AMD Radeon VII – först ut på 7 nanometer

Krympningar och nya tillverkningstekniker har traditionellt inneburit rejäla framsteg inom halvledarindustrins tre viktigaste parametrar – energieffektivitet, prestanda (klockfrekvenser) och så klart transistortäthet. Historiskt har det varit mer regel än undantag att en ny teknik givit tydliga fördelar.

AMD om teknikskiftet 28 till 14 nanometer.

Så blev också fallet när långlivade 28 nanometer förpassades till historieböckerna på grafikkortssidan. Det här var också för första gången på länge som AMD bröt sitt samarbete med TSMC och började tillverka grafikkretsar någon annanstans – Globalfoundries, samma aktör som under många år tillverkat AMD:s processorer. Nvidia stannade kvar hos TSMC.

Efter avstickaren till Globalfoundries återvänder AMD till TSMC när det är dags för stora nästa tillverkningstekniska kliv till 7 nanometer. Det handlar återigen om stora teoretiska fördelar jämfört mot föregående generation, men de är inte lika påtagliga som tidigare teknikskiften.

När AMD talar om 7 nanometer ger tekniken upp till "halverad strömförbrukning vid likvärdig prestanda" jämfört med den 12-/14-nanometersteknik bolaget använder hos Globalfoundries. Påståendet gäller vid en lägre frekvens och optimal spänning, rent krasst ett bästa scenario.

Det andra påståendet från AMD är 25 procent högre prestanda med 7 nanometer. I kontexten tillverkningstekniker menas klockfrekvenser när det talas om prestanda och inte arkitektoniska förändringar som ger högre prestanda vid en given frekvens (IPC). Även här handlar det om ett bästa scenario och ett värde som krymper för framförallt högpresterande kretsar, det vill säga med höga klockfrekvenser.

Processorer på över 3,0 GHz är typexemplet på saker som brukar komma en bra bit under de procentuella förbättringar som utlovas. Grafikkretsar som än så länge har klockfrekvenser under 2,0 GHz har mer att vinna på nya tillverkningstekniker än designer ämnade höga klockfrekvenser.

Prestanda och strömförbrukning är viktiga, men den parameter som verkligen drivit utvecklingen framåt är högre transistortäthet. Här talar AMD om en dubblering, vilket betyder att det är möjligt att skapa en dubbelt så komplex krets på samma yta om med föregående tillverkningsteknik.

När det talas om nya tillverkningstekniker och kostnadsfördelar har lägre pris per transistor i årtionden varit halvledarindustrins heliga graal. En dubblering har tidigare inneburit en halvering i tillverkningskostnad. Sedan ungefär tio år tillbaka har kostnadsfördelarna för varje ny teknik krympt – "Moores lag är död".

I och med 7 nanometer är det flera aktörer som har is i magen och stannar kvar på äldre tillverkningstekniker, då den nya har både högre utvecklingskostnader och är dyrare att tillverka på. Samtidigt är de prestandamässiga fördelarna inte lika stora som tidigare. De som inte hoppar på 7 nanometer idag väntar på att tekniken ska förfinas och gå ned i pris.

De allra senaste tillverkningsteknikerna har med andra ord blivit en lyxvara, som endast de största aktörerna har råd att investera i. Apple och Huawei var tidigt ute under hösten 2018 med kretsar tillverkade på 7 nanometer. Nu får de sällskap av AMD som med start år 2019 storsatsar på tekniken.

Vega 20 – första grafikkretsen på 7 nanometer

För att ta det första steget på 7 nanometer använder AMD sin arkitektur Vega, som lanserades under sensommaren 2017. Grafikkretsen heter Vega 20 och är i allt väsentligt en krympning av Vega 10 med den stora nyheten att minnesbussen för HBM2-minne dubblerats från 2 048 till 4 096 bitar.

Rendering av Vega 20 med fyra stycken HBM2-minneskapslar.

Få arkitektoniska nyheter innebär också att AMD inte ökat antalet transistorer drastiskt mot tidigare. Jämfört med Vega 10 handlar det om 13,2 miljarder eller knappt 6 procent fler för Vega 20. Kretsytan för nykomlingen ligger på 331 mm² jämfört mot 486 mm² för Vega 10.

Med både antalet transistorer och kretsyta i hand står det klart att Vega 20 endast huserar 55 procent fler transistorer på en given yta än Vega 10, vilken tillverkas på Globalfoundries 14-nanometersteknik. Det är ungefär hälften av vad AMD gör gällande att de ska kunna få ut av TSMC:s 7-nanometersteknik.

Medan Vega 20 rymmer närmare 40 miljoner transistorer per kvadratmillimeter är antalet mer än det dubbla med Apples systemkrets A12, som med samma teknik rymmer 82,8 miljoner transistorer på samma yta. Även om jämförelsen inte är helt rätt – företag räknar olika och vissa IP-block skalar inte ned lika bra som andra – är det tydligt att Vega 20 inte utnyttjar 7-nanometersteknikens fulla potential.

Varför Vega 20 inte når den dubblering AMD talar om kan vi endast spekulera i. En möjlighet är att AMD behöva lätta på transistortätheten för att hålla temperaturerna i schack. En annan är att bolaget valde att vara försiktiga med sin första krets på 7 nanometer då det är riskfyllt att göra en alltför komplex krets på en obeprövad tillverkningsteknik. I klartext att Vega 20 är en "piprensare" som används för att AMD ska lära sig bemästra tekniken till Zen 2 och nästa grafikarkitektur Navi. Eller en kombination av båda.

Oavsett anledningar blir 7 nanometer en riktig långkörare och under året släpper TSMC en uppföljare (7nm+) som levererar ytterligare lite bättre transistortäthet och energieffektivitet, men försumbara prestandafördelar. Det är också dessa tekniker som kommer vara det bästa AMD och Nvidia har att tillgå under lång tid framåt.