Die Shrink Explained

Zentraleinheiten (CPUs) werden immer kleiner und dichter, was zu mehr Leistung und Effizienz führt. Seit der ersten Pentium-CPU von Intel, die in einem 0,8 Mikrometer (μm) großen Fertigungsprozess hergestellt wurde, hat sich die Gesamtgröße von CPUs drastisch verringert. Bruchteile eines Mikrometers waren ein Jahrzehnt lang der Standard für die Chipgröße. Mit der Veröffentlichung der zweiten Generation des Intel Pentium III-Prozessors wurde dann auf Nanometer (nm) umgestellt, was 1/1000 der Größe eines Mikrometers entspricht. Für den Prozessor selbst wurde ein Die Shrink von nur 180 nm verwendet.

Der Begriff Die Shrink, der auch als optisches Schrumpfen oder Prozessschrumpfen bezeichnet wird, bezieht sich auf die Skalierung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Transistoren. Das „Schrumpfen eines Die“ bedeutet, dass ein identischer Schaltkreis mit Hilfe fortschrittlicher Fertigungsverfahren hergestellt wird, die in der Regel einen fortschrittlichen lithografischen Knotenpunkt umfassen. Seit der Markteinführung des Intel Pentium III-Prozessors sind Nanometer weiterhin die aktuelle Größe für alle CPU-Transistoren.

Aktuelle Die-Größen

Um ein konkretes Beispiel zu geben, vergleichen wir CPU-Transistoren mit einer menschlichen Haarsträhne anhand der obigen Abbildung. Die dickere Strähne im Bild ist ein menschliches Haar und die kleinere Strähne ist ein 6 μm dicker Kohlenstofffaden. Wir haben bereits erwähnt, dass Intels erster Pentium-Prozessor 0,8 μm-Transistoren verwendete, was kleiner ist als der 6 μm-Kohlenstofffaden und nach den heutigen Standards für CPU-Mikroarchitekturen als groß gilt. Der derzeitige Mainstream-Standard, der sowohl von Intel als auch von AMD angeboten wird, liegt bei 14 Nanometern (nm). Zur Erinnerung: Ein Nanometer ist 1/1000 der Größe eines Mikrometers und damit wesentlich kleiner als ein Kohlenstofffaden. Intels 14-nm-Mikroarchitektur wird Kaby Lake genannt und umfasst die Prozessoren der 7000er-Serie der 7. Ursprünglich sollte Kaby Lake ein „Die Shrink“ sein, aber aufgrund der zunehmenden Hürden, die der Umgang mit immer kleiner werdenden Größen mit sich bringt, wurde Kaby Lake stattdessen auf der 14-nm-Ebene optimiert.

Die Zukunft der CPU-Mikroarchitekturen

Trotz der Schwierigkeiten von Intel und AMD, das Tempo der Verdoppelung der Transistoranzahl alle zwei Jahre beizubehalten, werden weiterhin Fortschritte gemacht, wenn auch etwas langsamer als früher. Intel war bekannt dafür, den „Tick-Tock“-Veröffentlichungszeitplan für seine CPU-Mikroarchitektur zu erstellen. Der „Tick“-Teil des Zeitplans war eine Verkleinerung des Chips und der „Tock“-Teil war ein brandneues Mikroarchitekturdesign. Intel ist nun zum Modell der „Prozessarchitektur-Optimierung“ übergegangen, das im Wesentlichen eine zweite Optimierungsversion vorsieht, um mehr Zeit für eine weitere Verkleinerung des Prozessorchips zu haben.

Dank der Verbesserungen in der Lithografietechnik sind 10-nm-CPUs auf dem Weg. Um wirklich zu verstehen, wie klein 10 nm ist, ist es vergleichbar mit der Größe einer einzelnen Proteinkette. Intels 10-nm-Cannonlake-Mikroarchitektur wird voraussichtlich im vierten Quartal dieses Jahres auf den Markt kommen, vorausgesetzt, dass es keine weiteren unvorhergesehenen Verzögerungen gibt. Laut Intel bringt Cannonlake eine Leistungssteigerung von 15 % gegenüber der vorherigen Mikroarchitektur Kaby Lake mit sich. Benchmark-Zahlen müssen noch veröffentlicht werden, aber es gibt kaum Zweifel daran, dass die Umstellung auf 10 nm sowohl ein monumentaler als auch vorteilhafter Schritt nach vorn für die CPU-Architektur und die Verbraucher sein wird, die so geduldig darauf warten.