Logik und I/O skalieren verschieden

Dass in einem PC mehrere Halbleiter sitzen, die mit unterschiedlichen Verfahren gefertigt werden, ist historisch gesehen eher die Regel als die Ausnahme. Seit der Pentium-Ära von Intel wendet das Unternehmen, das damals schon größter Halbleiterhersteller der Welt war, einen recht cleveren Kniff an: Die Prozessoren werden in der aktuellen Strukturbreite gefertigt, die Chipsätze in der jeweils vorherigen. Dadurch kann Intel die älteren Chipfabriken lange weiter nutzen, was zeitweise auch AMD tat - vorher hatte sich dieses Unternehmen vor allem auf Dritthersteller für die Chipsätze verlassen.

Die PC-Infrastruktur dieser Zeit bot sich dafür an: Die CPU enthielt nur die Rechenwerke, das Bussystem für Steckkarten und den Speichercontroller stellt der eine Teil des Chipsatzes bereit, genannt Northbridge. Die Southbridge als dritter Baustein kümmerte sich um die restliche Ein- und Ausgabe wie USB und direkt angebundene Massenspeicher. Mit der Integration von Speichercontroller und PCI-Express in den Prozessor, bei Intel mit der Core-CPU Nehalem vollzogen, bei AMD mit dem Athlon64, fiel die Northbridge weg. Künftig bestanden die Chipsätze nur aus einem Baustein.

AMD bricht dieses Konzept nun wieder auf, denn das I/O-Die von Zen 2 ist nichts anderes als eine Northbridge - und so wie früher bei Intel wird sie in einem älteren und billigeren Verfahren hergestellt. Die Kosten sind aber nicht der einzige Faktor, vielmehr skalieren die unterschiedlichen Features von Prozessorkernen und I/O unterschiedlich gut mit den Strukturbreiten.

Bei der Entwicklung eines kleineren Herstellungsverfahrens werden in der Regel vor allem statische Speicherbausteine produziert, die SRAMs. Das sind schachbrettartige und völlig gleichförmige Strukturen, bei denen sich die Qualität der Produktion besonders leicht beurteilen lässt. Beim Blick auf das Die eines modernen Prozessors finden sich diese Strukturen schnell wieder, denn die größten Bereiche nehmen die Caches und andere Zwischenspeicher wie beispielsweise Buffer ein. Diese sind aus SRAM gebaut. Auf höchste Schaltgeschwindigkeiten, und damit kleinere Strukturbreiten, sind vorwiegend die Rechenwerke wie ein x86-Kern angewiesen. Für beides, Logik und SRAM, bietet sich damit eine kleinere Strukturbreite an.

Anders ist das bei den jeweils ganz unterschiedlich gestalteten Funktionseinheiten wie USB, Sata und Netzwerkports, die ein I/O-Baustein bereitstellen muss. Diese enthalten große Teile analoger Elektronik, und lassen sich bei Aufrechterhaltung der korrekten Spannungen und Stromstärken nicht mehr beliebig verkleinern. Hier gibt es zwar den Trend, einiges der Analogelektronik in Treiberbausteine auszulagern, doch dies macht die Systeme wiederum komplexer und damit teurer. Zudem entwickeln sich insbesondere die Schnittstellen immer schneller weiter, man denke nur an die Integration fast aller Bussysteme in eine USB-C-Buchse und die ständig neuen Versionen von HDMI, was durch den anhaltenden Boom der Heimelektronik vorangetrieben wird.

Intel reagiert bereits

AMDs Schritt zur Aufteilung von Kernen und I/O ist also mehr als nachvollziehbar. Den Multi-Chip-Packages, auch MCP oder MCM genannt, wird die absehbare Zukunft bei x86-Prozessoren gehören. Zumindest auf dem Papier hat Intel bereits nachgezogen: Der aus zwei Dies bestehende Xeon "Cascade Lake" mit 48 Kernen dürfte nur der Anfang sein. Da Intel aktuell noch nicht einmal mit der 14-Nanometer-Fertigung genügend Stückzahlen erreicht, dürften die enormen Investitionen in die Fabriken noch lange genutzt werden, selbst wenn dann die 10-Nanometer-Fertigung endlich richtig Fahrt aufnimmt. Die Frage ist nur, wie schnell sich die bisherigen monolithischen Designs umstellen lassen. Bei AMD war das von Anfang an so geplant, denn die Entwicklung der Zen-Architektur mit Mehrchip-Konstruktionen begann Mark Papermaster zufolge schon im Jahr 2012.

Damit ist klar, dass die Weiterentwicklung von Leistung und Funktion von Prozessoren vorerst nicht mehr nur von der Verkleinerung von Strukturbreiten getrieben wird. Da Silizium als Trägermaterial jenseits der schon geplanten 5 Nanometern ausgereizt ist, muss man sich immerhin keine Sorgen machen, dass die Innovation ganz ins Stocken gerät. Multi-Chip-Module und clevere Vernetzung dürften noch eine ganze Weile die PCs vorantreiben - und das ist eine gute Nachricht für Hersteller und Nutzer.