Zdražování moderních výrobních procesů: jak velký máme problém?
Hodně se mluví o tom, že výrobní náklady nejmodernějších čipů vyráběných pokročilými křemíkovými procesy jdou pořád nahoru, což povede i k dražším cenám koncových produktů (pokud firmy nenajdou cesty k nějakému zmenšení čipů, o což se AMD snaží s čiplety). Obvykle k tomu ale nejsou konkrétní čísla ukazující, jak moc výroba zdražuje. Teď se ale takové zajímavé srovnání objevilo na webu DigiTimes, zejména o tom, jak draho přijdou 3nm čipy.
Článek DigiTimes se odvolává na zdroje z počítačového průmyslu a vypočítává, kolik zhruba stály nové výrobní procesy v době svého uvedení. Přesněji řečeno – kolik stála výroba u TSMC, z kterého se od té doby stal absolutní a nezpochybnitelný lídr, ovšem ještě před 10–15 lety to tak nebylo.
Už historické (z pohledu dnešního využití) procesy 90 nm a 40 nm z let 2004 a 2008 stály ještě jen 2000 $ a 2600 $ za wafer, což se u 28nm procesu zvýšilo na 3000 $ (v grafu je uvedený rok 2014, ale proces byl dostupný dříve). Pro připomenutí: wafer je 300mm (v anglických textech se uvádí rozměr 12 palců) široká kruhová deska, vyrobená jako řez z křemíkového krystalu. Na ni se fotolitografií teprve vytvoří tranzistory jednotlivých čipů ve vzoru vedle sebe jako kousky koláče nebo poštovní známky na aršíku a poté se nanesou kovové vrstvy.
To, čemu říkáme čip, vznikne rozřezáním na individuální kousky, kterých může podle velikosti čipu být pár desítek až několik stovek. Cena čipu závisí jednak na tom, kolik vás stojí wafer, ale také na tom, kolik z jedné tuto fixní částku stojící desky vyrobíte („vytěžíte“) použitelných čipů. Od toho se odvíjí vysoká cena velkých čipů jako jsou highendová GPU nebo nejvýkonnější serverová CPU.
Zdražování od příchodu FinFETů
Zatímco až do 28nm procesu se cena čipů odvíjela od oné základní ceny 2000–3000 $ za wafer, pak začala docela strmě růst. Nejspíš to začalo už 16nm procesem (v PC se tento proces objevil s grafikami GeForce GTX 1000 od Nvidie – AMD používalo srovnatelnou 14nm technologii Samsungu / GlobalFoundries), který ale je v grafu vynechán. V éře po zavedením 3D tranzistorů (FinFETy), které byly poprvé u 16 nm, je uvedená až cena za 10nm výrobu – to už stál jeden 300mm wafer 6000 $.
Poté přišel 7nm proces, který byl hodně zlomový, s ním získalo TSMC jasnou převahu a podobně také jeho použití vyneslo převahu AMD proti Intelu. Tato technologie ale také znamenala značné zdražení – jeden wafer stál už 10 000 $, za stejně velkou 300mm desku.
I na 5nm procesu, který je u TSMC jako první od začátku na bázi technologie EUV, cena opět stoupla. Podle DigiTimes již wafer stojí okolo 16 000 $. Toto se asi může trošku měnit podle pozice a síly zákazníka – je pravděpodobné, že Apple bude mít proti menším zvířatům nějakou slevu.
U 3nm výrobního procesu pak cena za výrobu dosáhne dalšího rekordu. TSMC za tuto technologii bude údajně účtovat (respektive už asi účtuje) 20 000 $ za wafer. DigiTimes k tomu podotýká, že se můžete připravit na to, že například iPhone může stát víc, až do něj Apple začne 3nm procesor osazovat.
Zdražení výrobních nákladů versus zvýšení cen, které platíte
V kontextu tohoto zdražování waferů jste si možná vzpomněli na kritizované vysoké ceny, které Nvidia nasadila u grafik GeForce RTX 4000. Ty mají 4nm čipy, u nichž by cena měla být podobná jako u 5nm procesu v grafu (proces 4N je derivát 5nm technologie). Je to tedy nakonec ospravedlnitelné? Nejspíš i tak úplně není. Problém zdražení grafik GeForce RTX 4000 – zejména u modelu RTX 4080 16GB za 1200 $ a RTX 4080 12GB/RTX 4070 Ti za 900 $ – není ani tak v samotném zdražení, ale v jeho míře.
Nějaké zvýšení cen třeba proti 28nm a 16nm GPU smysl dává. Ale čip samotný je jen část nákladů za celou grafickou kartu a celkové zdražení takové GeForce RTX 4080, kde šla z generace na generaci cena nahoru o 71 %, nejspíš neodpovídá tomu, jak narostly ceny výroby čipů GPU. Vytýkat modelům jako RTX 4080 a RTX 4070 Ti předražení je téměř určitě legitimní stížnost i přesto, že jejich GPU jsou dražší. I RTX 4090 se svým výrazně větším čipem má nejspíš dost prostoru v marži a 1600 $ by stát nemusela, jak možná jednou vidíme, když se na konci kariéry bude vyprodávat.
Samotný wafer není úplně dominantní zdroj výrobních nákladů
Pro orientaci – 5nm čiplet s osmi jádry Zen 4, který AMD používá v procesorech Ryzen 7000, by měl mít rozměr okolo 10,7 × 6,75 mm. Podle tohoto online kalkulátoru by to mělo umožnit dostat z waferu až 841 maximálně použitelných čipů (berte to ale s rezervou, v paxi to může vycházet trošku jinak). Z toho nějaká část může být nepoužitelná, byť i částečně defektní kusy se dají zachránit, pokud je lze zprovoznit vypnutím jádra či bloku zasaženého defektem. Pokud bychom ale pro jednoduchost pracovali prostě s výtěžností okolo 95 % (800 použitelných křemíků), pak vám vyjde, že s waferem stojícím 16 000 $ vás jeden kousek stojí 20 $. U čipu AD102 používaného Nvidií v GeForce RTX 4090 se uvádělo zhruba 90 křemíků z jednoho waferu (178 $ za čip), opět je to asi ale dost přibližné.
I ono zdražení 3nm procesu o 25 % tedy prodraží tuto fázi výroby čipu relativně málo, protože absolutní částka není úplně brutální: hypotetický procesor s jedním 3nm čipletem stejné velikosti by stál jen o 5 $ více, model s dvěma čiplety o 10 $ víc. Můžete si to srovnat s prodejní cenou procesoru (250–400 $ za CPU s jedním čipletem). Firmy tedy nemusí nutně zdražit o hodně, protože velká část dalších nákladů na ceně křemíku už nezávisí – třeba pouzdření, testování, logistika. Na druhou stranu je pravda, že ve zbylé marži se ještě musí rozpustit náklady na výrobní masky a vývoj, které se také novými procesy zdražují a tyto náklady mohou jít do desítek milionů $. To lze ovšem rozpustit tehdy, pokud se bude čip vyrábět a prodávat ve velmi velkých sériích.
Z tohoto můžete vidět, že nějaké zdražení firmy „potřebovat“ budou, ale neznamená to, že by produkty nevyhnutelně musely zdražit o takové částky (z 500 na 900 $), jak to předvádí třeba ta GeForce RTX 4070 Ti oproti své předchůdkyni RTX 3070.
Zdroje: DigiTimes, Retired Engineer, techPowerUp
Jan Olšan, redaktor Cnews.cz
⠀
Trochu se tady zapomíná na paměti, kterých má nová generace více, bez nich si jeden ucelenou představu neudělá. Vyrábí je jen Micron a poptávaný objem může být na hraně produkce, což se pak mohlo vyvinout v určitě zajímavou nepěkná věc.