Chips: Was bedeuten 7 nm, 5 nm, 3 nm und 2 nm?

Informiert man sich zu Prozessoren, also zu sogenannten „Chips“ in Computern, Smartphones und anderer Elektronik, dann stolpert man schnell über die Abkürzung nm. Diese steht für Nanometer und wird im Hinblick auf Computer-Hardware bereits seit den 1960er Jahren verwendet. Doch was genau wird damit gemessen und ist die Maßeinheit, die 0,0000001 cm darstellt, vielleicht langsam aber sicher veraltet? Antworten sowie Denkanstöße zu diesen Fragen bekommt ihr in diesem Beitrag. Schon einmal vorab: Ich bin kein Experte in Physik oder Elektrotechnik, Fehler können also gern in Form von konstruktiver Kritik angemerkt werden.

Was bedeuten 7 nm, 5 nm, 3 nm und 2 nm bei Computerchips? Was sagen die Zahlen über Transistoren auf Prozessoren wie CPU und GPU aus? Hier bekommt ihr eine (einfache) Erklärung sowie eine Idee für Alternativbezeichnungen.

Kapitel in diesem Beitrag:

1 Die aktuelle Diskussion um 5 nm und 3 nm
2 Was gibt die winzige Maßeinheit auf Chips überhaupt an?
3 Die nächste Stufe: Chips mit 2 nm Architektur von IBM, TSMC und Co.
4 Vorteile immer kleinerer Bauweisen und geringerer Transistorabstände
5 Ist die Chip-Einheit nm noch zeitgemäß?
6 Traditionelle Bezeichnung vs. Genaue Mengenangaben
7 Zusammenfassung zum Thema Computerchips und nm-Größen
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Die aktuelle Diskussion um 5 nm und 3 nm

Werden die Chips der neuen Modelle des Apple MacBook Pro noch mit 5-Nanometer- oder schon mit 3-Nanometer-Architektur daherkommen? Diese Frage wurde in den letzten Wochen und Monaten diskutiert, und aktuell scheint es so zu sein, dass die Weiterentwicklungen des M2-Chips (M2 Pro, M2 Max, M2 Ultra, etc.) als 5 nm Modelle auf den Markt kommen werden.

Das liegt wohl am Entwicklungsstand des Chipherstellers TSMC, wie der Apple-Analyst Ming-Chi Kuo in einem Tweet vom 22. August 2022 aufzeigt. Ganz grob gesagt lässt sich für die Diskussion festhalten: je weniger Nanometer, desto leistungsstärker ist der Chip. Neben der Technik an sich ist die nm-Zahl also auch wichtig fürs Marketing.

Was gibt die winzige Maßeinheit auf Chips überhaupt an?

Doch was soll das Ganze? Was wird mit der mickrigen Entfernung von 0,0000005 cm oder 0,0000003 cm denn eigentlich dargestellt werden? Nun, um es wieder ganz einfach auszudrücken: es geht um die Abstände der Transistoren auf einem Chip. Je kleiner der Abstand, desto schneller sowie effizienter können Informationen in Form von Elektronen ausgetauscht werden. Je kleiner also die nm-Zahl, desto mehr Transistoren pro Fläche und weniger Ressourcenverbrauch pro Rechenaufwand sind möglich. Das Ergebnis sind kompakte, leistungsfähige Bauteile.

Dabei ist neben dem Abstand der Transistoren aber auch wichtig, wie groß der Chip an sich ist. Denn die Transistordichte ergibt ja erst dann wirklich einen Sinn, wenn man auch die Fläche kennt. So kann berechnet werden, wie viele Transistoren denn überhaupt verbaut sind. Mehr dazu weiter unten. Die reine Angabe der nm-Architektur dient also vor allem der Aussage: „Wir sind einen Schritt weiter, die Chips sind effizienter und schaffen (theoretisch) auf weniger Raum mehr Rechenleistung bei geringerem Stromverbrauch“.

Die nächste Stufe: Chips mit 2 nm Architektur von IBM, TSMC und Co.

Während im Hinblick auf Apple-Notebooks die Frage nach 5 nm oder 3 nm im Raum steht, da wird sich an anderer Stelle bereits um die darauf folgende Generation von Chips und Transistordichten gekümmert. Denn nach den oben aufgezeigten Überlegungen ist noch lange nicht Schluss. IBM hat bereits im Mai 2021 einen 2-nm-Chip als Prototypen gezeigt. Oder besser gesagt: ein 2-nm-Äquivalent, denn die Maßangabe bezieht sich direkt auf den zweidimensionalen Abstand von Recheneinheiten, einige Halbleiter werden aber mittlerweile im kompakteren 3D-Verfahren entwickelt, weshalb die nm-Bezeichnung nicht mehr so genau und vergleichbar ist.

Bei Ars Technica gibt es einen Beitrag vom Mai 2021, der sich mit der Thematik auseinandersetzt. Darin findet ihr auch eine Übersicht der Transistorenmenge pro Quadratmillimeter auf einzelnen Chips. Hier ein Auszug fürs bessere Verständnis und die Vergleichbarkeit der Bauteile:

Intel Desktop-CPUs mit 14 nm: max. 45 Millionen Transistoren pro mm²
Intel Laptop-CPUs mit 10 nm: max. 100 Millionen Transistoren pro mm²
Apple M1 SoC mit 5 nm: max. 171 Millionen Transistoren pro mm²
Apple Silicon mit 3 nm: geschätzt max. 292 Millionen Transistoren pro mm²
IBM-Chip-Prototyp mit 2 nm: max. 333 Millionen Transistoren pro mm²

Vorteile immer kleinerer Bauweisen und geringerer Transistorabstände

Bevor ich versuche, mit ein paar halbgar wiedergegebenen Informationen für eine neue Bezeichnung von Computerchips zu argumentieren, schauen wir mal auf die Vorteile der technischen Entwicklung, die im Detail dahintersteckt. Denn neben aller Theorie und dem Wettrennen um die kleinste nm-Zahl (egal ob real in 2D oder als Referenz in 3D) ist es auch wichtig zu verstehen, warum es diese ganzen Überlegungen und Anstrengungen überhaupt gibt. Dies sind also die wichtigsten Vorteile der immer kleineren bzw. näher zusammenrückenden Transistoren auf Chips:

Prozessoren können mehr „Kerne“ auf weniger Raum bekommen und damit stromsparend mehr Leistung bringen
Informationen kommen auf kürzeren Wegen schneller an, können schneller verarbeitet werden und verbrauchen weniger Ressourcen
Kleinere Bauweisen für Chips und Endgeräte im Allgemeinen sind möglich, sodass mobile Geräte (iPhone, MacBook, iPad, etc.) immer stärkere Digitalwerkzeuge werden
Durch den geringeren Ressourcenverbrauch, also die stromsparende Nutzung, ist die Hitzeentwicklung der Hardware geringer – somit wird weniger Kühlung benötigt und die Technik ist langlebiger
Auf Mobilgeräten wie Laptops, Smartphones, Tablets, etc. bedeutet dies alles auch eine längere Akkulaufzeit

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Ist die Chip-Einheit nm noch zeitgemäß?

Wie oben schon angerissen, so entwickeln sich nicht nur Größe und Abstände von Transistoren von CPUs, GPUs und Co. immer weiter hin zu kleineren Maßeinheiten. Auch der physische Aufbau der Chips an sich wird immer wieder angepasst. Deshalb gelten einige Bezeichnungen nur noch als Referenz, um eine Vergleichbarkeit mit älterer Technik aufzubauen. Das kann für Leute, die sich nicht tiefgreifend mit dem Thema auseinandersetzen, nicht auf den ersten Blick verständlich sein, im schlimmsten Fall sogar irreführend wirken. Vielleicht sollte man nach über einem halben Jahrhundert also über eine neue Nomenklatur nachdenken.

Traditionelle Bezeichnung vs. Genaue Mengenangaben

Das Finden und Nutzen einer neuen, genaueren Bezeichnung von Halbleitern, Chips, Prozessoren oder wie man die Hardware nennen will, ist natürlich nicht meine Idee. Sie passt aber gut in die hiesigen Betrachtungen und ist zudem schon seit April 2020 im Umlauf. In einem Beitrag von HPCwire, in dem Bezug auf ein Papier von IEEE genommen wird, finden sich dazu brauchbare Informationen. Im dem Beitrag heißt es unter anderem, dass Wissenschaftler/innen vom MIT, der Stanford Universität, der University of California/Berkeley und vom Chiphersteller TSMC in Taiwan eher eine Dichte-Angabe bevorzugen würden.

Dafür wurden die Begriffe DL, DM und DC vorgeschlagen. DL gibt die Dichte der Prozessor-Transistoren in n/mm² an. DM gibt die Bit-Dichte des Hauptspeichers an (aktuell der vom SoC gesonderte DRAM), ebenfalls in n/mm². DC soll die Dichte der Verbindungen zwischen Hauptspeicher und Prozessor angeben, auch hier in n/mm².

Im verlinkten Beitrag heißt es zur Anwendung der drei Werte: „Den Autor/innen zufolge lassen sich die heutigen Spitzentechnologien auf der Grundlage von Designspezifika durch [38M, 383M, 12K] charakterisieren.“ Die vorgeschlagene Herangehensweise ist also nicht so werbetauglich wie eine nm-Zahl, weil man den Sinn hinter drei verschiedenen Werten verstehen muss. Dafür ist sie technisch genauer.

Zusammenfassung zum Thema Computerchips und nm-Größen

Abschließend kann man also festhalten, dass Größe und Abstand von Transistoren auf Computer-Recheneinheiten wie CPUs und GPUs traditionell in Nanometer (nm) angegeben werden. Und auch wenn die zweidimensionale Maßeinheit bei modernen Chips nicht mehr wirklich aussagekräftig ist, so dienen Bezeichnungen wie 5 nm, 3 nm und 2 nm weiterhin als Vergleichswerte, um den technischen Fortschritt hinter den Bauteilen darzulegen. Denn Chips werden immer schneller und effizienter. Dabei ist fraglich, was für Bezeichnungen bei noch fortschrittlicheren Chips kommen soll. Hierfür gibt es Lösungsansätze, die aber weniger schnell zu verstehen sind.