"Meteor Lake": Höhere CPU-Taktfrequenzen mit Intel-4-Fertigung

Intel gibt Details zum nächsten Fertigungsprozess Intel 4 bekannt, den der Chiphersteller im Jahr 2023 mit der Prozessorbaureihe Meteor Lake für Desktop-PCs und Notebooks einführen will. Verglichen mit dem bisherigen Intel-7-Prozess, den Intel bei allen Alder-Lake-Prozessoren (Core i-12000) einsetzt, soll die neue Prozessgeneration mindestens 20 Prozent höhere CPU-Taktfrequenzen bei gleicher Leistungsaufnahme ermöglichen. Alternativ sinkt der Strombedarf bei gleichen Taktfrequenzen um 40 Prozent.

Den konkreten Vergleich stellt Intel zwar deutlich unterhalb der 3-GHz-Marke an, allerdings verbessert sich die komplette Kurve aus Taktfrequenzen und Leistungsaufnahme. Somit sollte es nicht zum gleichen Problem kommen wie beim vorherigen Generationswechsel: Intel optimierte die 14-Nanometer-Fertigung notgedrungen so gut auf hohe Taktfrequenzen, dass der 10-nm-Prozess (heute Intel 7 genannt) jahrelang hinterherhinkte und folglich nicht für die schnellsten Desktop-Prozessoren genügte.

Die Transistordichte verdoppelt sich beim Wechsel von Intel 7auf Intel 4 in etwa. Das schafft Intel zum einen mit dem erstmaligen Einsatz von extrem-ultraviolettem (EUV-)Licht, der bestimmte Fertigungsschritte deutlich vereinfacht. Die Chipauftragsfertiger TSMC und Samsung verwenden EUV-Belichter schon seit Jahren, Intel hinkt noch hinterher. Zum anderen sind die Bibliotheken, die den Aufbau eines Transistors beschreiben, deutlich kompakter gestaltet.

Aus vergangenen Fehlern gelernt

Mit einem halbierten Flächenbedarf setzt Intel auf einen üblichen Skalierungsfaktor im Rahmen eines Generationssprungs – und lernt damit aus vergangenen Fehlern beim 10-nm-Prozess. Letzterer sollte ursprünglich um den Faktor 2,7 dichter werden als 14 nm, verzögerte sich aufgrund massiver Probleme bei der Ausbeute aber um mehrere Jahre.

Unter anderem ersetzte Intel beim 10-nm-Prozess bei den tiefsten Metallschichten (Metal Layer) das Kupfer durch Kobalt. Diese Metallschichten leiten den Strom und verschalten so die Transistoren im Siliziumchip miteinander. Kobalt sollte damals die Elektromigration signifikant verbessern, zeigte sich aber beim Leitungswiderstand anfällig. Intels Probleme rund um 10 nm wurden maßgeblich dem Kobalt zugeschrieben.

Bei Intel 4 kehrt der Chiphersteller zu Kupferschichten zurück, ummantelt diese aber mit einer Mischung aus Tantal und Kobalt. Das Resultat nennt Intel verbessertes Kupfer (enhanced Copper, eCU) und stellt einen Mittelweg dar: Der Leitungswiderstand ist noch besser als bei den bisherigen Kupferlegierungen und die Elektromigration befindet sich fast auf dem Niveau von Kobalt. Insgesamt 18 Metallschichten gibt es, fünf davon mit eCU. Das Füllmaterial besteht wieder vollständig aus Wolfram und nicht mehr teilweise aus Kobalt.

Chipfertigungs-Tick-Tock

Eine Art Tick-Tock-Modell soll zudem ein Desaster wie bei den 10 nm verhindern: Der Intel-4-Prozess ist mit stark eingegrenzten Design-Regeln einzig für hauseigene CPUs gedacht und muss nicht etwa für GPUs oder I/O-Blöcke herhalten. Intel wird damit hauptsächlich die Compute-Tiles der Meteor-Lake-Prozessoren fertigen und alle anderen Chiplet-Komponenten mit älteren Prozessen auflegen oder beim Chipauftragsfertiger TSMC bestellen, darunter die Tiles für die GPU, den SoC-Teil (Speicher-Controller, PCI-Express-5.0-Interface) und I/O (Chipsatz-Funktionalität).

Intel 3 heißt eine verbesserte Version von Intel 4, die sich breiter gefächert für allerlei Logikblöcke eignen soll, etwa für GPUs. Die Firma produziert mit dem Intel-3-Fertigungsprozess die eigenen Xeon-Prozessoren Granite Rapids und Sierra Forest, bietet ihn anders als Intel 4 aber auch Drittfirmen als Chipauftragsfertiger an.

Nach Intel 3 beginnt die Angström-Ära, die den Transistoraufbau von FinFETs zu Gates all around (GAA) wechselt – bei Intel RibbonFETs genannt. Gleichzeitig führt Intel mit dem ersten Angström-Prozess A20 Power Vias ein, die die Transistoren von unten mit Strom versorgen. TSMC sieht GAA-Transistoren ab der 2-nm-Generation vor, Samsung ab 3 nm.

Die Präsentation zum 4er-Fertigungsprozess erstellte Intel für das IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits 2022.

(mma)