Výrobní technologie čipů: historie a současnost

Dnes už nemůžeme vidět firmy AMD a Intel jako tak nelítostné soupeře, jakými byli na přelomu tisícíletí a několik let poté. Intel pokračoval ve své linii procesorů Pentium, k nimž brzy přidal overclockery velmi oblíbené Celerony. AMD si našlo vlastní cestu a pokračovalo zase v řadě procesorů K6, jež brzy nahradily velmi úspěšné první generace Athlonů, k nimž existovaly stejně jako v případě Pentií slabší alternativy - Duron. Uživatelé v té době zažili velmi rapidní zvyšování pracovních frekvencí, což umocnila i nová móda - přetaktování. To samozřejmě existovalo již mnohem dříve, ale teprve nyní můžeme mluvit o jeho rozmachu.

Přelom tisíciletí: souboj AMD a Intel

V předchozí kapitole jsme se dostali až k 250nm architektuře, ovšem ještě na 350nm byla vyráběna první Pentia II (Klamath). Hlavní dějství se ale udávalo právě na 250nm procesu, kterým byla vyráběna většina Pentií II, některá Pentia III a v případě AMD generace K6-II a také některé modely K6-III.
Intel tedy použil 250nm proces pro výrobu čtyř řad procesorů: Deschutes, Tonga, Dixon a Katmai, v letech 1998 a 1999, kdy byl nakrátko aktuální ne procesorový socket, ale slot, přesněji řečeno Slot 1 (AMD mělo vlastní verzi s názvem Slot A s podobně krátkým životem). Procesor byl součástí samostatného PCB zasouvaného do slotu v základní desce a součástí byl i chladič. Pod ním jsme mohli najít jednak procesor a pokud jsme patřili mezi ty šťastnější, i přídavnou paměť L2 cache. Právě ta odlišovala plnokrevná Pentia od Celeronů, tedy alespoň v případě prvních Celeron 266 a 300. Pozdější Celerony Mendocino a Coppermine už L2 cache měly, ale menší než v případě Pentií, ale na druhou stranu rychlejší, díky čemuž se v mnoha testech vyrovnaly plnokrevníkům.

Následují tedy již velmi známé generace procesorů Intel, a to Coppermine, Mendocino a Tualatin, v našich končinách s láskou přezdívaný Tuleň. Všechny byly známy především díky svým schopnostem pro přetaktování a zvláště oblíbený byl Celeron 300A "Mendocino" snadno přetaktovatelný na 450 MHz prostým zvýšením frekvence sběrnice FSB z 66 na 100 MHz. Dalším takovým byl Celeron 533A či 566 "Coppermine", u nějž bylo možné to samé, akorát že výsledná frekvence byla 800 a 850 MHz, což byla ještě pár let předtím nemyslitelná hodnota. Dalším krokem byly procesory Celeron "Tualatin", v jejichž případě už to bylo složitější, neboť jejich FSB už měla výchozí frekvenci 100 MHz, ale i tak se dařilo dosahovat zajímavých výsledků vysoko přesahujících 1 GHz. A co to umožnilo? Především postupný přechod z 250nm procesu na 180nm a později na 130nm.

Díky těmto procesorům si mohl úspěšný overclocker už říci, že jeho procesor je konečně relativně silný a vysoko taktovaný, čehož se chytil i samotný Intel. Nastoupila totiž generace dalších Pentií s architekturou Netburst, hon za gigahertzy a historický úspěch firmy AMD.
V době Pentií III však AMD konkurovalo především procesory K6 druhé a třetí generace, které byly vyráběny 250nm a 180nm procesem. Zastíněny byly úspěchy intelovských Celeronů (především těch s vlastní L2 cache), ale i tak šlo o zajímavá CPU. AMD v této době přestalo už jen kopírovat instrukční sady od Intelu a přišlo také s vlastním počinem, a to známým 3DNow! vylepšujícím instrukce MMX, které měly zajistit především rychlejší operace v plovoucí řádové čárce. K6-2 také nabídl dokonce tři úrovně paměti cache (tzv. TriLevel Cache), čili vedle L1 a L2 ještě L3 cache na základní desce s kapacitou až 2 MB. Dnes jsou tři úrovně cache běžné, ale v té době některé procesory neměly ani dvě.

AMD K7 a K8 vs. Intel Netburst: karta se obrací

V roce 1999 započal velký úspěch firmy AMD, neboť ta představila první procesory generace K7, zatímco Intel se o rok později vydal cestou architektury Netburst a představil procesory Pentium 4. První Athlony byly vyráběny 250 až 130nm technologií, čemuž odpovídala také jejich počáteční frekvence 500 MHz. Intel použil už 180nm technologii a v rámci Pentií 4 došel až k 65 nm a nebývalému počtu megahertz. Jak doufal, architektura Netburst měla zajistit dosažení velmi vysokých pracovních frekvencí, třeba až 8 GHz, ovšem tomu jsme vzdáleni i dnes. Intel nakonec doputoval až ke 4 GHz, ovšem za cenu značného zvýšení spotřeby nad 100 W, na což ovšem nebyly tehdejší chladiče připraveny a uživatelé jakbysmet.
V době Pentií III jsme byli zvyklí na spotřebu hluboko pod 50 W, však takový Tualatin na 1400 MHz měl TDP mírně nad 30 W. Přišla ale Pentia 4 a začala rovnou na 50 W a pak už byla spotřeba jen vyšší. Pro uživatele to znamenalo šok, pro výrobce chladičů počátek prudkého rozvoje a pro Intel zase posměšné komentáře na adresu žhavých procesorů, které se v řeči uživatelů nejmenovaly Prescott, ale Prskot. Pentia 4 tedy přinesla výrazný nárůst pracovní frekvence, ale také spotřeby.

Věnujme se ale firmě AMD, která po trochu rozpačitém začátku začala na svět chrlit procesorové pojmy jako Thunderbird, Palomino, Thoroughbred či Barton. AMD v tomto období znovuobjevilo krásu označení PR - Performance Rating, neboť se opět podařilo překonat Intel v disciplíně výkonu na megahertz. Bylo to tedy nutné v označení procesorů řádně zdůraznit, a tak byl např. 1,8GHz procesor Athlon XP "Thoroughbred" označený jako PR2200+.
AMD tedy čarovalo s PR označením, které záviselo nejen na frekvenci, ale také na kapacitě cache nebo frekvenci FSB. Kvůli tomu bylo toto označení nepřesné a v celkovém důsledku nebyly Athlony schopny překonat nejlepší Pentia 4, ale pro uživatele myslící na cenu a výkon šlo o jasné vítěze. Navíc za nimi následovala další generace procesorů s celkovým označením K8. Z nich známe především modely Athlon 64 a Opteron, přičemž pro levnější počítače tu byly Durony a ještě slabší Semprony. V tomto období AMD využívalo především výrobní procesy 130 nm až 65 nm a šlo v celé historii firmy o bezpečně nejvíce různorodou a na modely bohatou generaci procesorů. Však tu je na 20 kódových označení jednotlivých řad, které by vydaly na celý jeden článek.

Navíc generace K8 zasáhla až do socketu AM3 a 45nm výrobního procesu, takže se dá říci, že už jde o téměř současné procesory, zatímco Pentia 4 skončila u Cedar Mill na 65 nm a poté byla nahrazena naprosto odlišnou architekturou. V této době byl pokrok ve vývoji výrobních technologií u firem AMD a Intel ještě vyrovnaný, ovšem poté se už začaly projevovat stále vyšší náklady na vývoj a AMD se začalo opožďovat, a to zvláště poté, co se zbavilo svých továren.

Moderní doba a cesta k 10 nm

První 45nm čipy se objevily již v roce 2004, a to jako obvykle na zkoušku paměti SRAM vyrobené firmou TSMC. O dva roky později to samé předvedl i Intel, AMD, Texas Instruments nebo UMC, ovšem co se týče procesorů, Intel dokázal své první 45nm modely (Xeon 5400) dostat na trh již na konci roku 2007. AMD se podařilo dostat 45nm Opterony "Shanghai" na trh až o rok později.

A jaké všechny zajímavé procesory byly vyráběny pomocí 45nm procesu? Šlo o druhou polovinu první dekády nového tisíciletí, takže především to byly procesory Intel s kódovými označeními Wolfdale, Yorkfield nebo Penryn. Ty tak zahrnují řadu značek jako Core 2 Duo, Core 2 Quad, Pentium i Celeron, přičemž nabídku ještě podstatně rozšířily mobilní verze.
AMD později navázalo 45nm procesory zbrusu nové generace K10, mezi něž patří Phenom II, Athlon II, Turion II. Zvláště musíme zmínit velmi oblíbené procesory Thuban, které už nabídly celých 6 procesorových jader s pracovní frekvencí až 3,7 GHz. Když to porovnáme s desktopovými procesory, které AMD nabízí dnes, je znát, že za 5 let se nedokázalo posunout o moc dále. Však spotřebou ekvivalentní model z nejnovější generace, FX-8370, má frekvenci až 4,3 GHz a sice 8 jader, ale ve čtyřech dvoujádrových modulech, kde jsou některé části sdíleny. Thuban má oproti tomu 6 plně samostatných jader. Oblíbené byly ale i jiné modely Phenomů II jako čtyřjádrový Deneb nebo dvoujádrové Callisto, u nichž se zkoušelo, zda dvě uzamčená jádra náhodou nebude možné odemknout a přeměnit tento procesor v plnohodnotný Deneb.

Intel také v této době (přesněji již v roce 2006) začal tikat jako hodiny, respektive představil strategii Tick-Tock, kterou dodržuje dodnes. Nová strategie platí od 65nm procesu, i když více se o ní mluví až ve spojitosti s nástupem procesorů Core. Intel v jejím rámci střídá nástup nového výrobního procesu a nové procesorové architektury. Tick tedy představuje tzv. Die Shrink, čili výrobu procesorů starší architektury novým procesem a tock zase použití již odladěného procesu pro výrobu procesorů nové architektury. Pro lepší přehlednost můžeme dosavadní vývoj této architektury vyjádřit v tabulce.

	Výrobní proces	Mikroarchitektura	Kódové označení	Datum vypuštění na trh	Procesory
Tick	65 nm	Netburst	Presler, Cedar Mill, Yonah	Q1 2006	Core Pentium 4 Pentium D Pentium M Pentium Dual-Core Celeron Xeon
Tock		Core 2	Merom	Q3 2006	Core 2 Pentium Dual-Core Pentium Celeron Dual-Core Celeron Celeron M Xeon
Tick	45 nm	Core 2	Penryn	Q4 2007
Tock		Core	Nehalem	Q4 2008	Core i3 Core i5 Core i7 Pentium Celeron Xeon Core M (pouze Broadwell)
Tick	32 nm	Core	Westmere	Q1 2010
Tock		Core	Sandy Bridge	Q1 2011
Tick	22 nm	Core	Ivy Bridge	Q2 2012
Tock		Core	Haswell	Q2 2013
Tick	14 nm	Core	Broadwell	Q3 2014
Tock		Core	Skylake	Q3 2015 ?

Intel začal brzy pro Tock používat nové názvy architektur, i když ty se velmi blíží svým předchůdcům. Broadwell tak má velmi blízko k Haswell, ovšem nejde o zcela stejnou architekturu, neboť používá například nová a lepší grafická jádra. Větší změny má tedy přinést v rámci Tock architektura Skylake.
Od roku 2006 je tedy jasně patrná pravidelnost. Intel se snaží každý rok přijít s novým procesem nebo architekturou a svou strategii zatím dodržuje, i když generace Broadwell byla již opožděna a její čest zachránily pouze ultramobilní procesory Core M, které Intel jako jediné zvládl uvést na trh v minulém roce. Nicméně nové Skylake to mají napravit a zatím se předpokládá, že přijdou na trh pár měsíců po představení desktopových Broadwell, na něž se stále čeká.

Intel má tedy Tick-Tock, ale co má AMD? Tato firma se v průběhu posledních let zbavila svých továren. Jejich odštěpením vznikla v roce 2009 společnost GlobalFoundries, která s pomocí kapitálu z Abu Dhabí akvizovala firmu Chartered Semiconductor. Samotné AMD se v březnu 2012 zbavilo svého posledního podílu v GlobalFoundries a od té doby je tzv. fabless výrobcem, tedy firmou bez vlastních výrobních kapacit. Nemusí tak investovat do vývoje nových procesů, ale také je zcela závislá na jiných společnostech a jejich úspěchu, který v posledních letech nebyl v porovnání s Intelem velký.
Rozdělení desktopových procesorů AMD na výkonné modely FX bez grafického jádra a APU se silným grafickým jádrem tak proběhlo v průběhu přerodu firmy AMD do podstatně štíhlejší podoby. Procesory FX stejně jako první desktopová APU vstoupily na trh v roce 2011 a AMD pro ně využilo 32nm proces. Intel tedy už tehdy měl se svým 32nm procesem roční náskok. To není zase tak moc, ovšem procesory AMD FX už na 32nm technologii zůstaly a jsou jí vyráběny i nejnovější modely z druhé poloviny předchozího roku (FX-8370E a další).

My ale víme, že AMD se zaměřilo především na vývoj APU a těch jsou na světě již 4 generace - Llano, Trinity, Richland a Kaveri. Nicméně teprve Kaveri přešly v předchozím roce na 28nm výrobní proces firmy GlobalFoundries (pro výrobu starších APU využívalo AMD i firmu TSMC) a AMD musí stále tento 28nm proces využívat i pro výrobu zbrusu nových čipů.
Je tedy více než zřejmé, že Intel má v současné době velkou technologickou výhodu, ovšem Samsung již má k dispozici 14nm proces, GlobalFoundries by jej také brzo měly mít a ve spojení s TSMC se zase mluví o 16nm procesu, čili náskok Intelu by měl být alespoň na nějaký čas stažen.