Jakten på nästa tillverkningsteknik – Är grafikkortens guldålder över?

Fördröjningar av nya tillverkningstekniker, försenade lanseringar och uppskjutna krympningar leder till en hel del oro över vart entusiastmarknaden för grafikkort är på väg. NordicHardware blickar tillbaka och analyserar läget med långdragna utvecklingsperioder och ett nytt ultraentusiast-segment på kartan.

När marknaden för dedikerade grafikchip var i sin linda i mitten på 1990-talet var framstegen mellan varje generation enorma – transistordensitet och prestanda dubblerades i rasande takt samtidigt som nya funktioner introducerades både vid processnodskrympningar men även ofta mellan generationsskiften. Efter några år hade tillverkningstekniken gått från 500 nanometer till ”ynka” 150/130 nanometer och orosmolnen började torna upp sig enligt flertalet bedömmare. Guldåldern var sannolikt över och Moores lag, som lyder att transistorantalet i en krets skall fördubblas vartannat år, skulle inte längre kunna hållas.

Moores lag upprätthålls men tillverkningstekniken haltar

Spola fram till modern tid och grafikchip från AMD och Nvidia har sedan länge producerats hos Taiwanesiska kretstillverkaren TSMC med 28 nanometers HP-HKMG (high performance-high-k metal gate) tillverkningsteknik och Moores lag har faktiskt ofta överträffats snarare än följts. Frågorna som kan ställas är då om vi nu står inför problem som inte lika snabbt går att lösa som de vi mötte innan men också vad dessa problem isåfall beror på och hur det påverkar utvecklingen för marknaden. För att besvara dessa frågor har vi på Nordichardware tittat tillbaka på tidigare lanseringar för att analysera huruvida nya krypningar av tillverkningstekniken reellt tar mer tid eller om det endast är vi konsumenter och journalister som blivit bortskämda med ännu snabbare utveckling.

AMD ofta snäppet före med nya tillverkningstekniker

Som synes i diagrammet ovan så introducerade AMD grafikchip baserade på en 90-nanometersteknik i slutet av 2005 med sitt grafikkort Radeon HD X1800 som drygt ett år därefter ersättes av X1950 med 80-nanometersteknik. Nvidia lanserade sitt 8800 GTX på 90 nanometer betänkligt mycket senare än dåvarande ATI/AMD men kompenserade istället med större kretsar. AMD har inte sällan legat mellan 6 – 12 månader före Nvidia med att lansera produkter på krympt tillverkningsprocess fram till 40 nanometersklassen där avståndet började krympa med att Nvidia lanserade GTX 480 nästan exakt 6 månader efter AMD HD 5870. När AMD sedan introducerar HD 7970 till marknaden under de sista dagarna av 2011 så var det en papperslansering i ordets rätta bemärkelse och Nvidia lanserade sedan sitt GTX 680 endast 4 månader senare den 22 mars 2012. 

Om vi då vänder blicken bort från konkurrensen mellan företagen och istället fokuserar på hur lång tid det överlag tagit för en ny tillverkningsprocess att introduceras så ser vi att det mellan 90 och 80, samt mellan 80 och 55 nanometer tog nästan exakt 12 månader båda gångerna för AMD och dryga 5 månader respektive cirka 15 månader för Nvidia (däremellan gjorde dock Nvidia en krympning av en del av sina kretsar till 65 nanometer). Denna tidsrymd ligger i linje med eller endast något långsammare än den utveckling som var gällande i de dedikerade grafikchipens begynnelse men tittar vi sedan vidare mot krympningen från 55 till 40 nanometer och den efterföljande krympningen till 28 nanometer uppenbarar sig ett nytt mönster. Utvecklingen stannar upp betänkligt och istället för mellan ett halvår till ett år tar det TSMC nästan två år att få till en fungerande 40 nanometersproduktion och lite över två år att sedan nå 28 nanometer. Det sker således en klart märkbar försening vid båda dessa övergångar där det ryktas om att hög strömförbrukning, stora problem med strömläckage och dålig tillverkningskvalitet i allmänhet försenade introduktionerna.

Lång tid med 28nm

Den nuvarande tillverkningsnoden på 28 nanometer lanserades, som synes ovan, först till konsumenter i och med AMD lanserade Radeon HD 7970 (Tahiti XT) precis i slutet av 2011. Således har grafikkort i det absoluta toppsegmentet behållt samma tillverkningsnod i snart två och ett halvt år – Hawaii XT och GK110 är som bekant baserade på samma 28 nanometers transistorstorlek. Lägg till detta att en ny tillverkningsteknik inte förväntas vara klar för storskalig produktion förrän som tidigast nästa vår så ser det onekligen ut som att företagen hamnat i ett nytt läge med en, i jämförelse med tidigare takt, fördröjd övergång till nya tillverkningstekniker.

Anledningarna till att vi hamnat i detta läge är flera. En relativt uppenbar anledning är att tillverkningstekniken redan är så anvancerad att fysiska begränsningar med nuvarande design och material lett till minskade vinster vid en nodkrympning. Svårigheterna beror bland annat på grund av en oförmåga att adekvat hantera strömläckage när transistorernas portar börjar närma sig några få atomer i tjocklek. Elektroner har vid denna skala helt enkelt en förmåga att ”hoppa” genom barriärer och de lösningar som finns (till exempel Intels Tri-gate transistorer) leder istället till hotspots och problem med värmeavledning.

Mycket kompetenta ingenjörer arbetar med problemen och hittar ständigt nya lösningar men om inget radikalt sker så förutspår de allra flesta bedömare, inklusive företagen själva, att kostnaderna för nya mindre tillverkningstekniker kommer fortsätta att skena. Detta blir i sin tur ett mycket stort problem för GPU-tillverkare då dessa typer av kretsar är beroende av extrem transistordensitet för att få plats med mer prestandakomponenter och ytterligare funktionalitet – om krympningar blir omöjliga eller mycket svåra och tidsödande måste företagen hitta andra lösningar vilket vi exempelvis kan se i de allt större och mer strömtörstiga kretsar som utgör prestandasegmentet i dagsläget.

Samtidigt har också fokus och resurser flyttats från den stationära marknaden till den mobila – en marknad där strömeffektivitet, snarare än toppprestanda, är det allra viktigaste. Denna omfokusering har med stor sannolikhet lett till att mindre pengar, talang och tid kan läggas på att utveckla nya tekniker som fungerar väl för strömtörstiga högprestandakomponenter varför introduktionen av nya krympningar dröjer ytterligare.

Ultraentusiast – Nya tider föder nya prissegment

Vad innebär det faktum att företagen får allt svårare att krympa tillverkningstekniken för konsumenten i förlängningen? Det vi har sett, och antagligen kommer fortsätta att se, är att AMD och Nvidia lanserar en tidig generation och en eller flera sena generationer på samma tillverkningsnod i stil med vad som setts med GK104 och senare GK110 från Nvidia samt Tahiti XT till Hawaii XT från AMD – samma grundarkitektur men med små förändringar och uppskalade till monsterstorlek. Att sätta tänderna i, och recensera, giganter såsom Radeon R9 290X eller Geforce GTX 780 Ti/Titan Black är sannerligen mycket roligt ur en entusiastsynvinkel men faktum kvarstår att skapelserna kommer till ett prispremium som många gånger är svårmotiverat samtidigt som strömförbrukning, värmeutveckling och därmed ofta ljudnivå är sämre eller mycket sämre än kretsar i de lägre segmenten.

Om utvecklingen med allt längre tid mellan nodkrympningar fortsätter så kommer vi sannolikt se att det nu relativt nya ”ultraentusiast”-segmentet blir ett permanent inslag på marknaden. Konsumenter som är beredda att lägga tiotusentals kronor för maximal grafikprestanda får den möjligheten i och med de stora och dyra kretsar som vi nu ser på marknaden. En talande jämförelse är AMD:s tre år gamla flaggskepp Radeon HD 6990 som lanserades med två av AMD:s då kraftfullaste grafikkretsar med en prislapp på 6 000 kronor, motsvarande modell idag är nyligen lanserade Radeon R9 295X2 med en prislapp på 12 000 kronor. Eller för att inte tala om Nvidias kommande monsterkort Geforce GTX Titan Z med en prislapp på runt 25 000 kronor.

Vad betyder utvecklingen för dig som konsument?

Vidare är det inte alls otänkbart att den utökade trenden med omdöpningar av de lägre klasserna fortsätter i och med att AMD och Nvidia får svårare att lansera nya produkter som på ett markant sätt skiljer sig från föregående – här är ofta oem-marknaden pådrivande med en uttalad önskan om nya produktnamn för ökad försäljning. Detta innebär att konsumenten, för att undvika att bli lurad och köpa ett snarlikt kort igen eller ett med sämre prestanda än kanske antytt, kommer behöva vara ännu mer påläst än tidigare. Här blir produkttester generellt viktiga verktyg men i synnerhet stora jämförande tester där vi ser äldre generationer av kort jämföras med nya motsvarigheter – ett testupplägg vi på NordicHardware jobbat hårt med det senaste året i våra grafikkortsguider.

Det ska dock påpekas att dramatiken och effekten av de längre utvecklingscyklerna trots allt inte är på något sätt domedagslika – förändringen kommer inte ske över en natt och det är fortfarande möjligt att framsteg inom materialforskning och tillverkningsteknik kan snabba upp utvecklingen igen. Vi på Nordichardware kommer självklart att fortsätta att bevaka grafikmarknaden och sträva efter att erbjuda den bästa och mest omfattande konsumentvägledningen för er läsare.

Relaterade artiklar

• AMD Radeon HD 5870 vs. Radeon R9 290 – Bör jag uppgradera?
• KTH-forskare vill lura Moore’s lag med transistorer i germanium