第9世代Intel Coreプロセッサのラインナップが追加(Gen 9 CoffeeLake Update)された際、編集氏から「Intel CPUが足りないという話をいろんなメーカーから聞くのですが、Intelの14nmはどうなっているんですかね?」と聞かれた。こちらもあんまり情報はないのだが、ちょっとこの辺りを色々な情報を基に考察してみたい。

そもそもなぜ14nmプロセスが逼迫しているのか

14nmプロセス(それも最先端の14nm++)が逼迫している背景は、Intel Core i9-9900Kのレビューで書いたが、CPUコアの数の増加にともなってダイサイズも大型化した。

  • Photo01:上からKaby Lakeベースの4コア、Coffee Lakeベースの6コア、Coffee Lake Refreshベースの8コア

Photo01は14nm+/14nm++を使う3世代のダイを比較したものだが、確実にコアの数だけダイサイズが大きくなっている。数字は厳密ではないが、それぞれのダイサイズは

  • Kaby Lake:126平方ミリメートル
  • Coffee Lake : 152平方ミリメートル
  • Coffee Lake Refresh : 178平方ミリメートル

と見られる。つまりCoffee Lake Refreshは、Kaby Lakeと比較して4割ほどダイサイズが大きくなっている。こうなると、当然ながら1枚のウェハから取れるチップの数が減る。

Photo02~04はそれぞれのウェハ写真だが、1枚のウェハから取れるダイの個数は509個→344個で4割強ほど減っている。ダイサイズの比よりも減っているのは、ダイが大きくなると外周部の無駄が増えるから。そのため半分とまではいわないものの生産量がかなり減ってしまう。

  • Photo02:Kaby Lake。有効ダイ数509個

  • Photo03:Coffee Lake。有効ダイ数は411個

  • Photo04:Coffee Lake Refresh。有効ダイ数は344個

取れるチップの数は減ったが、CPUの需要が減るわけでもないので、これに対応するには当然ウェハの生産量を増やすしかない。

ところがFabの生産量というのはそんなに簡単に増やせるものではない。というよりも、Fabは通常8割とか9割といった高い稼働状況に置いておかないと効率が悪すぎるので、需要が急増したからといっても引き上げられる生産量はそれほど大きくない。

加えて、Intelの場合はAMDのRyzen Threadripperへの対抗で、Coreシリーズよりもダイサイズの大きいXeon向けのSkylake-SPをCore-Xシリーズとして導入することを決めてしまったため、さらに14nm++のラインは逼迫することになった。

14nmプロセスへ追加投資。効果は徐々に出始めている

さすがにこの状況はまずいと判断したのだろう。2018年9月、IntelはSupply Updateと呼ばれる書簡を出し、オレゴンとアリゾナ、アイルランド、イスラエルにある14nmのFabに合計で10億ドルの追加設備投資を行い、製造能力を引き上げると発表した。

実際はこの発表の以前に、製造装置メーカーやサプライメーカーなどと協議をして、能力増強のプランを決めた上での発表なのは間違いない(ので、実際にはこの発表前から色々動いている)と思うが、それからほぼ半年が経過して、やっとわずかながらその効果が見られるようになってきたかな? というのが今回の第9世代Coreプロセッサの追加発表だと思われる。

ただ先の記事にも書いたが、この第9世代では型番の末尾に「F」が付いたモデル、つまりGPUなしのモデルが大量に湧いて出ることになった。第9世代のCore i9~Core i3は省電力(Tモデル)を除くと20製品ある(Photo05,06)わけだが、このうち8製品はGPUなしモデルということになっている。

  • Photo05:Core i9~Core i5。今回新規追加されたモデルも、例えばGPUありのCore i7-9700とGPUなしのCore i7-9700Fの両方がある

  • Photo06:Core i5~Core i3。ややGaming向けともいえるCore i3-9350KにGPU無しが加わるのはわからなくもないが、ローエンドのCore i3-9100にまでGPU無しのCore i3-9100Fが加わるのは明らかに異常

Intelはこれまで一貫して、GPU統合製品をリリースしてきた。例外は初期のNealem/Lynnfield世代(45nm)のようにそもそもGPUを統合できなかったものと、Xeonと共通のダイを使うCore i Extreme/Core-Xシリーズ程度で、そもそも物理的にGPUコアを統合していない製品のみだった。

この例外が崩れたのは、Cannon Lakeシリーズである。最初の(そして唯一の)製品であるCore i3-8121Uは、GPUを実装していながらも、これを無効化してGPUなしの製品として出荷された。

無効化された理由は、表明されていないが、性能が相当低かった(主な理由は配線問題に絡んで動作周波数を上げられなかった)ためと見られている。

GPUなしの「F」モデルが増えたわけ

では第9世代Coreで「F」モデルが投入された理由は何か? ここからは完全に推測であるが、おそらく現在の14nm++のYield(歩留まり)は当初よりも相当悪化していると考えられる。

Photo01に戻ると、Kaby Lake世代では、GPUコアの面積比率は4割近くになる。もしYieldが相当低ければ、Kaby LakeでもGPUなしの製品がボコボコ出てきても不思議ではない。

だがそんな話はKaby Lake世代も、続くCoffee Lake世代も全くなかったわけで、このころはYieldが結構高く、GPUコアに欠陥があるダイは破棄しても問題ないレベルだったと考えられる。

しかし、Coffee Lake Refresh、つまり一番下の第9世代Coreになると、GPU部に欠陥があるダイも「F」モデルとして救わなければいけない程、需要が逼迫しているということだ。

もしYieldが十分に高ければ、Fモデルを突如追加したところで、増やせるダイの数は限られている。ということは、Fモデルの追加がそれなりに効果的になるくらいYieldが悪化している、というのが正直なところではないかと思う。

急ピッチの増産が歩留まり悪化の原因?

なぜYieldが悪化したかといえば、これはおそらく増産のためだろうと想像される。Intel Core i9-9900Kのレビューでも書いたが、今回の14nmの追加投資は、おそらく建物の増強は含まれていない。

新規に建築を始めるとそれだけで半年やそこらは軽くかかってしまう(普通は年単位)。一般論としてどこのFabも、建屋の中に将来の拡張用のスペースを設けておくのは普通であり、今回は各Fabのそうしたスペースを利用して製造装置を増強したものと思われる。

ただ、増強を行っても何しろ「Copy Exactly」(Intelは製造に成功した環境をベースとして、半導体製造装置のリビジョンや装置の位置などほかのラインにも完全にコピーする戦略を採っている)を厳密に行うためには、さらに数カ月の期間が必要になる。

おそらく今回、このCopy Exactlyに関して厳密に実施する時間がなく、「そこそこの」調整で量産に入らざるを得なかったのではないか? と筆者は考えている。

こうなると、当然ながらスループット(生産量)そのものは上がるが、Yieldは落ちる。つまり短期的にはスループットを優先して、その分Yieldの悪化に目をつぶっているのが現状ではないか。

通常モデルと「F」モデルで価格が変わらないわけ

こう考えると、GPUなしモデルとGPUありモデルで値段が変わらない理由もわかる。Yieldに関しては、時間をかけて調整をすれば、設備増強前とそう変わらないレベルまで高めることは可能だろう(それが2019年中に出来るのか、2020年以降までかかるのかは不明だが)。

そうなった場合、「F」モデル(つまりGPUなしモデル)は、ちゃんと稼働するGPUコアを無効化して出荷するという形態になると思われる。もし「F」モデルの値段を下げて提供していると、今後Yieldが高まった時に収益性が悪い。何しろちゃんと稼働するGPUコアを無効化して出してるわけで、原価としてはGPUコア付きと変わらないことになるからだ。

そもそもIntelは今後も長期的にFモデルを供給したいわけではなく、Yieldが高まったらFモデルはさっさと中止にしたいだろう。Fモデルに人気が集まるような状況は好ましくない。そこで、あえてFモデルの値段は下げずに出しているのではないか、というのが筆者の推測である。

ただこの推測が正しいとすると、第2四半期はもとより第3四半期もまだ14nmの供給逼迫は続きそうだ。仮にIce Lakeがものすごく立ち上がりが良く、かつ当初からバンバン量産が可能になるなんてことがあれば、Core/Pentium/Celeron系の供給を10nmメインに切り替えられるから逼迫は緩和されるだろうが、そこまで楽天的に考えられるべき理由がいまのところない。Intel自身も「2019年中の改善」という姿勢は崩していない。

あとは量産をかけながら、どれだけ早くYieldを改善できるかにかかっている。まぁ2019年第3四半期も逼迫状況の大きな改善は期待できそうにない。あとは10nmプロセス製品がいつ、どのくらい順調に立ち上がるか次第という感じだろう。