Die Bedeutung von 7nm und 10nm bei CPUs
Prozessoren, auch CPUs genannt, bestehen aus Abermilliarden winziger Transistoren. Diese Transistoren agieren wie elektrische Schalter, die sich öffnen und schließen, um Rechenoperationen auszuführen. Für diesen Prozess benötigen sie Energie. Bemerkenswert ist, dass je kleiner ein Transistor ist, desto geringer ist der benötigte Strom. Die Bezeichnungen „7nm“ und „10nm“ geben die Größe dieser Transistoren an – „nm“ steht für Nanometer, eine extrem kleine Längeneinheit. Diese Kennzahlen sind hilfreich, um die Leistungsfähigkeit einer CPU einzuschätzen.
Zum Vergleich: „10nm“ beschreibt Intels neuen Produktionsprozess, der für das vierte Quartal 2019 geplant war. „7nm“ hingegen bezieht sich meist auf den Prozess von TSMC, auf dem die neuen CPUs von AMD und Apples A12X-Chip basieren.
Warum sind diese neuen Fertigungsprozesse so entscheidend?
Das Mooresche Gesetz, eine lange beobachtete Annahme, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip jährlich verdoppelt und gleichzeitig die Kosten halbiert werden, hat sich in den letzten Jahren verlangsamt. Ende der 90er und Anfang der 2000er Jahre halbierte sich die Transistorgröße etwa alle zwei Jahre, was zu regelmäßigen, deutlichen Leistungssteigerungen führte. Die weitere Miniaturisierung wurde jedoch zunehmend komplexer, und seit 2014 gab es keine nennenswerte Transistorverkleinerung mehr bei Intel. Diese neuen Prozesse markieren die ersten größeren Verkleinerungen seit langer Zeit, insbesondere bei Intel, und stellen somit eine kurzzeitige Wiederbelebung des Mooreschen Gesetzes dar.
Da Intel ins Hintertreffen geraten ist, konnten sogar mobile Geräte aufholen. So wird Apples A12X-Chip im 7nm-Prozess von TSMC gefertigt und Samsung hat einen eigenen 10nm-Prozess entwickelt. Mit den kommenden AMD-CPUs, die ebenfalls auf dem 7nm-Prozess von TSMC basieren, ergibt sich für AMD die Chance, Intel in puncto Leistung zu übertreffen und das Intel-Monopol auf dem Markt herauszufordern. Dies gilt zumindest, bis Intels 10nm „Sunny Cove“-Chips auf den Markt kommen.
Die tatsächliche Bedeutung von „nm“
Die Herstellung von CPUs erfolgt mittels Fotolithografie. Dabei wird ein Abbild der CPU auf eine Siliziumscheibe geätzt. Die Methode wird als Prozessknoten bezeichnet und ist ein Maß dafür, wie klein ein Hersteller die Transistoren fertigen kann.
Da kleinere Transistoren energieeffizienter arbeiten, können sie mehr Berechnungen durchführen, ohne zu überhitzen – was oft ein begrenzender Faktor für die CPU-Leistung ist. Darüber hinaus ermöglicht es eine geringere Chipgröße, was die Produktionskosten senkt und die Dichte bei gleichbleibender Größe erhöhen kann. Dies führt zu einer höheren Anzahl von Kernen pro Chip. Die 7nm-Technologie ist effektiv doppelt so dicht wie der vorherige 14nm-Knoten. Dies erlaubt Unternehmen wie AMD, Serverchips mit 64 Kernen auf den Markt zu bringen, eine erhebliche Verbesserung gegenüber den vorherigen 32 Kernen (und Intels 28 Kernen).
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Intels fortwährende Verwendung des 14nm-Knotens nicht automatisch bedeutet, dass AMDs neue 7nm-Prozessoren doppelt so schnell sind. Die Leistung skaliert nicht linear mit der Transistorgröße und auf so kleinen Ebenen sind diese Zahlen nicht mehr so genau. Die Messungen der einzelnen Chiphersteller können sich unterscheiden, weshalb diese Zahlen eher als Marketingbegriffe zur Produktsegmentierung und nicht als präzise Messungen von Leistung oder Größe betrachtet werden sollten. Es wird beispielsweise erwartet, dass Intels kommender 10nm-Knoten mit dem 7nm-Knoten von TSMC konkurrieren wird, obwohl die Zahlen nicht identisch sind.
Mobile Chips werden die größten Fortschritte erleben
Die Verkleinerung der Transistorgröße ist nicht nur für die reine Leistung von Bedeutung, sondern hat auch erhebliche Auswirkungen auf mobile und Laptop-Chips mit geringem Stromverbrauch. Mit 7nm (im Vergleich zu 14nm) könnte man bei gleicher Leistung 25% mehr Leistung erzielen, oder man erhält die gleiche Leistung bei halbem Energieverbrauch. Das bedeutet längere Akkulaufzeiten bei gleicher Leistung und viel leistungsfähigere Chips für kleinere Geräte. Durch die Effizienzsteigerung kann man praktisch doppelt so viel Leistung in das gleiche Leistungslimit packen. Wir haben bereits gesehen, wie Apples A12X-Chip einige ältere Intel-Chips in Benchmark-Tests übertroffen hat, obwohl er passiv gekühlt und in einem Smartphone verbaut ist. Und das ist nur der erste 7nm-Chip, der auf den Markt kommt.
Eine Transistorverkleinerung ist stets eine positive Entwicklung, da schnellere und energieeffizientere Chips nahezu jeden Aspekt der Technologie beeinflussen. 2019 ist ein aufregendes Jahr für die Technologie durch die Einführung dieser neuesten Technologien, und es ist erfreulich zu sehen, dass das Mooresche Gesetz noch nicht ganz außer Kraft gesetzt ist.