Jak zdražuje výroba čipů: 3nm wafer stojí 2× víc než 7nm. Musí ale CPU a GPU zdražit o tolik?

14
Wafer s 10nm serverovými procesory Intel Xeon Ice Lake SP 1600
Wafer s 10nm serverovými procesory Intel Xeon Ice Lake-SP - ilustrační foto
-
Zdroj: Intel

Budoucí GPU a CPU se nevyhnou zdražování. Výroba 3nm čipů bude u TSMC stát dvakrát víc než 7nm křemík. Ale pozor – zdražení nemusí být „nutné“ v takové míře, kolik se třeba firmy budou snažit tvrdit.

Hodně se mluví o tom, že výrobní náklady nejmodernějších čipů vyráběných pokročilými křemíkovými procesy jdou pořád nahoru, což povede i k vyšším cenám koncových produktů (pokud firmy nenajdou cesty k nějakému zmenšení čipů, o což se AMD snaží s čiplety). Obvykle k tomu ale nejsou konkrétní čísla ukazující, jak moc výroba zdražuje. Teď se ale takové zajímavé srovnání objevilo na webu DigiTimes, zejména o tom, jak draho přijdou 3nm čipy.

Článek DigiTimes se odvolává na zdroje z počítačového průmyslu a vypočítává, kolik zhruba stály nové výrobní procesy v době svého uvedení. Přesněji řečeno – kolik stála výroba u TSMC, z kterého se od té doby stal absolutní a nezpochybnitelný lídr, ovšem ještě před 10–15 lety to tak nebylo.

Už historické (z pohledu dnešního využití) procesy 90 nm a 40 nm z let 2004 a 2008 stály ještě jen 2000 $ a 2600 $ za wafer, což se u 28nm procesu zvýšilo na 3000 $ (v grafu je uvedený rok 2014, ale proces byl dostupný dříve). Pro připomenutí: wafer je 300mm (v anglických textech se uvádí rozměr 12 palců) široká kruhová deska, vyrobená jako řez z křemíkového krystalu. Na ni se fotolitografií teprve vytvoří tranzistory jednotlivých čipů ve vzoru vedle sebe jako kousky koláče nebo poštovní známky na aršíku a poté se nanesou kovové vrstvy.

To, čemu říkáme čip, vznikne rozřezáním na individuální kousky, kterých může podle velikosti čipu být pár desítek až několik stovek. Cena čipu závisí jednak na tom, kolik vás stojí wafer, ale také na tom, kolik z jedné tuto fixní částku stojící desky vyrobíte („vytěžíte“) použitelných čipů. Od toho se odvíjí vysoká cena velkých čipů, jako jsou highendová GPU nebo nejvýkonnější serverová CPU.

Intel 10th Gen Wafer 2
Čipy Ice Lake-Y/U jeden vedle druhého na waferu (zdroj: Intel)

Zdražování od příchodu FinFETů

Zatímco až do 28nm procesu se cena čipů odvíjela od oné základní ceny 2000–3000 $ za wafer, pak začala docela strmě růst. Nejspíš to začalo už 16nm procesem (v PC se tento proces objevil s grafikami GeForce GTX 1000 od Nvidie – AMD používalo srovnatelnou 14nm technologii Samsungu/GlobalFoundries), který je ale v grafu vynechán. V éře po zavedení 3D tranzistorů (FinFETy), které byly poprvé u 16 nm, je uvedená až cena za 10nm výrobu – to už stál jeden 300mm wafer 6000 $.

Poté přišel 7nm proces, který byl hodně zlomový, s ním získalo TSMC jasnou převahu a podobně také jeho použití vyneslo převahu AMD proti Intelu. Tato technologie ale také znamenala značné zdražení – jeden wafer stál už 10 000 $ za stejně velkou 300mm desku.

I na 5nm procesu, který je u TSMC jako první od začátku na bázi technologie EUV, cena opět stoupla. Podle DigiTimes již wafer stojí okolo 16 000 $. Toto se asi může trošku měnit podle pozice a síly zákazníka – je pravděpodobné, že Apple bude mít proti menším zvířatům nějakou slevu.

3nm výrobního procesu pak cena za výrobu dosáhne dalšího rekordu. TSMC za tuto technologii bude údajně účtovat (respektive už asi účtuje) 20 000 $ za wafer. DigiTimes k tomu podotýká, že se můžete připravit na to, že například iPhone může stát víc, až do něj Apple začne 3nm procesor osazovat.

Vývoj ceny jednoho waferu u výrobních procesů TSMC
Vývoj ceny jednoho waferu u výrobních procesů TSMC (zdroj: DigiTimes)

Zvýšení výrobních nákladů versus zvýšení cen, které platíte

V kontextu tohoto zdražování waferů jste si možná vzpomněli na kritizované vysoké ceny, které Nvidia nasadila u grafik GeForce RTX 4000. Ty mají 4nm čipy, u nichž by cena měla být podobná jako u 5nm procesu v grafu (proces 4N je derivát 5nm technologie). Je to tedy nakonec ospravedlnitelné? Nejspíš i tak úplně není. Problém zdražení grafik GeForce RTX 4000 – zejména u modelu RTX 4080 16GB za 1200 $ a RTX 4080 12GB / RTX 4070 Ti za 900 $ – není ani tak v samotném zdražení, ale v jeho míře.

Nějaké zvýšení cen třeba proti 28nm a 16nm GPU smysl dává. Ale čip samotný je jen část nákladů na celou grafickou kartu a celkové zdražení takové GeForce RTX 4080, kde šla z generace na generaci cena nahoru o 71 %, nejspíš neodpovídá tomu, jak narostly ceny výroby čipů GPU. Vytýkat modelům jako RTX 4080 a RTX 4070 Ti předražení je téměř určitě legitimní stížnost i přesto, že jejich GPU jsou dražší. I RTX 4090 se svým výrazně větším čipem má nejspíš dost prostoru v marži a 1600 $ by stát nemusela, jak možná jednou uvidíme, když se na konci kariéry bude vyprodávat.

Samotný wafer není úplně dominantní zdroj výrobních nákladů

Pro orientaci – 5nm čiplet s osmi jádry Zen 4, který AMD používá v procesorech Ryzen 7000, by měl mít rozměr okolo 10,7 × 6,75 mm. Podle tohoto online kalkulátoru by to mělo umožnit dostat z waferu až 841 maximálně použitelných čipů (berte to ale s rezervou, v praxi to může vycházet trošku jinak). Z toho nějaká část může být nepoužitelná, byť i částečně defektní kusy se dají zachránit, pokud je lze zprovoznit vypnutím jádra či bloku zasaženého defektem. Pokud bychom ale pro jednoduchost pracovali prostě s výtěžností okolo 95 % (800 použitelných křemíků), pak vám vyjde, že s waferem stojícím 16 000 $ vás jeden kousek stojí 20 $. U čipu AD102 používaného Nvidií v GeForce RTX 4090 se uvádělo zhruba 90 křemíků z jednoho waferu (178 $ za čip), opět je to asi ale dost přibližné.

AMD Ryzen 7000 Raphael s architekturou Zen 4 pro socket AM5 bez rozvaděče tepla 1600
AMD Ryzen 7000 Raphael s architekturou Zen 4 pro socket AM5 bez rozvaděče tepla. Zlatavé čiplety jsou 5nm křemík s jádry Zen 4 (zdroj: AMD)

I ono zdražení 3nm procesu o 25 % tedy prodraží tuto fázi výroby čipu relativně málo, protože absolutní částka není úplně brutální: hypotetický procesor s jedním 3nm čipletem stejné velikosti by stál jen o 5 $ více, model s dvěma čiplety o 10 $ víc. Můžete si to srovnat s prodejní cenou procesoru (250–400 $ za CPU s jedním čipletem). Firmy tedy nemusí nutně zdražit o hodně, protože velká část dalších nákladů na ceně křemíku už nezávisí – třeba pouzdření, testování, logistika. Na druhou stranu je pravda, že ve zbylé marži se ještě musí rozpustit náklady na výrobní masky a vývoj, které se také novými procesy zdražují, a tyto náklady mohou jít do desítek milionů $. To lze ovšem rozpustit tehdy, pokud se bude čip vyrábět a prodávat ve velmi velkých sériích.

Z tohoto můžete vidět, že nějaké zdražení firmy „potřebovat“ budou, ale neznamená to, že by produkty nevyhnutelně musely zdražit o takové částky (z 500 na 900 $), jak to předvádí třeba ta GeForce RTX 4070 Ti oproti své předchůdkyni RTX 3070.

Zdroje: DigiTimes, Retired Engineer, TechPowerUp

Jak zdražuje výroba čipů: 3nm wafer stojí 2× víc než 7nm. Musí ale CPU a GPU zdražit o tolik?
Ohodnoťte tento článek!
4.8 (95.56%) 9 hlasů

14 KOMENTÁŘE

  1. A to este treba pripomenut, ze cip 4080 je velkostou nasledovnikom 3070 a nie 3080. Takze zdrazenie je vhodne vypocitavat medzi tymito dvoma modelmi, ked sa bavime o waferoch. Tam uz je to z cca 500 na 1200, teda o brutalnych 700 usd, co je o 140% (!) viac za 1 generaciu.

    • No to že, 8nm proces Samsungu, by sa dal nazvať „veľmi ekonomickým procesom“ v porovnaní so 7nm a 6nm procesom TSMC, sa asi nebudeme prieť (preto si nVidia mohla dovoliť aj 628mm2 veľký čip). Takže nVidia si už pri vývoji „Lovelace“ musela byť vedomá, že ak architektonicky neprejde na istú formu „čiplet-ov“, tak bude musieť drahý proces (v prípade nvidie custom 5nm, v reklamštine nVidie „4N“) používať aj na logiku a cache pamäť, čo nieje vôbec ekonomické (Sam Naffziger z AMD by o tom vedel hovoriť https://www.youtube.com/watch?v=8XBFpjM6EIY ) a tým pádom tá cena poletí raketovou rýchlosťou. Navyše RTX 3080 vychádza z najväčšieho 628mm2 čipu GA-102…RTX 4080 vychádza z AD-103 o ploche čipu 378mm2….až RTX4090 má najväčší AD-102 z 608mm2 čipom….takže z cenotvorby je patrné, že nVidia má na skladoch ešte kopu 8nm čipov z Ampere generácie a snaží sa ich dopredať a prípadne zaryžovať na Lovelace. Ale to je typická stratégia nVidie….už sme sa s ňou v takomto rozsahu minimálne raz stretli. Myslím, že RTX 3000, ale aj RX 6000 budú musieť po novom roku pekne upraviť ceny, aby sa starej generácie zbavili. A to radšej ani nespomínam bazárový trh s GPU 🙂

  2. A přesně v odolnosti proti zdražování nových výrobních technologií je další veliká přednost chipletu. Ty méně exponované části se mohou vyrobit mnohem levnějšími technologiemi a ušetří se nemalé prostředky i když spotřebují více křemíku.

    • Rozdělení čipu na menší části zvýší výtěžnost, protože v případě nepoužitelnosti čipu, kvůli kritické chybě se neztratí 100% křemíku zabraného monolitem, ale třeba jen 25%, když má čiplet jen 1/4 plochy monolitu.

      Volba vhodné litografie pro čiplet bude ovlivněna více faktory. Jedním z hlavních je schopnost obvodů zmenšovat svou plochu úměrně rozlišením litografie. Procentní zmenšení potřebné plochy díky novější litografii se počítá z realizace nějakého jednoduchého obvodu, třeba základního hradla. Ale při realizaci reálných obvodů nemusí vycházet zmenšení plochy už tak dobře. Dobře jde prý zmenšování plochy u logických obvodů jaké jsou třeba v CPU jádru, hůře třeba u vyrovnávacích pamětí (cache), nebo řadičů pamětí a periferií. Proto je AMD dává na centrální čiplet dělaný starší a tedy i levnější litografií.

      Důležité je i poměr mezi dosahovaným kmitočtem a s ním související spotřebou realizovaných obvodů. Jemnější litografie (obvykle) dosahuje vyšších kmitočtů a/nebo menší spotřeby. To je důležité u výpočetních jader, ale třeba sata řadič žádné vysoké frekvence nepotřebuje a má v porovnání s výpočetními jádry tak malou spotřebu, že úspora energie z novější litografie není moc významná.

      Opakovatelná použitelnost čipletů ve více různých procesorech přináší navíc zásadní snížení nákladů na vývoj, na masky i na řízení výroby a skladových zásob. Proti tomu jdou vyšší náročnost a náklady na propojení čipletů a pouzdření. Při určení počtu čipletů a rozdělení obvodů na ně jde tedy v podstatě o technicko ekonomickou optimalizaci.

    • Hlavní důvod je dle slov jednoho z autorů chipletového přístupu u AMD v tom, že se může oddělit výrobní proces chipletu od IOD. Což kromě případných relativně malých úspor výrobních nákladů představuje především úsporu v prodloužení životního cyklu IOD (nemusí se jeho funkcionalita migrovat na každý nový proces, v případě monolitického návrhu), což jak poznamenal skoro nikoho nebaví (vysilovat se na přizpůsobování IOD novému procesu místo zavádění nové funkcionality). Více v rozhovoru se Stevem Burkem z Gamers Nexus.
      https://youtu.be/8XBFpjM6EIY

        • Nejde o úsporu chipletove CPU versus monolit CPU, ta je jasná.

          Šlo o otázku k rozdílným výrobním procesům CCD/IOD. Pokročilejší výrobní proces IODu (při shrinku) vzhledem k vyšší ceně 5nm waferu nemusí být nakonec ve výrobních nákladech úsporou, nemalé finační (personální) náklady spojené s migrací IOD na nový proces přitom zůstávají.

  3. Tie ceny sú fake…

    Cena waferu sa odvíja napríklad podľa počtu krokov. Zhruba môžeme povedať že počet vrstiev x počet krokov na vrstvu.

    Pointa je, že 10 a 7nm využívala SAQP a LEx teda minimálne 3 kroky na „vytlačenie“ jedného vzoru na wafer. 5nm a 3nm využívajú EUV s jedným osvecovaním.

    Takže náklady na 5nm wafer môžu byť vlastne nižšie ako boli náklady na 7nm wafer…

    Ono je to ako s tými katastrofickými predpoveďami ohľadom nákladov na vývoj samotného čipu ktoré mali ísť do miliárd. Idioti sa pritom neobťažovali vysvetliť, kde sú tie peniaze. Ako si firma ako AMD mohla dovoliť tape-outnúť niekoľko CPU/GPU/APU ročne. Ako to že sú príjmy TSMC také nízke, keď majú stovky tape-outov ročne…

    • To je pravda, že 7nm bez EUV má viacej krokov, ale vieš ako dlho trvá expozícia na EUV mašine? EUV majú/mali nižší výkon ako stroje s dlhšou vlnovou dĺžkou a tým pádom potrebujú dlhšiu expozíciu. Takže, kým nepoznáš všetky premenné, ako je počet masiek, čas jednotlivých na jednotlivé expozície, tak sa nedá ani približne odhadnúť cena výroby a musíš sa spoľahnúť na udávané ceny od výrobcov.

      • Testovacie alebo produkčné stroje? Ak beží výroba na testovacích tak samozrejme to totálne zmení cenovú štruktúru…

        A aké ceny od výrobcov? Môžete dať nejaký zdroj? TSMC napríklad ceny zásadne nezverejňuje.