Intel-Halbleiterfertigung: 10 nm Super Fin soll es richten

Fast 20 Prozent besser als Intels bisherige 10-nm-Halbleiterfertigung: Das Resultat ist über 1 GHz mehr Takt.

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Ein 10-nm-Super-Fin-Transistor
Ein 10-nm-Super-Fin-Transistor (Bild: Intel)

Auf dem Architecture Day 2020 hat Intel zwei überarbeitete 10-nm-Verfahren (P1274) vorgestellt, um damit kommende (Grafik)prozessoren für Desktops, Notebooks und Server zu produzieren: Mit den als 10 nm Super Fin und 10 nm Enhanced Super Fin bezeichneten Nodes sollen die seit Jahren anhaltenden Fertigungsprobleme endlich Geschichte sein.

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Von Beginn an verlief der Umstieg von 14 nm auf 10 nm nicht wie geplant, so dass Intel die Serienfertigung immer weiter nach hinten verschieben musste und die Ausbeute (Yield) an funktionsfähigen Chips seit jeher niedrig war. Das erste Design namens Cannon Lake U gelangte abseits einer CPU mit deaktivierter Grafikeinheit nie in den Massenmarkt und das zweite Design - die Ice Lake Y/U für Ultrabooks - erreicht mit bis zu 4,1 GHz nicht ansatzweise die geplanten Taktraten.

Daher blieb Intel nicht anderes übrig, als das 14-nm-Verfahren stetig weiterzuentwickeln: Aus dem initialen 14 nm wurde 14+ nm, später 14++ nm und 14+++ nm und für Cooper Lake SP wurde 14++++ nm verwendet - kein Scherz übrigens, denn Intel nennt die vier Pluszeichen explizit. Gerade 14++ nm war ein wichtiger Schritt, da hier der Gate-Pitch zugunsten von höheren Frequenzen gestreckt wurde, Intel also größere Chips in Kauf nahm. Über die Jahre hinweg summierten sich die Verbesserungen an 14 nm so zu gehörig mehr Leistung, denn laut Hersteller stieg die eigentliche Transistor-Performance von Broadwell bis Cooper Lake um enorme 21 Prozent.

  • Präsentation zu 10 nm Super Fin (Bild: Intel)
  • Präsentation zu 10 nm Super Fin (Bild: Intel)
  • Präsentation zu 10 nm Super Fin (Bild: Intel)
  • Präsentation zu 10 nm Super Fin (Bild: Intel)
  • Präsentation zu 10 nm Super Fin (Bild: Intel)
  • Präsentation zu 10 nm Super Fin (Bild: Intel)
Präsentation zu 10 nm Super Fin (Bild: Intel)

Für die initialen 10 nm hatte sich Intel übernommen, was schlussendlich in zu vielen Defekten endete. Weil das Fertigungsverfahren immer noch auf Immersionslithografie (DUV) statt auf extrem violette Belichtung (EUV) setzt, muss Intel die meisten Schichten der Chips mehrfach belichten. Dieses Self-Aligned-Quad-Patterning (SAQP) ist äußerst fehleranfällig, zudem integrierte Intel weitere technische Neuheiten: Mit Kobalt statt Wolfram sollte die Elektromigration der Interconnects in den feinsten Metall-Layern (M0 bis M1) reduziert werden und mit Contact over Active Gate (COAG) für die Transistoren sollten die Zellen kleiner werden und die Dichte zunehmen.

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10 nm Super Fin wäre nach alter Nomenklatur 10++ nm, denn 10 nm war für Cannon Lake U und 10+ nm war für Ice Lake U/Y. Intel spricht vom größten Intra-Node-Sprung der eigenen Fertigung, denn 10 nm Super Fin soll die Performance um etwa 18 Prozent steigern. Hierzu hat Intel den eigentlichen FinFet-Transistor überarbeitet: Quelle (Source) und Abfluss (Drain) wurden zugunsten von weniger Widerstand optimiert, so dass mehr Strom fließen kann, und auch das veränderte Gate soll für mehr Elektronenmobilität im Kanal sorgen. Wie bei 14++ nm wurde zudem der Gate Pitch geweitet, damit eine höhere Stromstärke und ergo mehr Takt möglich ist.

In den unteren Metall-Layern nahe den Transistoren sollen mehrere, nur wenige Ångström dünne Schichten aus Hi-K-Dielektrikum-Materialen den Widerstand um 30 Prozent reduzieren und so die Leistung der Interconnects verbessern. Hinzu kommt ein Super-MIM-Kondensator (Metal Insulator Metal) in gröberen Layern, welcher die elektrische Kapazität bei gleichem Platzbedarf um das Fünffache steigern soll. Das resultiert in einer deutlich niedrigeren Spannung, was wiederum die Performance drastisch erhöhen soll. Beides zusammen ist laut Intel einzigartig in der Halbleiterindustrie.

OriginalUmbenannt (2018)Umbenannt (2020)
Cannon Lake U10 nm--
Ice Lake Y/U, Snow Ridge, Lakefield, Elkhart Lake, Ice Lake SP10+ nm10 nm10 nm
Tiger Lake Y/U/H, DG1/SG1 (Xe LP), Xe HPC Interposer10++ nm10+ nm10 nm Super Fin
Alder Lake P/S, Xe HPC Rambo Cache, Sapphire Rapids SP10+++ nm10++ nm10 nm Enhanced Super Fin
Intels 10-nm-Bezeichungen im Überblick

Zu den ersten Produkten mit 10 nm Super Fin gehören die Tiger Lake U, so heißt die 11th Gen für Ultrabooks für Spätsommer 2020. Während Ice Lake U bei 15 Watt nur bis zu 3,9 GHz schafft (Core i7-1065G7), soll Tiger Lake U bis zu 4,7 GHz erreichen (Core i7-1165G7). Der Basistakt fällt mit 2,8 GHz statt 1,3 GHz sogar mehr als doppelt so hoch aus.

Weitere Designs mit 10 nm Super Fin sind der Xe-LP-Grafikchip für DG1 (Discrete Graphics 1 für Laptops) und SG1 (Server Graphics 1) sowie der aktive Interposer für den Xe-HPC-Beschleuniger alias Ponte Vecchio, der für Supercomputer gedacht ist. Die nächste Generation heißt 10 nm Enhanced Super Fin, sie wird für die Server-CPUs namens Sapphire Rapids SP und für den Rambo Cache von Ponte Vecchio verwendet.

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