Halvlederprodusenter sliter med å følge Moores lov

[Redaksjonen.]

Halvlederprodusenter sliter med å følge Moores lov

[Xantippe]

Det er klart at Moores lov vil ta slutt og det er kanskje slutt allerede nå. Det spørs om vi vil få se 5 nm teknologi i silisium.

En annen side av Moores lov er at antall fabrikker som klarer å følge med halveres når antall transisorer dobles.

[linux-fan]

En annen logisk, men upraktisk, måte å følge: "Moores lov; at antallet transistorer i en integrert krets vil dobles i løpet av en periode på 18 til 24 måneder." er å lage de integrerte kretsene dobbelt så store, i enda flere lag eller ikke nødvendigvis flate (L, U, E, ... form).

[Anders Jensen]

Det er også en positiv side ved stagneringen innen utviklingen av materialteknologi. Nå blir det økonomisk lønnsomt å se på nye design. Det kan gi store ytelsesforbedringer, men de største fordelene ligger nok innen deler av sikkerhetsaspektet som går på korrekthet og kompleksitet. Det er litt smalt med funksjonalitet i dagens x86 design og kompleksiteten er høy med tilhørende errata liste.

[Lunaris]

Vel GF, Samsung og IBM har allerede jobbet sammen og utviklet 14 nm prosess sammen, som GF lisensierte fra Samsung.

 

GF har ikke nok kunder for 7 nm og det koster mye å utstyre en fabrikk med utstyr. De har faktisk teknologien. De har faktisk utstyr til å lage. De bare ser ingen måte å tjene penger på det. De taper penger slik det er. Så fra nå av skal de fokusere på 12 nm og oppover. Dropper all utvikling av bedre prosesser. Prøver å tjene penger.

 

Samsung har annonsert stor satsing på foundry. Så de er nok ikke ute med det første, men det er klart TSCM er foran alle andre nå.

 

TSCM har aldri hatt store planer for 10 nm. Det å produsere alle nivåene er ikke profitabelt. Kunder ønsker masse gamle produksjonsteknikker også. Så du tar sikte på et par store, og så har du noen korte overgangsprosseser som 10 nm kun til kunder som alltid vil ha noe nytt.

 

TSCM har stooore planer for 7 nm. De skal ha 3 forskjellige versjoner og planlegger stor masseproduksjon. Jeg mener de vil jo få de fleste kundene.

 

Samsung kan tjene på at TSCM sannsynligvis ikke vil kunne klare å produsere nok til alle. Selv om de er litt bak i tid. Hvis Samsung faller ut så har faktisk TSCM monopol. Intel lager bare til seg selv. Alle fabless som vil ha nyeste produksjonsteknikk må da kjøpe fra TSCM. Og jeg mener på dette tidspunktet, klarer Intel å gjøre noe engang?

 

Det har ikke noe å si om du måler transistorer per kvadratmillimeter engang. På alle måter så ligger Intel bare bak. De har ikke fått i stand EUV heller. De slutter nok ikke siden de lager for seg selv. Men om de sluttet og så gikk over til TSCM, så ville vi fått en elendig situasjon i verden altså. 

 

 

Samsung sa de gikk for ekstrem ekspansjon i foundry. Får håpe de får der til. Vi trenger i det minste to selskap. Selv om Samsung gjerne er dårligere så trenger vi dem for konkurranse.

 

Ellers blir det høye ventetider. Produkter som du stadig ikke får tak i. Prisene går opp som bare det. Bare se Nvidia som er essensielt låst til TSCM. Situasjonen der er ikke bra. TSCM klarer ikke å skalere så fort, og når du ikke har noen andre som kan levere noe som helst er det stort problem.

 

Og så er det bare å håpe på ingen tsunami eller noe treffer Taiwan. Tar ut sånn halve verdens foundry produksjon. Får ikke tak i noe lengre.

 

 

Hun fra Intel sa 7 milliarder for utstyr i fabrikk. Samsungs nyeste NAND/RAM fabrikk kostet 15 milliarder USD. 

 

For å lage en stor 7 nm EUV fabrikk så havner vi fort langt over 20 milliarder USD. Tesla sine "Gigafactories" koster rundt 5 milliarder USD. Og Tesla har fått inn utrolig mengder med investering over lang tid for å få tak i nok penger til det. Det å bygge en 7 nm EUV fabrikk for å konkurrere med TSCM blir da 5 ganger dyrere. For ikke å snakke om at teknologikostnadene ikke har grenser. Det er et pengesluk uten ende. Gøy marked altså.

[Lunaris]

En annen logisk, men upraktisk, måte å følge: "Moores lov; at antallet transistorer i en integrert krets vil dobles i løpet av en periode på 18 til 24 måneder." er å lage de integrerte kretsene dobbelt så store, i enda flere lag eller ikke nødvendigvis flate (L, U, E, ... form).

Nvidia gjør dette....

 

En typisk krets er 100 mm^2 for referanse. Intel CPUer og Apple, Qualcomm SoCer ligger i dette området.

 

RTX 2080 TI? Den ligger langt over 800 mm^2. Det er en grunn til at den koster 13.000 kroner for å si det slik. Fult mulig å gjøre, men prisen blir hinsides.

 

Pluss kan ikke gjøre det på mobil pga varme.

[Lunaris]

Det er klart at Moores lov vil ta slutt og det er kanskje slutt allerede nå. Det spørs om vi vil få se 5 nm teknologi i silisium.

En annen side av Moores lov er at antall fabrikker som klarer å følge med halveres når antall transisorer dobles.

Tror fint vi kan se 5 nm. TSCM og Samsung driver med EUV. Problemet er heller prisen ved utvikling. Egentlig så har ikke TSCM og Samsung store problemer med forsinkelser, kun Intel.

 

Vi har ikke hatt halvering i senere tid, fordi kun 4 er igjen. Nå er vi nede i 3 for 7 nm. Så første gang på en stund en har falt ut. Godt mulig vi ser mer frafall ved 5 nm. TSCM monopol ved 5 nm? Dessverre ikke umulig.

[johnrixn]

Neste sprang blir å jobbe motsatt vei, med nanoteknologi. Da kan man plutselig gjøre transistorene mye mer kompakte ved å bygge med enkeltatomer i stedet for å gjøre det på dagens måte.

[Simen1]

Xantipe: Allerede? De fleste litt matematisk oppegående har skjønt at eksponensielle utviklinger ikke kan vare evig. Jeg er imponert over at moores lov har vart så lenge den har.

 

Lunaris: Skjønner ikke helt hva du legger i ordet bedre. Jeg tenker at moores lov handler om kostnadseffektivitet og ikke hva som er teknisk mulig. Hvis ikke 7 nm blir mer kostnadseffektivt enn 10nm er det bedre da?

 

John: Hvordan har du tenkt til å masseprodusere noe sånt kostnadseffektivt? Er det ikke over 30 år siden IBM skrev initsialene sine med atomer? Noe som sikkert tok timer med presisjonsarbeid, prøving og feiling. Den teknikken kommer aldri til å bli kostnadseffektiv i denne sammenhengen.

[OlaML]

Kanskje blir den neste epoken å gjøre 10 nm (eller hva det nå stopper på) billigere og lettere å pakke flere kjerner sammen og så skrive programmer som parallelliseres bedre. Da er det Amdahls lov som gjelder.

[Lunaris]

Neste sprang blir å jobbe motsatt vei, med nanoteknologi. Da kan man plutselig gjøre transistorene mye mer kompakte ved å bygge med enkeltatomer i stedet for å gjøre det på dagens måte.

Ehm, det de holder på med nå ER nanoteknologi.

 

Det å bygge opp med enkeltatomer er ekstremt vanskelig, og umulig å gjøre per i dag. Kanskje en gang i veldig lang tid i fremtiden. Eller med gjennombrudd, men ikke med det første nei.

 

 

Samsung, GF og IBM har forskningsgruppe sammen. De samarbeider med masse universiteter. De prøver alt de kan tenke på for å finne noe nytt, men så langt ingen suksess.

[Lunaris]

Kanskje blir den neste epoken å gjøre 10 nm (eller hva det nå stopper på) billigere og lettere å pakke flere kjerner sammen og så skrive programmer som parallelliseres bedre. Da er det Amdahls lov som gjelder.

Vel alle gjør tidligere prosesser (som 14 nm, 28 nm, 45 nm) bedre og billigere. Og veldig mange kunder kjøper brikker laget på disse prosessene. Det er ikke slik at de går over på neste og så går all produksjonskapasitet over på nyeste prosess. Og at de stopper all utvikling. 10 nm er ikke en prosess som er ment for å produseres i langt tid. Det er 16/14/12 og så 7 nm.

 

Og ja parallellisering + mer spesialkretser ville vært fint, men det å få folk til å skrive mer parallelliserte programmer er ikke lett. Krever mye mer utviklingstid.

[Lunaris]

Lunaris: Skjønner ikke helt hva du legger i ordet bedre. Jeg tenker at moores lov handler om kostnadseffektivitet og ikke hva som er teknisk mulig. Hvis ikke 7 nm blir mer kostnadseffektivt enn 10nm er det bedre da?

Spørs på kunden det. Se på mobiler. De bryr seg ikke hva som er kostnadseffektivt. Vi hadde ikke sett noen TSCM 10 nm Apple SoC om de tenkte på kostnadseffektivitet. De trenger 10 nm for å bruke det som salgsargument. 

 

Se på Nvidia RTX 2080 Ti. Den er gigantisk. Ikke kostnadseffektivt en plass. Prisen havner på 13K det er galskap, men de bryr seg ikke. De utgir produktet med best ytelse, koste hva det koste vil. 

 

Andre kunder vil si at de ikke ser noen bedre noder enn 16 nm fra TSCM som er så veldig kostnadseffektive og bare lage på 16 nm.

 

Det er masse forskjellige kunder. Er langt ifra alle som bryr seg om det er kostnadseffektivt eller ikke, om det kan gi dem 10% mer ytelse.

[Simen1]

Jeg tror du misforstår litt. Kostnadseffektivt er ikke det samme som billig. Hvis kundene kan kjøpe en 14 nm brikke som yter 10% bedre enn en 10 nm brikke til samme pris, hva tror du de velger da? Eventuelt en 14 nm og en 10 nm brikke som yter likt og har samme TDP, men der sistnevnte koster 10% mer? Det er dit vi er på vei. Prisen på nytt produksjonsutstyr øker dramatisk for hver generasjon og nå er det så dyrt at selv verdens største brikkeprodusenter vurderer det som for dyrt. Oppgraderer de en fabrikk fra f.eks 14 til 10 nm så koster det et titalls milliarder som må tjenes inn på et vis. Folk kjøper jo ikke eksponentielt dyrere maskiner med tida så det må tjenes inn på volum. Terskelen for lønnsomt volum stiger for hver generasjon og nå sliter altså selv verdens største brikkeprodusenter med å se lønnsomhet i ytterligere krymping.

 

Som flere her har vært inne på så må man begynne å se mer på teknikker som tidligere var vurdert som for dyre relativt til å bare krympe kretsene ennå litt til. Parallellprosessering, lag-oppbygning, 3D-strukturer, andre instruksjonssett etc.

[Lunaris]

Jeg tror det blir en merkelig antagelse. Om den nye prosessen er både dårligere og dyrere enn den gamle er det selvfølgelig null grunn til å gå over til den nye. Eller om ytelsen er lik og. TDP er eller lite relevant her da det er Thermal Design Power. I eksempelvis en mobil når du taket uansett så alle topp SoCer har lik TDP, men det betyr ikke strømtrekk er likt.

 

Alltid når nye prosesser slippes så er de bedre. Noe annet har aldri vært tilfellet. Eller du kan kanskje argumentere med at Intel 10 nm var det? Men det er jo en grunn til at Intel er i full krise og ikke masseproduserer på 10 nm.  Gikk at en prosess er "ferdig" er den alltid bedre.

 

Den kan være 10% bedre, men 30% dyrere f.eks derimot. Når tradisjonelt forbedringer i teknologi har gjort at chipen ble både bedre og prisen ble lik og dermed drastisk reduserte pris/transistor. De klarer fortsatt å få nye prosesser bedre, men prisene begynner å gå mer og mer opp.

 

Forstår ikke argumentet med at selv verdens største foundrys sliter med  lønnsomheten. Det er jo de eneste som driver med krymping. GF er ikke akkurat store. De som produserer større volum wafere og har foundrys er per i dag Intel, TSCM og Samsung. Ingen andre er store. Og de 3 holder på fortsatt. GF har essensielt hatt AMD, og det er det. Når går AMD over på 7 nm for TSCM.

 

 

Og det du må huske på at de som faktisk er store og klarer å få volumene tjener latterlig mye penger. Samsung tjente 10 milliarder USD på 17 milliard USD i salg i Q2 2018 på halvleder. Så NAND/RAM/Foundry. Og forventer å komme opp til 10 milliarder USD i salg for 2018 og ta 2. plass under TSCM som vel når 35 milliarder +. De få store igjen tjener mye penger, og alle andre må gi opp. Det er slik det fungerer. 

 

RAM har jo bare 3 selskap igjen: Samsung, Mircon, SK Hynix. Og bare se på RAM prisene med en gang demand øker. De 3 har ikke stort behov for å utvide kapasitet raskt, prøve å dekke og utkonkurrere, fordi det er bare 3 igjen. De kan nå bare sitter der og rake inn penger. Fordi virkelig ingen andre kan gjøre noe med dem.

[Simen1]

Den kan være 10% bedre, men 30% dyrere f.eks derimot.

Igjen, hva lgger du i "bedre"? Det er ikke gitt at en krymping medfører hverken økt ytelse, høyere klokkefrekvenser, eller lavere energibruk/TDP etc. Klokkefrevkenser økte eksponensielt fram til ca 2001, men har knapt rørt seg siden den gangen. Parallellitet, cache, bussystemer osv har økt, men ser nå ut til å nærme seg enden på krympinger i 2D. Effektforbruk var tidligere dominert av switching og kapistans, men har blitt stadig mer dominert av lekkasjestrømmer "tunneling". Dette er et resultat krymping. Man har brukt stadig mer eksotiske metoder og grunnstoffer for å motvirke disse negative sidene, men nå tror jeg reportoiret av motmidler begynner å nærme seg slutten. Derfor tar jeg ikke for gitt at ytterligere krympinger gir lavere effetforbruk.

 

Husk at hovedmotivasjonen for å krympe er å kunne produsere flere brikker per wafer. Altså økt volum. Ytelse, klokkefrekvenser og effektforbruk har vært positive bieffekter som har fulgt med på kjøpet, men klokkefrekvens har stagnert for lengst og de to andre faktorene nærmer seg stagnasjon de også.

[Lunaris]

Igjen, hva lgger du i "bedre"? Det er ikke gitt at en krymping medfører hverken økt ytelse, høyere klokkefrekvenser, eller lavere energibruk/TDP etc. Klokkefrevkenser økte eksponensielt fram til ca 2001, men har knapt rørt seg siden den gangen. Parallellitet, cache, bussystemer osv har økt, men ser nå ut til å nærme seg enden på krympinger i 2D. Effektforbruk var tidligere dominert av switching og kapistans, men har blitt stadig mer dominert av lekkasjestrømmer "tunneling". Dette er et resultat krymping. Man har brukt stadig mer eksotiske metoder og grunnstoffer for å motvirke disse negative sidene, men nå tror jeg reportoiret av motmidler begynner å nærme seg slutten. Derfor tar jeg ikke for gitt at ytterligere krympinger gir lavere effetforbruk.

 

Husk at hovedmotivasjonen for å krympe er å kunne produsere flere brikker per wafer. Altså økt volum. Ytelse, klokkefrekvenser og effektforbruk har vært positive bieffekter som har fulgt med på kjøpet, men klokkefrekvens har stagnert for lengst og de to andre faktorene nærmer seg stagnasjon de også.

Med bedre mener jeg høyere ytelse med lavere strømforbruk. Og du har helt rett i at krymping ikke må gjøre det bedre, men om den ikke gjør så er det heller ikke noen som vil lage med den prosessen. Jeg er enig i at hovedmålet før var å produsere høyere volum. Så det å få puttet mer transistorer inn per wafer + større wafere var noe de ønsket for å kunne produsere flere kretser til lavere pris. Og gjøre større kretser mer økonomiske å produsere. Da hovedsaklig kostnaden lå i areal ikke antall transistorer.

 

Nå derimot? Når Samsung gikk over til 3D NAND gikk de tilbake til 45 nm eller 65 nm, fordi dette var billigere. Alle som ikke trenger den ekstra ytelsen og lavere strømtrekk som forbedret produksjonstrekk gir lager ikke kretser på 14 nm. Mye billigere å få laget på 45, 65 eller eldre. Det som driver utviklingen er å gi brikkeprodusenter en fordel over konkurrenter i ytelse og strømtrekk.

 

Du har og rett i at dette er blitt veldig vanskelig, da selv om aktivt strømtrekk blir redusert så er passivt strømtrekk blitt enormt problem, og det har ingenting for seg å redusere aktivt strømtrekk om passivt strømtrekk øker så mye at chipen trekker mer strøm total uansett. Det at frekvens ikke har økt derimot er ikke sant. Snapdragon S2 hadde 800 Mhz i 2010. I 2018 er Snapdragon på nesten 3 GHz. Det er ganske bra utvikling. Intel har endel problemer fordi de ligger på så høy frekvens, men de som var mye lavere har økt mye. Samme gjelder for GPU. Nvidia har hentet mye ytelse i senere tid på å øke ytelse per kjerne.

 

 

Og så lenge de klarer å lage prosesser som gir mer ytelse, lavere strømtrekk så vil de kjøpes. Selv om disse er dyre og forsåvidt ikke verdt det i forhold til pris/transistor.

 

Og det at det nærmer seg slutten er helt klart, men vi vet fortsatt ikke hvor den faktiske slutten der. Vi får jo 7 nm nå. Får vi 5 nm, får vi 3 nm? Kanskje. Kanskje får vi mindre. Det å gå over til EUV hjelper en del på selve muligheten med å faktisk produsere det noelunde effektivt. Hverken TSCM, Samsung eller Intel har annonsert noen slutt enda. Og TSCM fortsetter fremover i henhold til planene sine. Så så langt er faktisk alle problemene løsbare.