AMD fabrique ses puces Ryzen en 7 nm, tandis que les puces de dixième génération d’Intel sont construites en 10 nm et 14 nm selon le modèle. Que signifient exactement ces nanomètres et que disent-ils réellement sur les performances d’une puce ?
Les processeurs de dixième génération d’Intel comprennent deux familles de puces très différentes : il y a Ice Lake, fabriqué en 10 nm, et Comet Lake, fabriqué en 14 nm. AMD fait construire ses CPU Ryzen dans les usines de TSMC, en 7 nm.
Il y a beaucoup de va-et-vient entre Intel et TSMC concernant ces dénominations en nanomètres. Ce qu’Intel appelle 10 nm serait par exemple identique à ce que TSMC décrit comme 7 nm. La distinction est importante : la taille d’un nœud de production a un impact direct sur les performances des puces. Maintenant qu’Intel a tout mis dans le même sac de manière peu claire avec sa dixième génération et qu’AMD est redevenu un concurrent pertinent, nous examinons ce que signifient réellement ces nanomètres.
À propos des nœuds
Le terme générique pour la technologie utilisée pour fabriquer une puce est un ‘nœud’. Les nœuds se distinguent par une nomenclature en nanomètres. 14 nm, 10 nm, 7 nm… sont donc des nœuds de production. Ils donnent une indication de la précision du processus de production dans une usine. Intel, par exemple, possède des usines de puces qui produisent des puces sur un nœud de 10 nm, ce qui signifie que ces puces sont fabriquées avec un ensemble de technologies modernes qui vivent sous l’appellation ’10 nm’.
Une idée fausse répandue est que les nanomètres se rapportent à la taille des transistors sur une puce. Ce n’est plus le cas aujourd’hui. Jusqu’en 1997, il y avait bien un lien direct entre la taille d’un transistor et la dénomination d’un nœud. Plus précisément, un nœud correspondait à la longueur de la porte du transistor produite avec la technologie.
Le nœud de 350 nm en 1995 a reçu son nom en raison des puces avec des transistors ayant une longueur de porte de 350 nm, qui sortaient de la chaîne de production du nœud de 350 nm. Autour du tournant du siècle, ce lien a été perdu. De nouvelles technologies pour la construction de microtransistors ont conduit à une densité de transistors plus élevée sur les micropuces, rendant la longueur de la porte moins pertinente.
Moins d’acteurs, plus de différences
Jusqu’en 2013 environ, il y avait un consensus dans le monde des processeurs sur ce qu’un nœud spécifique devait impliquer. Comme il faut en moyenne près de 15 ans pour qu’une technologie passe d’un article scientifique à une usine de puces opérationnelle, il existait jusqu’alors une instance sectorielle globale qui élaborait des feuilles de route à long terme pour les nœuds de processeurs. L’« International Technology Roadmap for Semiconductors », ITRS pour les intimes, fixait des objectifs pour chaque nœud concernant le nombre de transistors par puce et la taille moyenne des composants sur une telle puce.
Ces dernières années, l’ITRS a été réformée et la feuille de route est devenue beaucoup moins pertinente. C’est logique : alors qu’autrefois les puces étaient construites dans les usines d’une dizaine de fabricants, il n’y a plus aujourd’hui que trois entreprises capables de mettre en place des lignes de production avec la technologie la plus moderne : Intel, Samsung et TSMC.
GlobalFoundries s’est arrêté au nœud 14/16 nm et n’a pas réussi à faire évoluer ses usines vers 10/7 nm. Changer de nœud est en effet une affaire coûteuse, tant en termes de recherche que de matériel. Des milliards d’euros sont en jeu dans la réduction d’un nœud.
Détourné par le marketing
Si la dénomination en nanomètres ne correspond plus à un composant spécifique sur une puce, et qu’elle n’est pas non plus un terme générique sous lequel se cachent des conventions en termes de taille et de technologie, que valent encore des concepts comme 14 nm et 10 nm ?
La dénomination en nanomètres pour les nœuds est aujourd’hui reprise par le département marketing.
Sur le plan technique, très peu. La dénomination en nanomètres pour les nœuds est aujourd’hui reprise par le département marketing et n’a plus de rapport direct avec les composants d’une micropuce. Si Intel passe de 14 nm à 10 nm, vous ne pouvez pas en déduire ce qui se passe exactement dans le processus de production.
Terme indicatif
La taille du nœud est donc aujourd’hui plutôt une indication qu’un fabricant de puces a équipé ses usines d’une nouvelle technologie, qui est plus précise à différents niveaux et permet une densité de transistors plus élevée. Le degré de précision n’est pas tout à fait clair.
Historiquement, un nouveau nœud devait s’accompagner d’un doublement du nombre de transistors sur une surface donnée, mais cette règle empirique n’est aujourd’hui guère plus qu’une indication approximative. Lorsqu’un nœud passe de la taille X à la taille Y, le fabricant indique surtout qu’un grand bond en avant a été fait dans son propre processus de production.
Ce qu’est exactement ce processus de production diffère plus que jamais entre les différentes usines. Intel construit ses puces différemment de TSMC et Samsung. Différentes technologies liées à un changement d’échelle sont introduites à différents moments (FinFET, Gate-last..). Cela signifie qu’un concepteur de puces doit aujourd’hui travailler en étroite collaboration avec le fabricant de son choix.
Les conceptions de puces doivent plus que jamais être optimisées non seulement pour le nœud utilisé, mais aussi pour l’implémentation de ce nœud par TSMC, Intel ou Samsung. Quiconque veut faire fabriquer dans une usine de TSMC un design conçu pour Samsung, par exemple, sur un nœud similaire, peut s’attendre à une petite année de reconceptions.
Comparaison
Si nous regardons un seul fabricant, la dénomination d’un nœud est encore précieuse. 10 nm est meilleur que 14 nm, et les améliorations sont suffisamment importantes pour que le fabricant de puces parle d’un nouveau nœud. Cela signifie généralement des composants plus compacts sur la puce, ce qui conduit à de meilleures performances. Nous expliquons plus loin dans l’article pourquoi c’est exactement le cas. Vous pouvez en tout cas dire sans aucun doute que les puces Ice Lake 10 nm d’Intel sont structurellement supérieures aux processeurs Comet Lake 14 nm.
10 nm est meilleur que 14 nm. Surprise ?
Faire une comparaison entre fabricants est devenu plus difficile. Les puces Ryzen 7 nm d’AMD sont fabriquées par TSMC. Un nœud plus petit conduit à de meilleures puces, mais les noms des nœuds sont la propriété du département marketing. Le 7 nm de TSMC est-il donc réellement plus petit que, par exemple, le 10 nm d’Intel ? Ce dernier affirme haut et fort que ce que TSMC appelle 7 nm est en fait simplement 10 nm selon la convention d’Intel. Les puces Ryzen devraient être équivalentes aux processeurs Ice Lake en termes de processus de production.
Les chiffres derrière le nœud
Pour examiner cette affirmation, nous avons ouvert la boîte de Pandore. 10 nm, 14 nm et 7 nm peuvent être des termes marketing, ils correspondent néanmoins à certaines spécifications qui sont techniquement pertinentes. Concrètement, il s’agit du Contacted Gate Pitch et du Minimum Metal Pitch. Le Contacted Gate Pitch est grosso modo la distance minimale entre les transistors sur une puce, tandis que le Minimum Metal Pitch est la distance minimale entre les interconnexions qui relient les transistors pour former des circuits logiques.
Une distance plus petite entre les transistors implique une densité de transistors plus élevée, une distance plus petite entre les interconnexions signifie que vous pouvez également connecter les transistors supplémentaires pour former des circuits plus complexes. Sous le drapeau marketing du nœud, TSMC, Intel et Samsung documentent soigneusement leur Contacted Gate Pitch et leur Minimum Metal Pitch.
Si nous regardons d’abord le 10 nm, nous voyons que ces distances pour Intel sont respectivement de 54 nm et 36 nm. Les puces 10 nm de TSMC ont une densité plus faible : le Contacted Gate Pitch et le Minimum Metal Pitch sont de 66 nm et 44 nm. Idem pour Samsung, où les valeurs sont de 68 nm et 48 nm.
Si nous examinons maintenant les spécifications 7 nm, nous voyons que TSMC et Samsung ont réduit les deux paramètres. TSMC affiche 55 nm et 40 nm, Samsung 54 nm et 36 nm. Comparez maintenant avec les spécifications 10 nm d’Intel, et vous verrez que les paramètres les plus importants pour la densité en 7 nm chez TSMC et Samsung correspondent en effet aux spécifications du 10 nm d’Intel.
En d’autres termes : le 10 nm d’Intel est comparable au 7 nm de TSMC et Samsung. Autrement dit : le département marketing d’Intel a manqué la cible. Il y a d’autres paramètres pertinents pour évaluer la qualité d’un nœud, mais ils suivent la même ligne.
Plus petit, mais pourquoi meilleur ?
Nous arrivons ainsi finalement au cœur du sujet : pourquoi plus petit est-il meilleur ? Une densité plus élevée (dont le Contacted Gate Pitch et le Minimum Metal Pitch sont donc de bons paramètres objectifs) s’accompagne généralement de transistors plus petits. Un transistor plus petit a une distance plus courte entre la source et le drain. Cela signifie qu’un voltage plus faible est nécessaire pour faire passer le transistor de 0 à 1 et vice versa.
Une puce avec un design identique, fabriquée sur un nœud plus petit, consommera donc moins d’énergie que son prédécesseur. Cela a d’une part un impact direct sur l’autonomie de la batterie dans les ordinateurs portables, mais permet d’autre part aussi de meilleures performances. Avec la consommation plus faible, la chaleur générée diminue également. Comme les puces sur un nœud plus petit fonctionnent intrinsèquement plus froidement que des puces identiques construites sur un nœud plus grand, elles peuvent supporter des fréquences légèrement plus élevées au même TDP (thermal design point = consommation électrique maximale). L’architecture (modifications de la conception de la puce qui ne sont pas liées au nœud) a également un impact, mais des recherches récentes ont montré que celui-ci est assez faible.
Tirer des conclusions
C’est pourquoi vous pouvez affirmer qu’Ice Lake d’Intel est intrinsèquement meilleur que Comet Lake, sans connaître les détails du nœud : plus petit est toujours physiquement meilleur. Les puces sont toutes deux fabriquées dans les usines d’Intel et sont donc comparables entre elles.
Pour la même raison, vous ne pouvez rien dire sur Ice Lake par rapport aux puces Ryzen Zen 2 d’AMD sur la seule base du nœud. 7 nm semble plus petit que 10 nm, mais comme nous l’avons expliqué en détail ci-dessus, ce n’est pas toujours vrai dans le monde des processeurs.
Enfin, EUV mérite encore une mention. Extreme UV fait référence à la longueur d’onde utilisée dans le processus de lithographie avec lequel les processeurs sont fabriqués. On peut comparer cette longueur d’onde à l’épaisseur du pinceau en peinture : plus elle est fine, plus le processus de production peut être précis. Les nœuds actuels sont déjà si précis qu’il est difficile de construire des pinceaux suffisamment fins. La technologie EUV promet à cet égard d’être un bond en avant qui accélérera à nouveau les réductions de nœuds.