Die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) hat gerade ihr Technologie-Symposium 2024 für Nordamerika abgehalten, auf dem sie Teilnehmer und Investoren über ihre technologischen Zukunftspläne informierte.
Sie fragen vielleicht zu Recht: „Okay, aber was hat das mit mir, einem Nutzer von Apple-Produkten, zu tun?“ Nun, TSMC ist ein Unternehmen, das Chips herstellt, und wahrscheinlich das modernste der Welt. Sie sind Apples Partner für fast alle wichtigen Chips – die A-Serie für iPhones und iPads, die M-Serie für Macs und mehr. Apple ist oft der erste Kunde, der neue Fertigungsverfahren von TSMC nutzt und zahlt einen Aufpreis, um der erste Kunde bei den 5-nm- oder 3-nm-Technologien zu sein.
Hier ist eine Zusammenfassung der TSMC-Roadmap und was sie für künftiges Apple-Silizium und damit für künftige iPhones, iPads, Macs und vieles mehr bedeuten könnte.
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Was ist ein Nanometer?
Bevor wir über die zukünftigen Technologien von TSMC sprechen, sollten wir uns kurz in Erinnerung rufen, was ein „Nanometer“ in diesem Zusammenhang bedeutet. Technisch gesehen handelt es sich um ein Milliardstel eines Meters. Ein menschliches Haar ist zwischen 50.000 und 100.000 nm dick. Die meisten Bakterien sind zwischen 1.000 und 10.000 Nanometern groß.
In der Chip-Fertigung gibt der „Nanometer“ an, wie groß einige der Merkmale des Prozessors sind. Verschiedene Unternehmen messen verschiedene Merkmale – früher war es die Länge zwischen dem Source- und dem Drain-Teil eines Feldeffekttransistors (FET), aber heutzutage messen verschiedene Unternehmen in der Regel unterschiedliche Teile.
Apple
Mit anderen Worten: 5 nm bedeutet, dass einige bestimmte Teile des Chips nur 5 Nanometer groß sind, aber 5 nm von TSMC ist nicht dasselbe wie 5 nm von Intel, nicht dasselbe wie 5 nm von Samsung usw. Eine kleinere Nanometerzahl bedeutet, dass mehr Chiplogik, mehr Cache oder was auch immer auf demselben Platz untergebracht werden kann, was zu leistungsfähigeren Chips, geringerem Stromverbrauch, kleineren Chips, die in kleinere Geräte passen, und so weiter führen kann.
Stellen Sie sich das so vor, Sie würden eine Stadt in Apple Maps betrachten – beim Verkleinern wird alles kleiner, und es werden mehr Gebäude, Straßen und Grundstücke auf demselben Bildschirm angezeigt. Das ist es, was der Wechsel zu einem kleineren Nanometer-Prozess bedeutet: mehr „Stadt“ auf demselben Raum.
Es gibt noch viele andere wichtige Aspekte eines Mikroprozessors, etwa die Art und Weise, wie die Transistoren isoliert sind, die verwendeten Materialien und vieles mehr, aber die Maßeinheit „Nanometer“ hat sich als Unterscheidungsmerkmal zwischen den großen Fertigungsgenerationen durchgesetzt.
3-nm-Fortschritt
Apple war der erste Hersteller, der den ursprünglichen 3-nm-Prozess von TSMCs (N3 genannt) verwendet hat. Das Unternehmen hat diesen Prozess nun mit dem N3E-Verfahren verbessert. Wir gehen davon aus, dass Apple diesen Herbst seine fortschrittlichsten Produkte (A18 und M4) damit herstellen wird. Auch wenn es bedeutsam erscheinen mag, liegt der Schwerpunkt von N3E darauf, die Chips erschwinglicher zu machen. Es gibt leichte Unterschiede bei der Dichte und der Leistung, aber es handelt sich nicht um einen großen Generationswechsel.
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TSMC
2 nm kommt nächstes Jahr
Die nächste große Veränderung ist die Umstellung auf 2 nm, die voraussichtlich 2025 erfolgen wird. Es wird wieder einmal erwartet, dass Apple der erste (und möglicherweise einzige) Kunde sein wird. Es ist also möglich, dass der A19 oder andere Chips (vielleicht ein M5?) ab Ende 2025 diesen Prozess verwenden werden. Alles hängt davon ab, ob TSMC in der Lage ist, die Probleme bei der Herstellung rechtzeitig zu lösen, um mehrere zehn Millionen Chips mit diesem Verfahren zu produzieren.
Es wird erwartet, dass der N2-Prozess den Stromverbrauch im Vergleich zum N3E-Prozess um 25–30 Prozent senkt (für einen Chip gleicher Komplexität und Frequenz) oder die Leistung bei gleichem Stromverbrauch um 10–15 Prozent steigert. Man geht davon aus, dass die Chipdichte (wie viel Material auf eine einzige Fläche passt) um 15 Prozent zunimmt.
Eine interessante Neuerung dieser Chip-Generation, die nicht nur kleiner, dichter und schneller wird, nennt TSMC „NanoFlex“. Damit können Chipdesigner Zellen aus verschiedenen Chip-Libraries auf ein und demselben Wafer verwenden. Normalerweise muss ein Chipdesigner alle Blöcke aus einer „Low-Power“-, „High-Density“- oder „High-Performance“-Library verwenden, je nachdem, was die wichtigsten Anforderungen des Chips sind. Durch die Möglichkeit, Teile aus unterschiedlichen Libraries zu verwenden, können Chips in verschiedenen Bereichen auf ihre Anwendungen abgestimmt werden.
So könnte Apple beispielsweise entscheiden, dass es am wichtigsten ist, die Video- und Audio-Encoder und -Decoder auf dem Chip so klein wie möglich zu halten und diesen Teil des Chips mit den Design-Libraries mit hoher Dichte auslegen, während die energieeffizienten Libraries für die stromsparenden CPU-Kerne und die Hochleistungs-Libraries für die leistungsstarken CPU-Kerne verwendet werden.
Bei den Chips, die Apple herstellt, sind der Stromverbrauch und die Wärmeabgabe der begrenzende Faktor. Man kann also davon ausgehen, dass Chips, die mit dem N2-Verfahren hergestellt werden, 15 bis 20 Prozent mehr „Material“ enthalten (Kerne, Cache, größere und komplexere Video-Encoder usw.), wobei die Taktraten und damit die Leistung im Vergleich zu Chips aus dem Vorjahr etwas höher sind. Die Möglichkeit, bestimmte Teile des Chips mit Tools aus verschiedenen Chip-Libraries zu optimieren, kann sich jedoch in Form einer höheren Spitzenleistung oder eines geringeren Stromverbrauchs im Leerlauf auszahlen.
Im Jahr nach der Veröffentlichung von N2 wird TSMC zwei verbesserte Versionen des Prozesses anbieten: N2P, das sich auf Spitzenleistung konzentriert, und N2X, das sich auf niedrigere Spannungen und Stromverbrauch konzentriert. Es ist noch unklar, ob Apple für die Chips, die 2026 auf den Markt kommen, eine der beiden Versionen verwenden wird.
A16 – machen wir jetzt Ångström?
Die große Veränderung nach 2 nm (N2) ist ein Prozess, den TSMC A16 nennt (nicht zu verwechseln mit dem A16 Bionic). Dabei handelt es sich um einen 1,6-Nanometer-Prozess, aber jetzt geht man von „Nanometern“ zu „Ångström“ über. Ein Ångström) ist ein Zehnmilliardstel eines Meters oder ein Zehnteil eines Nanometers.
Dieser soll erst Ende 2026 eingeführt werden, was für Apple mit Sicherheit zu spät ist. Chips, die mit dem A16-Prozess hergestellt werden, wird Apple deswegen höchstwahrscheinlich erst im Jahr 2027 vorstellen.
TSMC gab einige frühe Schätzungen im Vergleich zum kommenden N2P-Prozess ab, bei dem der A16-Prozess die Leistung bei gleicher Spannung und Komplexität um 8–10 Prozent verbessern oder den Stromverbrauch bei gleicher Frequenz und Transistorzahl um 15–20 Prozent senken soll.
Die große Innovation der A16-Generation wird die rückseitige Stromversorgung sein, die TSMC „Super Power Rail“ nennt. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk für die Stromverteilung auf der Rückseite des Siliziumwafers, das über kleine Tunnel mit den Transistoren verbunden ist. Dies verbessert die Dichte und vielleicht auch die Zuverlässigkeit, da die Stromzufuhr nicht mit all den Signal- und Taktverteilungsleitungen auf der Oberseite des Chips verlegt werden muss. Andere Chiphersteller verfolgen ähnliche Technologien (zum Beispiel Intel mit PowerVia) – im Grunde verschiedene Ansätze für dieselbe Idee.
TSMC könnte mit dieser Technologie etwas später dran sein als Konkurrenten wie Intel, da sie etwas nach hinten verschoben wurde. Ursprünglich sollte sie im N2P-Prozess vorgestellt werden, stattdessen wird sie nun zuerst im A16-Prozess eingeführt.
TSMC
Chips in Apple-Produkten, die den A16-Prozess verwenden, können bei gleichem Stromverbrauch noch mehr Funktionen (mehr Kerne, größere Caches) aufweisen als der N2-Prozess.
Chips mit höherer Dichte oder einem besseren Stromverbrauchsprofil früher als andere zu haben, ist einer der großen Vorteile von Apple, aber die wirkliche Magie kommt von exzellentem Chipdesign und Softwareentwicklung, die Apples Software speziell für die von ihnen produzierten Chips optimiert.
Dieser Artikel erschien ursprünglich in unserer Schwesterpublikation „Macworld“ und wurde aus dem Englischen übersetzt.
