Intels CPU-Generation 5 und 6: Broadwell und Skylake im Test

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Technik


Gen 5: Broadwell – 14 nm und sonst?


Bei der fünften Core-i-Generation handelt es sich in Intels Tick-Tock-Zyklus um einen Tick, also um die leichte Verbesserung der Prozessorarchitektur mit gleichzeitiger Einführung einer neuen Fertigungstechnologie. Bei Broadwell, so der Codename der fünften Generation und damit des Nachfolgers von Haswell, setzt Intel dabei erstmalig auf eine 14-nm-Fertigung. Der Umstieg von der bekannten 22-nm-Technologie mit FinFET-Transistoren verlief dabei allerdings weniger reibungslos, als es Intel sich erhofft hatte, weshalb Broadwell um einiges verspätet den Markt betrat.

Die neue 14-nm-Fertigung


Durch den Einsatz der neuen Fertigungstechnologie verspricht sich Intel eine deutlich bessere Leistungsfähigkeit bei zugleich reduziertem Energiebedarf. Dazu hat Intel die Dichte der bekannten 3D Tri-Gate genannten FinFET-Transistoren erhöht und gleichzeitig die Fins dieser Transistoren verlängert, damit die Transistorenzustände besser zu steuern sind. Dadurch soll die Leistungsaufnahme in allen Betriebszuständen deutlich niedriger ausfallen, als bei der Vorgängerfertigung. Zugleich betont Intel immer wieder, dass die Packdichte gegenüber Auftragsfertigern wie etwa Samsung deutlich besser ist. So soll ein 14-nm-Die bei Intel etwa 0,5 bis 0,6 mal kleiner sein, als in der 22-nm-Fertigung.

Bild: Intels CPU-Generation 5 und 6: Broadwell und Skylake im Test
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Details zu Intels 14-nm-Fertigung


Ebenfalls setzt Intel weiterhin auf die bekannte 193-nm-Strahlung zur Fertigung der Strukturen. Dies bedeutet jedoch auch, dass man mit dieser Wellenlänge eigentlich gar keine 22-nm-Strukturen auflösen kann, denn gemäß den Gesetzen der Physik kann man nur eine saubere Auflösung mit einer Wellenlänge erreichen, die nicht (viel) größer ist als die gewünschten Strukuren. Da dies jedoch den Umstieg auf eine noch wenig ausgereifte EUV-Belichtung (Extrem Ultraviolette Strahlung mit 13,5 nm) nötig machen würde, hat sich Intel allerhand Tricks einfallen lassen, um noch immer auf 193-nm-Wellenlänge zu setzen.

Dazu zählt die bereits bekannte Immersionslitography, das heißt, dass sich zwischen den Linsen Flüssigkeiten befinden, um das Auflösungsvermögen zu verbessern. Darüber hinaus setzt Intel bei der 14-nm-Technologie erstmalig auf eine Mehrfachbelichtung, so genanntes "Double Patterning". Dabei werden besonders kleine und kritische Strukturen mehrfach bestrahlt, um eine höhere Auflösungsgenauigkeit zu erzielen. Dies ist notwendig, damit die Serienstreuung nicht zu groß wird, was eine schlechte Ausbeute nach sich ziehen würde.

Allerdings ist eben diese Ausbeute bis heute nicht auf dem gewünschten Niveau angekommen, weshalb einige Prozessoren nur schwer erhältlich sind, sich Broadwell massiv verspätet hat und die Fertigung deutlich teurer ist, als ursprünglich geplant. Aus diesem Grund wird Intel sehr wahrscheinlich beim nächsten Schritt, also 10 nm, auf eine Dreifach- bis Vierfachbelichtung wechseln.

Bild: Intels CPU-Generation 5 und 6: Broadwell und Skylake im Test
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Entwicklung der 14-nm-Ausbeute


Leider gibt Intel mit jeder neuen Prozessorgeneration weniger Informationen preis, weshalb die realen Auswirkungen der neuen Fertigung nur bedingt abzuschätzen sind. Gegen Ende letzten Jahres stellte sich plötzlich eine absolut schlechte Verfügbarkeit des Topmodells i7-6700K ein. Erst eine Weile später räumte man Produktionsschwierigkeiten ein, ging allerdings nicht auf Details ein. Anfang dieses Jahres wurden dann plötzlich (Rechen-)Fehler mit Skylake-Prozessoren festgestellt. Es dauerte abermals ein Weilchen, bis Intel Fehler bestätigte und mitteilte, diese mittels BIOS-Updates lösen zu wollen. Erste BIOS-Versionen, welche dann folgten, waren laut Mainboard-Herstellern noch nicht final – Intel habe weitere in Aussicht gestellt. Doch bis heute fehlt eine offizielle Stellungnahme Intels, um welche Fehler es sich genau handelt.

Auch bei der Die-Größe macht es Intel einem schwer, echte Vergleiche anzustellen. So ist lediglich bekannt, dass das Vierkerndesign der sechsten Core-Generation 122 mm² groß ist, während die vierte Generation (Haswell) in 22-nm-Herstellung 177 mm² benötigt.