Intel Core i9-12900K och Core i5-12600K "Alder Lake"

Processorjätten Intel har historiskt sett kört på som en ångvält inom halvledarindustrin och varit den obestridda ledaren, med ett försprång som tidigare ansågs vara helt ointagligt. Sen kom nästa stora teknikskifte av sig. Bolagets 10-nanometersteknik är aktuell på bred front först i år, 2021, runt 5 år efter planering. Efterverkningarna av detta har blivit stora.

Bolagets tidigare helt ointagliga försprång har istället vänt till att Intel är på efterkälken och ligger efter kontraktstillverkarna TSMC och Samsung, som båda har mer avancerade transistortäta tekniker. Som ett led i detta har det också möjliggjort för ärkerivalen AMD att få en tillverkningsteknisk fördel, trots att de inte längre har egna fabriker.

Intel visade kiselplattor med 10-nanometersteknik juli 2014. Det var två månader innan arkitekturen Broadwell introducerade 14 nanometer.

En andra konsekvens är att Intel som brukligt trodde på att leverera 10 nanometer, för vilken alla nya arkitekturer och kretsdesigner var gjorda för. Att de misslyckades och fick en teknik som var omöjlig att tillverka på gjorde att bolaget inte hade något nytt att erbjuda på arkitekturfronten. Skylake som var tänkt att vara svanesången för 14 nanometer fick leva vidare i flera generationer.

Att ta fram nya arkitekturer och utveckla nya kretsar är ingen smal sak, utan tar åratal och enorma resurser i miljardklassen – räknat i amerikanska dollar. Kretsarna ska sedan genomgå den mest avancerade tillverkningsprocessen mänskligheten har att frambringa. I takt med att vi jagar mindre transistorer ökar komplexiteten och där med såväl tidsåtgången som resurser som krävs vid utveckling.

Förr i världen var det förhållandevis lätt att kunna välja och vraka mellan olika tillverkningstekniker. Om ens ursprungliga planerade stötte på patrull över längre tid fanns möjligheten att gå tillbaka och stöpa om sagda krets till en äldre, befintlig, teknik. Det är en gammal sanning som inte längre stämmer. Nu måste varje krets med alla integrerade funktioner särskilt anpassas och optimeras för en specifik tillverkningsteknik. Att "bara byta" vid problem existerar inte.

I åratal följde Intel ett tydligt schema som också var vägledande i allt de gjorde – Tick-Tock. Vad detta innebar var att varje ny generation av produkter var antingen ett Tick (krympt tillverkningsteknik) eller ett Tock (en ny arkitektur). Varje produktgeneration och därmed steg lanserades årligen. En ny arkitektur och en ny teknik vartannat år.

Hösten 2014 – 14 nanometer och Broadwell är här

För det mesta levererade Intel som utlovat och i vissa fall försenades ett kliv till en mer avancerad teknik med någon månad. Det första riktiga tecknet på hicka uppstod när det var dags att sjösätta 14 nanometer (Tick) och arkitekturen Broadwell, en krympning av Haswell. Förseningen här handlade förvisso bara om ett fåtal månader, men det blev snart också tydligt att tekniken till en början inte blev fullt lika bra som förutspått.

Intel hade dels problem med yield, antalet fungerande kretsar vid tillverkning, vilket gjorde att de till en början endast släppte mindre kretsar på 14 nanometer. Samtidigt imponerade inte klockfrekvenserna, något som i sin tur gjorde att Haswell på den äldre tekniken 22 nanometer presterade bättre när det väl blev dags att ta Broadwell till mer prestandakritiska segment.

Det här blev inte minst tydligt när Intel augusti 2015 lanserade arkitekturen Skylake och Core 6000-serien. Det blev inga dåliga processorer, tvärtom faktiskt, men det blev ingen solklar grand slam jämfört mot föregående arkitekturen Haswell som tack vare högre klockfrekvenser i vissa fall kunde ta igen fördelarna en ny arkitektur för med sig.

Efter Skylake var det tänkt att Intel skulle lanseras Cannon Lake på 10 nanometer till slutet av år 2016. Det flyttades sedan både framåt och bakåt i tiden, men det allra mesta pekade mot som senaste i början av år 2017. Med andra ord endast några månader efter Intels egen Tick-Tock-strategi som utlovar en ny teknik var 24 månader. Men handen på hjärtat hade det inte spelat någon roll – Intels försprång mot resten av världen kunde räknas i flera år.

Stycket ovan var den tänkta historieskrivning få hade anledning att misstro. I upptakten till lanseringen av Skylake augusti 2015 började dock rykten cirkulera om förseningar av 10 nanometer och därmed även Cannon Lake, krympningen av arkitekturen Skylake. Den mest trovärdiga rapporten kom från Semiconductor Engineering, som gjorde gällande att Intel senarelagt beställningarna av utrustning för tillverkning på just 10 nanometer.

Varje tillverkningstekniskt steg skulle ske vart tredje år, istället för vartannat.

Månaden innan bekräftades att Intels övergång till 10 nanometer sker mycket senare än väntat. Intels dåvarande VD, Brian Krzanich, gick ut med att de drog ut på framgångsrika Tick-Tock-modellen. Varje tillverkningsteknik skulle få sin tid i rampljuset under tre år istället för två, vilket helt sonika innebar tre processorgenerationer på varje teknik. I väntan på Cannon Lake skulle Intel lansera Kaby Lake med "prestandaförbättringar" – i praktiken en Skylake Refresh med finputsad 14 nanometer för högre klockfrekvenser.

Intels 10 nanometer ett allt större sorgebarn

Fram till här var det inga konstigheter. Intel hade stött på problem och tvingats senarelägga nästa generation. Det finns många exempel inom halvledarindustrin på när det här behövts göras. Skillnaden här var att Intel råkade ut för problem. Som tidigare nämnt var dock Intels försprång så pass enormt att det ur konkurrenssynpunkt inte spelade någon roll. TSMC, Samsung och Globalfoundries skulle knappast hinna ikapp, ärkerivalen AMD trampade vatten med ett misslyckande till arkitektur.

Problemen blev dock allt allvarligare och det krävdes ingen djupare insyn för att se det. Till slut fick Intel gå ut med att de tvingades skrota Tick-Tock-modellen, det ständigt återkommande löftet om nyheter. Det här ersattes året efter av ett buzzword vid namn "Hyperscaling", ett nytt löfte där de istället lovade större kliv i transistortäthet för varje krympning.

Att Intel myntade Hyperscaling just då var säkert inte ett sammanträffande. En knapp månad innan, den 2 mars 2017, lanserade AMD arkitekturen Zen, som med generation ett gav "tillräckligt bra" prestanda och många kärnor till ett för tiden bra pris. Intel, som sedan länge visste om hur allvarliga problemen var på 10 nanometer, kontrade samma höst med processorfamiljen "Coffee Lake". Bolaget gick från att erbjuda fyra till sex kärnor, men då de var låsta till 14 nanometer var arkitekturen fortfarande Skylake.

Efter det här fortsatte uppgifter om förseningar av 10 nanometer med tillhörande produkter att avlösa varandra. Intel lyckades under 2018 få ut ett antal fungerande kretsar ur processorfamiljen Cannon Lake och sälja dessa i en begränsad upplaga av deras NUC-produkter och bärbara datorer i Kina. Energieffektiviteten var dock bedrövlig och den integrerade grafikdelen fick stängas av. Intel kröp senare till korset och medgav att de var för aggressiva, att de försökte ta ett för stort kliv i transistortäthet.

För att hänga med konkurrenten AMD fick Intel fortsätta att pressa 14 nanometer än hårdare. Sex kärnor blev åtta med "Coffee Lake Refresh" och senare tio med "Comet Lake". Intel trampade vatten med 14 nanometer för stationära datorer, men hade på den bärbara sidan till slut fått ut produkter tillverkade på en 10-nanometersteknik. Där med en ny arkitektur, men inte helt utan problem.

Från 10 till 14 nanometer

Processorfamiljen "Ice Lake" lanserades hösten 2019 och blev Intels första volymprodukt tillverkad på 10 nanometer. Med denna introducerades arkitekturen Sunny Cove, som var en efterträdare till nedlagda Cannon Lake som i sin tur följde upp Skylake. Arkitekturen bjöd på betydande förbättringar, omkring 19 procent bättre prestanda vid en given klockfrekvens (IPC).

Hösten 2019 blev Ice Lake den första storskaliga produkten tillverkad på 10 nanometer, men släpptes enbart för bärbara datorer.

För bärbara datorer blev Ice Lake en energieffektiv historia, men då endast vid klockfrekvenser strax under 4,0 GHz. Över detta skenade effektförbrukningen iväg och det med besked. Intel hade fått till en fungerande 10-nanometersteknik, men den var begränsad sett till att den inte kunde nå höga klockfrekvenser. Det florerade samtidigt rykten om att bolagets yield inte var mycket att hurra för.

Att ta Ice Lake, skala upp denna från fyra till åtta kärnor, skruva upp klockfrekvenserna till 5,0 GHz och släppa för stationärt bruk var inget realistiskt alternativ. Som svar på detta tog sig Intel an uppgiften att göra en backport av Sunny Cove – från 10 nanometer till väl beprövade 14 nanometer, en i det närmsta slipad diamant där klockfrekvenser om 5,0 GHz är en smal sak.

Arkitekturen som på 14 nanometer fick namnet Cypress Cove skulle ingå i processorfamiljen "Rocket Lake". Exakt hur lång tid arbetet tog är inte helt känt, men då en arkitektur och krets måste skräddarsys för en specifik tillverkningsteknik handlar det om ett antal år. Enligt Intel var Rocket Lake ett 18-månadersprojekt, vilket av bedömare anses vara en glädjesiffra.

Intel "Rocket Lake" blev den första riktiga nyheten för stationära datorer sedan lanseringen av Skylake augusti 2015

Resultatet av arbetet letade sig in i SweClockers testlabb under våren 2021. Med Rocket Lake kunde Intel uppvisa ett rejält lyft i enkeltrådad prestanda och bolaget återtog till viss del den mark de förlorat mot AMD. Att ta en arkitektur från 10 till 14 nanometer fick dock negativa konsekvenser i form av högt effektuttag och betydligt försämrad energieffektivitet.

Vid framtagandet av en arkitektur har ingenjörerna alltid tillverkningstekniken i åtanke. Densiteten avgör vilken transistorbudget som finns och effektuttaget kan på ett ungefär räknas ut. Arkitekturen Sunny Cove blev därför en rejäl pjäs på 14 nanometer, så till den grad att Intel fick sänka antalet kärnor till åtta stycken istället för tio stycken hos Skylake-baserade Core 10000-serien.

Att Intel tog sig an ett sådant projekt från första början understryker allvaret i situationen. När arbetet med Rocket Lake inleddes visste Intel inte i vilket skick dess hitintills svårmästrade 10-nanometersteknik skulle vara i. Den hade i bästa fall kunnat varit redo innan Rocket Lake och i värsta fall behövt skjutas ännu längre in i framtiden.

Alder Lake är här och "nanometer" ryker all världens väg

Två månader innan Rocket Lake lanserades kom nyheten alla väntat på. Intel drog av skynket från "Alder Lake", som skulle tillverkas på 10 nanometer och släppas till både stationära och bärbara datorer. Inte nog med teknikskiftet, processorfamiljen skulle få en helt ny hybriddesign där en prestandaorienterad och en energieffektiv arkitektur samverkar.

Tillverkningstekniken som skulle användas hade vid tillfället namnet 10 nanometer Enhanced, men under sommaren döptes den om till Intel 7 (utan nanometer). Det är en manöver Intel gjorde för att deras tillverkningstekniker hitintills är betydligt mer transistortäta än konkurrenternas med samma namn. Nu när bolaget hamnat långt efter kände de behovet av att enklare kunna jämföra sig mot TSMC, där Intel 7 i grova drag således ska motsvara TSMC:s 7 nanometer.

Intel vill inte längre ta ordet "nanometer" i sin mun, utan nöjer sig med Intel 7 varpå efterföljaren får namnet Intel 4 (tidigare kallad 7 nanometer). Istället för transistortäthet använder Intel prestanda per watt som måttstock, en måttstock som på senare år blivit allt viktigare när en ny tillverkningsteknik inte nödvändigtvis är mycket bättre på den fronten.

Med Ice Lake användes 10 nanometer och uppföljaren Tiger Lake fick 10 nanometer Superfin, med vilken Intel bland annat omarbetat material i kiselfenorna för lägre resistans och förbättrade grindar med fintrimmat avstånd för att möjliggöra högre klockfrekvenser. Det här möjliggjorde till slut klockfrekvenser upp till 5,0 GHz för 10 nanometer. Det som idag är Intel 7 är således en vidareutvecklad och mer energieffektiv variant av 10 nanometer utan ökad transistortäthet.

September 2014 introducerade Intel tillverkningstekniken 14 nanometer för konsumenter. Efter fem års försening är det november 2021 äntligen dags för nästa mer transistortäta och energieffektiva steg. Markerar det här starten för Intels stora revansch?