Nedávno vyšlo najevo, že i když se od přelomu roku 2018 / 2019 očekával výrazný pokles poptávky po počítačích, nebyl propad až takový (alespoň ne v lednu, za který jsou údaje) a poptávka opět roste, což znamená opět nedostatek procesorů Intelu. Dnes se pokusíme zodpovědět otázku, co ho způsobuje.

Coffee Lake-refersh bez chladiče

O nedostatku se začalo zákulisně (mezi výrobci) hovořit již loni na jaře a jako nevyhnutelná se tato situace ukázala být koncem léta. Tehdy jsme vás informovali o očekávaném růstu cen procesorů Intel. Nakonec nastal, ale k situaci jsme se co do příčin a vývoje už nevrátili.

1. Rostoucí šíře portfolia

Tehdy jeden důvod předložila redakce webu DigiTimes, která ho spatřovala v rozšiřování portfolia Intelu, ovšem bez rozšiřování výrobních kapacit. Sice tehdy uvedla jako nešťastný příklad mobilní procesory Whiskey Lake, které byly ve své podstatě jen náhradou předchůdce o stejné ploše čipu, takže ke zvýšení nároků na výrobní kapacity čistě z důvodů Whiskey Lake dojít nemohlo, ale je pravdou, že počet dodávaných modelů Intelu spíše stoupal než klesal. Širší spektrum modelů pak může oslovit širší spektrum zákazníků.

2. Modemy pro Apple

Další důvod, poměrně mediálně oblíbený, jsou objednávky Applu. Intel dodává 14 modem XMM7560, který Apple používá v posledním iPhone XS. Jsou tu však nějaká „jenže“. Jednak nejde o první modem, který Apple od Intelu odebírá. Nedá se tedy říct, že by se najednou objevil nový zákazník, který tu dříve nebyl a který Intel mohl vyvést z rovnováhy. S dodávkami počítal Intel dopředu velmi dlouhodobě. Nedá se říct ani to, že by Intel tato zakázka Intel vyčerpala tak, jak by se mohlo zdát s ohledem na uváděné objemy dodávek. Kusů je hodně, spotřeba křemíku je však nízká. XMM7560 totiž měří pouhých 57 mm², což je ještě méně, než měří mobilní ARM SoC. K této ploše se ještě vrátíme.

Modem Intel XMM7560 (pouzdro), foto: TechInsights

Pokud se nad situací zamyslíme, pak ze situace vyplývá, že když Intel objednávku Applu přijal, předpokládal, že mu nenabourá výrobu jeho vlastních procesorů. Přijmout ji s vědomím, že mu nabourá výrobu jeho vlastních procesorů, by dávalo smysl pouze za předpokladu, že by modemy pro Apple vydělávaly Intelu více než jeho vlastní procesory. To se ovšem neděje. Podle TechInsights stojí Apple centrální SoC + modem celkem $72. Centrální SoC je větší a vyráběný na nejdražším procesu - 7nm.

Modem Intel XMM7560 (jádro), foto: TechInsights

I kdybychom přesto počítali, že modem je dražší a Apple za něj Intelu platí více než polovinu z těchto $72, řekněme $40, pak by to znamenalo, že Intel prodá Applu 1 mm² křemíku za $0,70. Přitom však vlastní procesory prodává výrazně dráž. Doporučená cena ~175mm² Core i9-9900K činí $499 a i kdyby jej samotný Intel prodával za polovinu ($250) a zbytek byly přirážky obchodníků, stále by na 1 mm² křemíku prodaného na procesoru Intel vydělal $1,43, tedy více než 2× tolik oproti modemům.

Intel by jistě objednávku, pokud by se mu jevila jako ztrátová, nepřijal ani kvůli tomu, aby si zlepšil vztahy s Applem a ten od něj odebíral i další generace modemů. Je totiž veřejně známo, že Apple si modemy začíná vyvíjet sám a přestane je odebírat od externích dodavatelů. Nemělo by smysl dělat ztrátové ústupky zákazníkovi, který stejně odejde.

Apple iPhone XS

Jediný reálně znějící scénář je tedy takový, že v době podpisu smlouvy s Applem byl Intel přesvědčen, že mu dodávky modemů nenabourají výrobu procesorů. Zkrátka že na ně bude mít volné kapacity. To si mohl myslet ze dvou důvodů. Buďto věřil, že v době výroby modemů již výroba procesorů poběží z nějaké nezanedbatelné části na 10nm linkách (a 14nm se tím uvolní). Nebo naopak věděl, že ještě procesory pojedou na 14nm, ale nevěřil, že Zen od AMD bude natolik silným produktem, že bude třeba posilovat konkurenceschopnost přidáváním jader (které neskončí u šesti).

3. Zvyšování počtu jader

Na třetí důvod jsme možná loni na DIIT upozornili vůbec jako první. Je jím rostoucí plocha procesoru. Zatímco výrobní kapacity jsou definovány počtem waferů, které linka vychrlí za určitou jednotku času, a tento počet je v podstatě konstantní, počet procesorů, který se vyrobí z každého waferu, každou generaci klesá.

Šestijádrový Coffee Lake

Čtyřjádrový Skylake z waferu ukousl 122 mm² křemíku, Kaby Lake si trošku rozvolnil tranzistory, takže přes čtyřjádrovou konfiguraci vyžadoval 126 mm² křemíku. Šestijádrový Coffee Lake už si řekl o 150 mm² křemíku. Pro osmijádrový Coffee Lake-refresh se uvádí 174-175 mm² a rovnou si můžeme extrapolovat, že desetijádrový Comet Lake si s ohledem na přidání ~25 mm² na dvojici jader řekne o zhruba 200 mm².

Osmijádrový Coffee Lake-refresh

Přitom je třeba brát v potaz, že i když se výrobní proces časem mírně zlepšuje, jde proti výtěžnosti nárůst taktovacích frekvencí (v průměru o 300 MHz na generaci) a větší plocha jádra. Výtěžnost přepočtená na čip se tedy nemusí lepšit, přinejmenším se nebude nijak rapidně lepšit jako v dobách, kdy Intel mezigeneračně pouze mírně ladil, přičemž takty ani plocha čipu nijak strmě nerostly.

Z jednoho waferu, ze kterého původně mohlo vzniknout 468 čipů Skylake (zatím neřešíme výtěžnost, jen celkový počet vzniklých čipů), vzniklo loni jen 380 čipů Coffee Lake, v současnosti jen 324 čipů Coffee Lake-refresh a později v letošním roce pouze 280 čipů Comet Lake.

Výtěžnost (tedy kolik z těch čipů je plně funkčních) nemůžeme přesně započítat, protože Intel potřebné údaje nezveřejňuje. Můžeme si však ilustrovat, jak výtěžnost funguje. Pokud by proces měl četnost defektů 0,1 na čtvereční centimetr, pak by zhruba 50 čipů na wafer nebylo 100% funkčních a podle polohy defektu by se buďto daly prodat jako model s nižším počtem jader, nebo by zachránit nešly a skončily by v recyklaci. V případě 0,2 defektu na čtvereční centimetr by počet čipů, které nejsou 100% funkční, dosáhl asi stovky z každého waferu. Podstatné je, že v důsledku defektů se zvyšuje rozpor mezi počtem malých čipů a počtem velký čipů, které lze z waferu vyrobit.

Wafer s jádry Coffee Lake

Zatímco při hypotetické 100% výtěžnosti lze z jednoho waferu vyrobit 60 % kusů Comet Lake oproti tomu, kolik kusů by se z waferu dalo vyrobit procesorů Skylake, při započtení nějakých defektů (0,1) to už je jen 55 % a při výraznějších defektech (0,2) pouze 52 %.

Lze tedy říct, že při zachování identických 14nm výrobních kapacit se postupem času snižuje počet vyrobených procesorů téměř na polovinu. Po zohlednění stavu, do jakého dorostly serverové Xeony, jejichž plocha dosahuje až ~700 milimetrů čtverečních (tam má již výtěžnost větší dopad na nároky křemíku než plocha jako taková), by nebylo překvapivé ani to, kdyby počet procesorů vyrobitelný s identickou 14nm výrobní kapacitou klesl na méně než 50 %.

4. 14nm čipsety a Atomy

Bývalo zvykem, že čipsety a Atomy přecházely na nový výrobní proces teprve poté, co jej opustily procesory (které přešly na ještě novější). Z důvodu dlouhého života 14nm výroby a odkladů výroby 10nm se na 14nm proces začaly kvůli konkurenceschopnosti tlačit čipsety a Atomy dříve, než velké procesory 14nm proces opustily. Přestože Intel tento trend zabrzdil, část migrace proběhla a ubrala další kousek kapacit dostupné procesorům.

Na druhé straně je třeba říct, že Intel se tomuto problému snaží bránit, jak umí. Zastavil přechod čipsetů z 22nm procesu na 14nm. Prakticky nechal umřít zakázkovou výrobu. V tichosti zmizely Xeony Phi, které přes nijak závratné prodeje co do počtu kusů mohly blokovat nezanedbatelné výrobní objemy (pro některé modely se uvádí křemíková plocha blízká 700 mm² na čip). Nyní se zdá, že když to s přesunem na 10nm proces nejde u výkonných čipů, mohl by Intel na 10nm přehodit Atomy a tím uvolnit 14nm kapacity.

Xeon Phi - Knights Landing s jádrem o ploše 684 mm²

Ve druhém pololetí by měly být rozšířeny 14nm výrobní kapacity jako takové. Otevřením linek v Arizoně stoupnou celosvětové 14nm kapacity Intelu o 25 %. Jedním dechem však můžeme dodat, že přechodem výroby z Coffee Lake-refresh na Comet Lake stoupne spotřeba křemíku o 14 % na kus. Přestože se tedy předpokládá, že zvýšení 14nm kapacit o 25 % problematickou dostupnost procesorů Intelu zcela vyřeší, vypadá to, že toto rozšíření unese jen jednu plánovanou 14nm generaci navíc (Comet Lake) a kdyby mělo dojít na další zvýšení počtu jader v rámci 14nm procesu (hypotetický 12jádrový Comet Lake-refresh), dost možná by se situace opět vrátila do stávajících kolejí.