי בתוכנות מיוחדות.

כפי שניתן לראות מן התמונה, במבט מהצד ההבדל בין העובי והגובה של הטרנזיסטורים הוא קטן במיוחד, גם כאשר מדברים בקנה מידע של ננו-מטרים אך כן נציין כי לפי הבדיקות שנערכו המרווח בין הטרנזיסטורים מעט קטן יותר במקרה של TSMC, אך לא פי 2 כפי שעולה מן השמות 14nm ו-7nm.

התמונה הנ"ל מראה כמובן מידע חלקי שכן כפי שציינו, הטרנזיסטורים הם גופים תלת-מימדיים מורכבים. לצורך המשך ההשוואה, Der8auer התייחס גם לתהליך הייצור 10nm של אינטל ולכמות הטרנזיסטורים הניתן להכניס פר מילימטר רבוע, השוואה שנעשתה גם על ידי PC Gamer כאן. לצורך ההשוואה הזו, אין צורך בכלים מיוחדים אלא דווקא במסמכי הנתונים הטכניים של תהליכי הייצור. מהבדיקות שנעשו עולה כי כמות הטרנזיסטורים שניתן להכניס במילימטר רבוע ב-10nm של אינטל דומה בקירוב מאוד גבוה לכמות הטרנזיסטורים אשר ניתן להכניס במילימטר רבוע ב-7nm של TSMC.

אם נלך כמה שנים אחורה, לימים בהם TSMC ואינטל השתמשו שתיהן ב-"14nm" אנחנו נראה כי צפיפות הטרנזיסטורים של אינטל הייתה 37.5MTr/mm² ואילו צפיפות הטרנזיסטורים אצל TSMC הייתה בכלל 28.88MTr/mm². המשחק הזה הוא אינסופי ויש לא מעט מדדים המאפשרים להציג באור חיובי או שלישי תהליכי ייצור אחד ביחס לשני. אפשר גם להראות כיצד צפיפות הטרנזיסטורים הראשונים של אינטל שיוצרו ב-14nm קטנה משמעותית ביחס ל-7nm של TSMC למרות שהם בעלי גובה זהה ולמרות שהמרחק בין הטרנזיסטורים מאוד דומה.

לסיכום: לא עוד ננומטר

כמו שנאמר על ידי המגזין המכובד EEJournal, כפי שאמר Der8auer וכפי שנאמר על ידי מומחים רבים בעולם – מדד הננו-מטר לא באמת מספק את תמונת המצב האמיתית וקשה עד לכדי בלתי אפשרי להשוות בעזרת המדד הזה ליתוגרפיה של יצרנית אחת מול יצרנית אחרת. האמת, שעבור המשתמשים זה מדד שלא אמור להוות פקטור בשום שלב של הקנייה כי מה שחשוב בסופו של יום הוא הביצועים שמפיק המעבד. אם תבוא מחר חברה חדשה ותספק לי 100FPS ב-Crysis 4 על ההגדרות הגבוהות ביותר עם ליבה אחת, 100Mhz ותהליך ייצור של 22nm אין ספק שאקנה את המעבד הזה למרות שעל הנייר הוא לא נראה "טוב".

אני מקווה שהיצרניות יעברו בשלב כלשהו לשיטת ייצוג חדשה שתשקף באופן אמיתי יותר את ההבדלים בין תהליכי הייצור השונים.