Gör dig redo för 14nm och 16nm chips

Förra veckan skrev jag om de första 20nm applikationsprocessorerna, som planeras levereras i produkter i början av nästa år. Men om chiptillverkningsföretagen är lite senare än jag hade förväntat mig för 20 nm, planerar de att snabbt flytta till nästa nod, 14nm och 16nm chips. Det kommer inte att överraska mig om vi ser mycket få 20 nm chips, och istället se en hel del mönster hoppa över den generationen och gå direkt från 28nm processstandarden på de flesta ledande chips idag till 14 eller 16 nm generationen.

Naturligtvis är Intel på sin egen kadens, efter att ha börjat leverera 22nm chips för två år sedan, med 14nm chips planerade för masstillgänglighet under andra halvåret i år. Istället talar jag om chips från de fantastiska halvledarföretagen - alla från Apple och Qualcomm till Nvidia och AMD - som använder tillverkningsföretag kända som gjuterier - som TSMC, Samsung och Globalfoundries - för att faktiskt producera chipet. Alla större gjuterier använder traditionella plana transistorer vid 20 nm, medan de planerar att introducera 3-D eller FinFET-konstruktioner i nästa steg, som TSMC kallar 16nm och Samsung och Globalfoundries kallar 14nm. I båda fallen skulle det handla om att ändra och krympa transistorerna själva medan de lämnar bakre änden vid samma design som för 20nm, så det är något som en "halv nod", istället för en full generationens krympning. (Jag diskuterade svårigheterna med chipskalning tidigare denna månad.)

Förra veckans stora tillkännagivande i den här åren kom från Samsung och Globalfoundries, som tillkännagav planer om att samarbeta om 14 nm produktion, så att chipdesignföretag teoretiskt kunde tillverka samma mönster i fabriker från båda företagen.

Effektivt verkar detta innebära att Samsung licensierar sin 14nm FinFET-process till Globalfoundries, vilket gör att ett bredare antal fabriker kan använda den processen och skapa en starkare konkurrent till TSMC, som är det ledande gjuteriet. De två grupperna kämpar ofta för ledande kunder, till exempel Apple. TSMC och Samsung visade tidiga testchips producerade på sina 16 och 14 nm processer på ISSCC-utställningen för några veckor sedan.

Samsung prototyper 14nm på sin fabrik i GiHeung, Sydkorea och kommer att erbjuda tillverkning vid sina fabriker i Hwaseong, Sydkorea och i Austin, Texas, medan Globalfoundries kommer att erbjuda det i sin fabrik nära Saratoga, NY.

I tillkännagivandet sade de två företagen att denna process kommer att möjliggöra chips som är upp till 20 procent högre hastighet med samma kraft, eller kan köra med samma hastighet och använda 35 procent mindre ström. (Observera att när någon chiptillverkare talar om hastighet eller effekt, de talar på transistornivå; färdiga produkter är ofta ganska annorlunda.) De sa också att denna process ger 15 procent area skalning över industrins 20nm plana teknik, en fin ökning för en halv -nod. Samsung har redan börjat prototypa och sade att det planerar att påbörja massproduktion i slutet av 2014. (Återigenom, observera att det vanligtvis är ett fördröjning på flera månader mellan när ett gjuteri startar massproduktion och chips visas i konsumentprodukter.)

Den första generationen kommer att arbeta med Low Power Enhanced (LPE) -processen, med en Low Power Plus (LPP) -process som ger ett prestationsökning tillgängligt 2015. Globalfoundries skulle påverka LPE-produktion i början av 2015. Detta är senare än den ursprungliga färdplanen men åtminstone klyftan mellan den och 20nm har inte blivit längre.

Båda företagen säger att de har sin 20nm-process som fungerar för testprodukter nu och förväntar sig att produktionen ska höjas senare i år, men vi har inte hört några specifika produkter tillkännagivna ännu. Globalfoundries säger att dess 20nm-teknik ger upp till 40 procent prestandaförbättring och två gånger porttätheten för sina 28nm-produkter, medan Samsung tidigare har sagt att 20nm-processen är 30 procent snabbare än sin 28nm.

TSMC säger att den har startat full produktion på 20 nm och kommer att höja 20 nm SoC-produktion under andra halvåret. TSMC hävdade att 20nm-processen kan ge 30 procent högre hastighet eller 25 procent mindre effekt än sin 28nm-teknik, med 1, 9 gånger densiteten. När vi flyttar till 16nm planerar TSMC 16-FinFET och 16-FinFET Plus-processer och har sagt att den första versionen kommer att erbjuda en 30 procents förbättring av hastigheten med samma effekt. På senare tid har företaget sagt att Plus-versionen kommer att erbjuda ytterligare 15 procents hastighetsförbättring eller en 30-procentig effektreduktion jämfört med den första versionen (för totalt en 40-procentig hastighetsförbättring och 55 procent minskning av effekt över 20 nm). Detta kommer att följas av en 10nm-version, planerad för att starta "riskproduktion" (tidiga prototyper) i slutet av 2015, med en 25-procentig hastighetsförbättring eller 45 procent effektreducering, jämfört med 16-FinFET Plus-versionen, tillsammans med en 2.2 X förbättring i densitet.

Hittills har bara Qualcomm meddelat en viktig 20nm-produkt, med sitt första 20nm-modem gjord av TSMC på grund av produkter under andra halvåret i år, och dess första 20nm applikationsprocessor - Snapdragon 810 - som syftar till produkter som sänds under första halvåret från 2015. Men kom ihåg att det alltid tar lite tid mellan när gjuterierna säger att de är i massproduktion tills riktiga konsumentprodukter dyker upp i volym.

Samarbetet mellan Samsung och Globalfoundries är intressant eftersom båda har varit medlemmar i Common Platform Alliance, som baserades på chip-tillverkningsprocesser från IBM. Gemensamma plattformen täckte uppenbarligen teknologier från 65nm till 28nm, så det verkar som att det här verkligen är de två stora tillverkningsföretagen som samlas om Samsungs process utan IBMs medverkan. Men både Samsung och Globalfoundries arbetar fortfarande med IBM genom en FoU-grupp i Albany, NY som undersöker alternativ för 10nm och därefter.

Om företagen faktiskt kan fullfölja sina löften bör vi se ledande konsumentprodukter som använder 28nm det mesta av detta år, 20nm nästa år, 14 eller 16 nm 2016 och kanske 10nm 2017. Samtidigt säger Intel att det tillverkar 14nm i volym nu, och vi borde se det i många produkter under andra halvåret i år, med 10nm efter två år efter. Detta kan göra de närmaste åren ganska intressanta, eftersom vi kan se förbättringar i kraft och energieffektivitet i våra produkter varje år.