Warum 3-nm-Chips bei Apple zum Problem werden

Warum 3-nm-Chips bei Apple zum Problem werden

Wohl erst Ende 2022 erhält Apple genug 3-nm-Chips von TSMC: Das bringt für die Macbook Pros und das iPhone 14 einige Probleme mit sich.

Eigentlich ist Apple selbst schuld, dass die Zukunftstechnologie 3-nm zum Problem geworden und Apples penibel getakteter Produktzyklus etwas ins Schwimmen gekommen ist. Laut Berichten gibt es nämlich aktuell Verzögerungen beim Wechsel vom aktuellen 5-nm- zum 3-nm-Prozess, der nicht nur die Macs, sondern auch die iPhones betrifft – wobei Letzteres wohl das größte Problem ist. Laut der Gerüchteküche steht schon fest, dass das kommende iPhone 14 mit der älteren 5NP-Technologie (5 nm) auskommen muss, die schon das iPhone 13 und iPhone 12 nutzen – was aus einer ganzen Reihe an Gründen enttäuschend ist. Erst beim iPhone 15, das 2023 erscheint , soll die neue Technologie in den gewünschten Mengen verfügbar sein.

Das ist das Problem dabei

Den meisten Kunden ist es vermutlich völlig gleichgültig, ob in ihrem iPhone oder Macbook Air ein Chip mit 3-nm, 5-nm oder 7-nm steckt. Sie vertrauen allerdings sehr wohl darauf, dass sie beim Kauf des neuesten Modells ein Gerät erhalten, das leistungsfähiger und effizienter ist als das Vorgängermodell. Das ist Apple bisher zu großen Teilen durch Fortschritte in der Chip-Technologie gelungen. Anders als von vielen erwartet, wird der A16-Chip des kommenden iPhone 14 aber nun keinen 3-nm-Chip erhalten, sondern mit TSMCs 5NP-Technologie vorliebnehmen müssen. Mehr noch: Auch die Macs sind betroffen. Bei den neuen Macbook Pro 14-Zoll und 16-Zoll wird wohl ebenfalls keine 3-nm-Technologie verwendet werden. Allein dadurch ist schon abzusehen, dass der M2 Pro und M2 Max kein technologischer Sprung sein wird, sondern eher ein kleiner Hüpfer.

Verschärft hat die Situation, dass Apple seine iPhone-Kunden an einen jährlichen Produktzyklus gewöhnt hat. Apple kann keinesfalls den Verkaufsstart der iPhones um ein halbes Jahr verzögern, bis neue Chips verfügbar sind. Und auf das wichtige Weihnachtsgeschäft zu verzichten, Apples umsatzstärkstes Quartal, ist ebenfalls keine Option.

Das bringt 3-nm

Eigentlich kann Apple nichts dafür. Im Hintergrund war es nämlich der Chip-Hersteller TSMC, der bisher zuverlässig jährlich steigende Performance und Leistungseffizienz garantierte. Dank mehrerer rasanter Wechsel zu sogenannten kleineren Strukturbreiten bzw. Strukturgrößen konnte Apple die Konkurrenz auf Distanz halten. Vereinfacht gesagt: Alle zwei Jahre wurde in den letzten Jahren von TSMC die Transistorgröße halbiert. Eine kleinere Strukturbreite sorgt dabei für viele Vorteile: so steigt etwa die Leistung bei niedrigerem Energiebedarf, was Geräte mit hoher Performance, aber geringem Akkuverbrauch ermöglicht. Neben weiteren Vorteilen wie der geringeren Verlustleistung sorgt dies sogar für sinkende Produktionskosten, da mehr Chips pro Wafer produziert werden.

Nach einem dieser alle zwei Jahre stattfindenden Wechsel gab es außerdem im nächsten Jahr einen kleinen Zwischenschritt, wie beim iPhone 13 den Wechsel vom Prozess N5 auf N5P. Diese Zwischenschritte bringen ebenfalls Verbesserungen, allerdings geringere als beim Sprung zur neuen Transistorgröße. Das ist aber nun aus technischen Gründe vorbei und diese „Sprünge“ kommen etwas langsamer.

Das bringen die Leistungsverbesserungen in der Praxis

Für Apple war diese Art der Leistungssteigerungen ein echter Vorteil: Neben den von Apple verantworteten Verbesserungen des Chips – etwa durch höhere Taktraten und mehr CPU-Kerne – sorgt nämlich bereits die neue Strukturgröße für bessere Leistung. Der Wechsel von der 7-nm- zur 5-nm-Technologie brachte einen Performancegewinn von 15 Prozent und eine Verringerung des Energiebedarfs um 30 Prozent. Auch beim Wechsel von der 5-nm zur 3-nm-Strukturbreite werden Leistungsverbesserungen in dieser Größenordnung möglich sein – abgesehen von den Verbesserungen am Chip selbst.  

Bei einem Wechsel zu TSMCs N5P-Technologie waren die Verbesserungen schon etwas geringer, hier spricht TSMC von einer Verbesserung der Geschwindigkeit um 5 Prozent, bei einer verringerten Leistungsaufnahme von 10 oder 15 Prozent. Ein Performancegewinn von 5 Prozent ist aber für einen Anwender im Alltag nicht spürbar und eigentlich kein Grund zum Wechsel zum neuen Modell. Beim iPhone 14 wird zudem dieser Gewinn entfallen, da der Sprung ja schon beim Übergang vom iPhone 12 zum iPhone 13 stattgefunden hat.

Attraktivität neuer Macbook Pro und anderer Macs

Von den Problemen sind aber nicht nur die iPhones betroffen, auch die kommenden Macs werden wohl vorerst ohne schnellere 3-nm-Technologie auskommen müssen. Die für Ende des Jahres zu erwartenden Macbook Pro erhalten vermutlich einen M2 Pro und M2 Max-Chip, der von TSMC im N5P-Prozess erstellt wurde. Die Gerüchteküche ist hier noch etwas uneins: So hatte die taiwanische Commercial Times berichtet , TSMC würde bereits Ende des Jahres mit der Produktion von 3-nm-Chip für Apple beginnen. Dagegen bestreitet der gut informierte Ming-Chi Kuo, dass diese Chips schon in den Macbook Pro zum Einsatz kommen werden. Schon im vierten Quartal 2022 soll die Produktion der Macbook Pro starten, das ist aber zu früh für die breite Nutzung der neuen Chip-Generation – wie Kuo aus den Geschäftsdaten des Chip-Herstellers ableitet . Es ist nach unserer Einschätzung wohl so, dass Apple beim M2 Pro und wohl auch M2 Max der Macbook Pros beim älteren Prozess bleiben wird. Dann sind aber nur marginale Leistungsverbesserungen zu erwarten. Wir wären allerdings nicht überrascht, wenn ein neuer 3-nm-Chip erst im kommenden Mac Pro zum Einsatz kommt.

Da beim kommenden Macbook Pro 14- und 16-Zoll kein neues Design aber ein höherer Preis zu erwarten sein wird (Inflation und starker Dollar), sind wir gespannt, wie uns Apple die neuen Modelle seinen Kunden schmackhaft machen wird.

Warum Tester vom M2 enttäuscht waren

Der M2 hat eigentlich schon einen Vorgeschmack auf das kommende Problem geliefert: Bei ersten Tests des neuen M2-Chips des aktuellen Macbook Air waren einige Tester etwas enttäuscht . Dank schneller CPU-Taktung und mehr Grafikkernen ist der M2-Chip zwar eindeutig leistungsfähiger als der M1. Einige hatten sich aber einen deutlicheren Leistungssprung erhofft. So ist durch die höhere Taktung leider auch der Energiebedarf und die Wärmeabgabe gestiegen. Was man nicht falsch verstehen sollte: Das Macbook Air M2 ist ein hervorragendes Notebook, beim M2-Chip hatten manche Tester aber einen größeren technologischen Fortschritt erwartet.

Beim M2 wechselte Apple aber nur von der 5-nmStrukturbreite auf TSMCs N5P-Prozess – ein Zwischenschritt. Diese neue Strukturbreite selbst brachte wenig Verbesserungen, die Leistungssteigerungen kamen fast ausschließlich durch Apples Aufrüstung des Chips selbst, so bekam er mehr Grafikkerne, höhere Taktung und mehr Cache-Speicher. Das Problem dabei: Zusätzliche Grafikkerne oder mehr Cache-Speicher wie beim M2 steigern für Apple die Kosten und der M2-Chip selbst musste deutlich vergrößert werden und hat einen höheren Energiebedarf.

Zahl der Transistoren als Symptom

Ein Anzeichen für diese Weiterentwicklung (bei Weitem nicht das einzige) ist etwa die Anzahl der Transistoren. Während der A10 des iPhone 7 mit 16 nm Strukturbreite noch magere 3,3 Milliarden Transistoren enthielt, waren es beim A11 dank 10-nm-Technologie schon 4,3 Mrd., beim A12 mit 7-nm-Technologie 6,9 Mrd. und beim A13 mit einer verbesserten 7-nm-Technologie (N7P) schon 8,5 Milliarden. Der A14 mit N5-Technologie bietet mittlerweile 11,8 Milliarden, der A15 der aktuellen iPhones mit verbesserter 5-nm-Technologie (N5P) 15 Milliarden. Nur dank des sinkenden Platzbedarfs durch die neuen Strukturbreiten war aber diese Erhöhung der Transistoren möglich – trotz des Anstiegs von 3,3 auf 15 Milliarden Transistoren.

Eigentlich müssten die iPhone-Chips durch immer mehr Transistoren immer größer werden, was aber durch die verringerte Strukturbreite vermieden wird.
Vergrößern Eigentlich müssten die iPhone-Chips durch immer mehr Transistoren immer größer werden, was aber durch die verringerte Strukturbreite vermieden wird.

Fazit

Die Verzögerungen durch TSMC werden für Apple in diesem Jahr ein Problem, fallen doch die beeindruckenden Leistungssteigerungen früherer Generationen aus. Zumindest beim iPhone 14 kann Apple dies aber durch ein neues Design ( angeblich ein Display ohne Notch ) und viele weitere Verbesserungen ausgleichen. Das nächste Macbook Pro 14-Zoll und 16-Zoll könnte dagegen recht wenig Gründe für einen Umstieg bieten – trotz M2 Pro und M2 Max. Noch im nächsten Jahr wird aber TSMC die neue Technologie liefern können und auch die 2-nm-Strukturbreite steht schon vor der Tür.

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