О техпроцессе в компьютерном процессоре. Что такое технологический процесс процессора и на что он влияет Технологические нормы в микронах
Производители чипов любят хвастаться новыми рекордами миниатюризации техпроцессов - независимо от того, используют ли они свои мощности или контрактных производителей. Intel, Samsung, GlobalFoundries и TSMC постоянно соревнуются друг с другом. Однако заявляемые характеристики 16, 14, 10 или 7 нм уже не являются определяющими, то есть их нельзя использовать для сравнения техпроцессов. Следует оценивать и другие характеристики техпроцесса (Fin Pitch, Min Metal Pitch, Cell Height и Gate Pitch).
В прошлом году Intel акцентировала . AMD и Intel , хотя подходы двух компаний фундаментально отличаются. AMD для старших процессоров предпочитает , Intel предпочитает монолитный дизайн кристаллов.
Банг-Хао Хуан (Bang-Hao Huang) и Ших-Хсин Чан (Shih-Hsin Chang) из тайваньской компании MSSCORPS CO., LTD провели анализ чипа Samsung Exynos 8895, сравнив его с Apple A11 Bionic, производимым TSMC. Также они добавили опубликованные спецификации Intel. Результаты оказались весьма любопытными.
| Intel 14 нм | Intel 10 нм | TSMC 10 нм | Samsung 10 нм | |
| Fin Pitch | 42/45 нм | 34 нм | 35,1 нм | 46,8 нм |
| Min Metal Pitch | 52 нм | 36 нм | 44 нм | 48 нм |
| Cell Height | 399 нм | 272 нм | 330 нм | 360 нм |
| Gate Pitch | 70 нм | 54 нм | 44 нм | 48 нм |
| Fin Height | 42/46 нм | 53 нм | 42,1 нм | 48,6 нм |
| Fin Width | 8/7 нм | 7 нм | 5,4 нм | 5,9 нм |
| 6T-SRAM | 69,167/70,158 нм² | - | 40,233 нм² | 49,648 нм² |
Перед тем, как мы перейдем к анализу спецификаций, позвольте пояснить некоторые:
- Fin Pitch: расстояние между ребрами (эмиттер и коллектор) транзистора
- Min Metal Pitch: минимальное расстояние между двумя слоями металла
- Fin Height: высота ребер от подложки Si в слое оксида
- Fin Width: толщина ребер
У Intel мы получили несколько итераций 14-нм техпроцесса с небольшими улучшениями, но 10-нм техпроцесс должен знаменовать существенный прогресс. Впрочем, Intel - далеко не единственная компания с достаточной компетенцией для производства чипов по современным техпроцессам. Возможно, Intel начинает сдавать позиции: задержки с выходом процессоров, изготавливаемых по новому техпроцессу, указывают на технические проблемы. Intel причины задержек не комментирует.
В источнике проводится сравнение 10-нм техпроцессов Samsung и TSMC, по итогам вывод следующий: техпроцесс Samsung Exynos 8895 выделяется большей высотой и шириной ребер, в случае TSMC мы получаем меньшее расстояние между ребрами и меньшую толщину интерконнектов. И TSMC, и Samsung подошли к технически возможным пределам для массового производства.
Сравнение со спецификациями Intel для 10-нм техпроцесса показывает, что бывший технологический лидер пропустил вперед конкурентов. Конечно, производство мобильных SoC отличается от производства настольных процессоров, но некоторые характеристики техпроцессов вполне сравнимы, независимо от размера или сложности чипа.
TSMC и Samsung за последние годы сражались за клиента. Поэтому они прилагали значительные усилия, чтобы технически выйти вперед. К этой битве скоро присоединится Intel с массовым производством 10-нм процессоров, а также GlobalFoundries, которая будет производить процессоры AMD. Конечно, насчет выполнения закона Мура можно долго спорить. Но миллиардные инвестиции в новые технологические линии, вложения в исследования и разработки себя оправдывают.
Все современные вычислительные технологии базируются на основе полупроводниковой электронной техники. Для ее производства используются кристаллы кремния – одного из самых распространенных минералов в составе нашей планеты. С момента ухода в прошлое громоздких ламповых систем и с развитием транзисторных технологий этот материал занял важное место в производстве вычислительной техники.
Центральные и графические процессоры, чипы памяти, различные контроллеры – все это производится на основе кремниевых кристаллов. Уже полвека основной принцип не меняется, совершенствуются только технологии создания чипов. Они становятся более тонкими и миниатюрными, энергоэффективными и производительными. Главным параметром, который при этом усовершенствуется, является техпроцесс.
Практически все современные чипы состоят из кристаллов кремния, которые обрабатываются методом литографии, с целью формирования отдельных транзисторов. Транзистор – ключевой элемент любой интегральной микросхемы. В зависимости от состояния электрического поля, он может передавать значение, эквивалентное логической единице (пропускает ток) или нулю (выступает изолятором). В чипах памяти с помощью комбинаций нулей и единиц (положений транзистора) записываются данные, а в процессорах – при переключении производятся вычисления.
В 14-нм технологии (по сравнению с 22-нм) сокращено количество барьеров, увеличена их высота, уменьшено расстояние между диэлектрическими ребрами
Технологический процесс – это процедура и порядок изготовления какой-либо продукции. В электронной промышленности, в общепринятом значении, это величина, которая указывает на разрешающую способность оборудования, применяемого при производстве чипов. От нее также напрямую зависит размер функциональных элементов, получаемых после обработки кремния (то есть, транзисторов). Чем чувствительнее и точнее оборудование используется для обработки кристаллов под заготовки процессоров – тем тоньше будет техпроцесс.
Что значит числовая величина техпроцесса
В современном полупроводниковом производстве наиболее распространена фотолитография – вытравливание элементов на кристалле, покрытом диэлектрической пленкой, с помощью воздействия света. Именно разрешающая способность оптического оборудования, излучающего свет для вытравливания, и является техпроцессом в общепринятом толковании этого слова. Это число указывает, насколько тонким может быть элемент на кристалле.
На что влияет техпроцесс
Техпроцесс напрямую сказывается на количестве активных элементов полупроводниковой микросхемы. Чем тоньше техпроцесс – тем больше транзисторов поместится на определенной площади кристалла. В первую очередь это значит увеличение количества продукции из одной заготовки. Во вторую – снижение потребления энергии: чем тоньше транзистор – тем меньше он расходует энергии. Как итог, при равном количестве и структуре размещения транзисторов (а значит, и увеличения производительности) процессор будет меньше расходовать энергию.
Минусом перехода на тонкий техпроцесс является удорожание оборудования. Новые промышленные агрегаты позволяют делать процессоры лучше и дешевле, но сами набирают в цене. Как следствие, лишь крупные корпорации могут вкладывать миллиарды долларов в новое оборудование. Даже такие известные компании, как AMD, Nvidia, Mediatek, Qualcomm или Apple самостоятельно процессоров не делают, доверяя это задание гигантам вроде TSMC.
Что дает уменьшение техпроцесса
При уменьшении технологического процесса производитель получает возможность поднять быстродействие, сохранив прежние размеры чипа. К примеру, переход с 32 нм на 22 нм позволил вдвое увеличить плотность транзисторов. Как следствие, на том же кристалле, что раньше, стало возможным размещение не 4, а уже 8 ядер процессора.
Для пользователей главное преимущество заключается в снижении энергопотребления. Чипы на более тонком техпроцессе требуют меньше энергии, выделяют меньше тепла. Благодаря этому можно упростить систему питания, уменьшить кулер, меньше внимания уделить обдуву компонентов.
Техпроцесс процессоров на смартфонах
Смартфоны требовательны к аппаратным ресурсам и быстро расходуют заряд аккумулятора. Поэтому, для замедления расхода разряда, разработчики процессоров для мобильных устройств стараются внедрять в производство самые новые техпроцессы. К примеру, некогда популярные двухъядерники MediaTek MT6577 производились по техпроцессу 40 нм, а Qualcomm Snapdragon 200 ранних серий изготавливались по 45-нанометровой технологии.
В 2013-2015 годах основным техпроцессом для чипов, используемых в смартфонах, стал 28 нм. MediaTek (вплоть до Helio X10 включительно), Qualcomm Snapdragon серий S4, 400, а также модели 600, 602, 610, 615, 616 и 617 – это все 28 нм. Он же использовался и при изготовлении Snapdragon 650, 652, 800, 801, 805. «Горячий» Snapdragon 810, что интересно, был выполнен по более тонкому техпроцессу 20 нм, но это ему не сильно помогло.
Apple в своем A7 (iPhone 5S) тоже обходилась 20-нанометровой технологией. В Apple A8 для шестого Айфона применили 20 нм, а в модели A9 (для 6s и SE) уже используется новый 16 нм технологический процесс. В 2013-2014 годах Intel делали свои Atom Z3xxx по 22-нанометровой технологии. С 2015 года в производство запустили чипы с 14 нм.
Следующим шагом в развитии процессоров для смартфонов является повсеместное освоение техпроцессов 14 и 16 нм, а дальше стоит ожидать 10 нм. Первыми экземплярами на нем могут стать Qualcomm Snapdragon 825, 828 и 830.
Также вам понравятся:
Как сделать скриншот на iPhone 7
Какие бывают датчики в смартфонах
: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца, что приводит к появлению новых технологий, росту производительности и прорывам в области электроники». Излагая этот закон общественности, один из отцов Intel не мог предположить, что инженеры на протяжении целых пятидесяти лет смогут придерживаться его. Не мог он и предположить, что в 2014 году сложности с соблюдением этого закона начнутся и в самой компании Intel. Ведь для увеличения количества транзисторов в процессоре нужно уменьшать технический процесс производства. По-простому, уменьшать физический размер транзисторов и увеличивать их плотность.
На данный момент освоенным размером можно считать 22 нанометра, такой размер транзисторов в процессоре . Казалось бы, от уменьшения одни проблемы: строже нормы чистоты помещения, сложнее изготавливать шаблон для литографии, начинают влиять квантовые эффекты, сложнее контролировать качество. Но ни один успешный производитель не пойдет на такие сложности, если речь не идет о снижении себестоимости производства и конкурентной борьбе. Соответственно, можно выделить несколько причин перехода к более тонким техпроцессам.
Первая: эффекты, связанные с длиной волны света и частотой сигналов. Вся электроника (и не только она) строится на абстракциях и упрощениях. Для того, чтобы можно было безбоязненно комбинировать элементы между собой, не выполняя заново полный анализ, для элементов должен выполняться принцип суперпозиции. Чтобы выполнялся принцип суперпозиции, должно выполняться требование, согласно которому масштаб сигнала должен быть значительно больше, чем задержка распространения сигнала в схеме. То есть, при частоте в 3 ГГц, зная скорость света, получаем, что размер схемы должен быть значительно меньше 10 см. Значительно — это значит раза в 3-4.
Вторая: энергопотребление и тепловыделение. Чем меньше элемент, тем меньше он потребляет энергии и выделяет тепла. Это дает возможность использовать мощные процессоры в ультракомпактных устройствах. Правда, с уменьшением размера транзисторов увеличиваются сложности с теплоотводом, так что, видимо, плюсы и минусы компенсируются.
Третья: транзисторы, из которых современный процессор состоит чуть более, чем полностью, представляют собой не просто переключатель, управляемый напряжением. Из-за своей структуры он также представляет собой маленький конденсатор, емкость которого исчисляется фемто-фарадами, но все-таки не нулевая. Каждый конденсатор вносит небольшую задержку в распространение цифрового сигнала, которая при увеличении количества связанных компонентов суммируется. В результате на выходе вместо прямоугольного импульса мы получаем примерно вот такое:
Четвертая: сокращение затрат на производство. Это, на мой взгляд, немаловажная причина. Каждый отдельный процессор выращивается на пластине, где их очень много. Чем меньше площадь отдельного кристалла (процессора), тем больше их помещается на одной пластине и тем больше прибыль. Но это лишь следствие уменьшения техпроцесса, поэтому говорить, что производители специально пытаются уместить на одной кремниевой подложке побольше процессоров, было бы неправильно.
Как мне кажется, производители быстрее бы согласились, что закон Мура — бред, и перестали бы все уменьшать. Ведь уменьшение техпроцесса ведет к большому количеству отбракованных процессоров. Сложно поверить, что лишь небольшие, незаметные человеку колебания земной коры могут довести количество негодных процессоров до 80%! Здесь и приходит понимание такой немаленькой цены за процессоры. Сложные материалы, суперсовременное оборудование, огромный штат научных сотрудников и другие сложности не останавливают производителей в их стремлении уменьшать техпроцесс. А почему бы и нет? Ведь это наверняка рентабельно. Intel давно уже обещает построить завод на Луне, ведь там слабая гравитация, нет землетрясений и можно уменьшать техпроцесс до атома!
Корпорация Intel подтвердила задержку массового производства центральных процессоров с применением 10-нм технологического процесса до второй половины 2017 года. Производитель микросхем утверждает, что в связи с трудностями в освоении новых норм производства ей придётся растянуть жизненный цикл 14-нм техпроцесса для CPU ещё на год. Таким образом, в следующем году Intel представит процессоры Kaby Lake, а Cannonlake выйдут только в 2017-м. Руководство Intel признало, что вследствие усложнения производства микросхем знаменитый закон Мура может подвергнуться трансформации. Тем не менее, в отличие от конкурентов, Intel не планирует упрощать характеристики новой технологии производства, чтобы ускорить её выход на рынок. В корпорации уверены, что её 10-нм технологический процесс станет лучшим в индустрии.
Цикличность закона Мура увеличивается
Когда Гордон Мур (Gordon Moore) впервые сделал своё наблюдение об удвоении числа транзисторов в интегральных схемах в 1965 году, он отметил, что их количество увеличивается в два раза каждые 12 месяцев. В 1975 году он пересмотрел своё наблюдение и сделал прогноз, что число транзисторов в микросхемах будет удваиваться каждые два года. В последние несколько лет производственные технологии и интегральные схемы стали настолько сложными, что это привело к удлинению циклов перехода от одного техпроцесса на другой. Как следствие, количество транзисторов в чипах теперь удваивается каждые два с половиной года или реже. В результате корпорация Intel по факту вынуждена производить не два, а три семейства микропроцессоров, используя одну и ту же технологию.
«Последние два перехода на новые технологии показали, что длина цикла сегодня составляет около двух с половиной лет», — сказал Брайан Кржанич (Brian Krzanich), исполнительный директор Intel, в ходе ежеквартальной телеконференции компании с инвесторами и финансовыми аналитиками. « В соответствии с этим, во второй половине 2016 года мы планируем представить Kaby Lake, третье поколение наших 14-нм продуктов, которые будут базироваться на фундаменте архитектуры Skylake, но иметь ключевые улучшения в производительности . Мы ожидаем, что это нововведение в нашем перспективном плане представит новые возможности и увеличит скорость вычислений, одновременно проложив путь для плавного перехода на 10 нм».
Не все техпроцессы одинаковы
Intel намерена начать производство своих микросхем под кодовым названием Cannonlake с использованием 10-нм технологии производства лишь во второй половине 2017-го. Судя по сообщениям неофициальных источников, корпорация Samsung планирует начать массовое производство микросхем по технологии 10 нм уже в 2016 году. Таким образом, Samsung может опередить Intel в области освоения передовых техпроцессов.
Теоретически, отставание может представлять проблему для Intel, поскольку более тонкие нормы производства означают возможность снизить энергопотребление и увеличить производительность. Хотя процессоры Intel не конкурируют напрямую с процессорами Apple A и Samsung Exynos (именно их Samsung производит с использованием передовых технологий), устройства на базе Intel конкурируют с таковыми на базе указанных чипов. Как следствие, при увеличении популярности подобных устройств уменьшится популярность электроники на основе продукции Intel.
Тем не менее, стоит понимать, что 10 нм — это лишь наименование технологического процесса, указывающее на одну из его характеристик. Все производственные процессы Intel, как правило, превосходят аналогичные технологии других производителей полупроводников. Так, 14-нм и 16-нм FinFET технологии Samsung, GlobalFoundries и TSMC хоть и используют уменьшенные транзисторы, базируются на межблочных соединениях от 20-нм техпроцессов. Таким образом, размер микросхем, произведённых по технологиям 14LPE и CLN16FF, не отличается от тех, что изготовлялись с использованием менее совершенных процессов, что не даёт возможности серьёзно увеличить их транзисторный бюджет по сравнению с предшественниками.
По сравнению с технологиями изготовления микросхем других производителей полупроводников, новые техпроцессы Intel всегда и по всем характеристикам превосходят своих предшественников. Так, 14-нм техпроцесс Intel не только увеличивает частотный потенциал и уменьшает энергопотребление, но и увеличивает плотность транзисторов, что даёт возможности интегрировать в микросхемы больше функциональных блоков.
Intel: Мы останемся лидерами в индустрии полупроводников!
Исполнительный директор Intel подчеркнул, что компания не пойдёт на использование разного рода ухищрений, чтобы формально продекларировать переход на техпроцесс 10 нм. Новая технология изготовления уменьшит размеры как транзисторов, так и межблочных соединений, что максимизирует плотность элементов, уменьшив стоимость микросхем в пересчёте на транзистор.
«Мы считаем, если вы посмотрите на масштабирование [ 10- нм техпроцесса в сравнении с 14-нм], то оно будет достаточно серьёзным по сравнению с типичным при переходе от одного к процесса к другому», — сказал господин Кржанич. «Я не дам вам точные цифры сейчас. Но мы считаем, что если объединить все [инновации, связанные с 10-нм технологией] вместе, наша лидирующая позиция [в индустрии] не изменится, даже в связи с отсрочкой [начала поставок микросхем]».
Глава Intel не стал раскрывать большого количества деталей о 10-нм технологическом процессе, а также точных причин задержки начала его применения. Тем не менее, он намекнул, что новая технология производства использует «улучшенные» транзисторы с вертикально расположенным затвором (FinFET), а также иммерсионную литографию с мультипаттернингом.
«Каждый [техпроцесс] имеет свой собственный рецепт сложностей и трудностей», — объяснил господин Кржанич. «Проблемы с переходом с 14 нм на 10 нм являются примерно тем же самым, что было с переходом с 22 нм на 14 нм. [Иммерсионная] фотолитография становится всё более сложной в использовании по мере уменьшения размеров элементов микросхем. Количество проходов при использовании мультипаттернинга увеличивается».
Intel: Мы выпустим миллионы Cannonlake в первый год
Не секрет, что процесс выхода на рынок микросхем Broadwell растянулся на много месяцев, а первоначальные объёмы выпуска Core M (Broadwell) по технологии 14 нм были мизерными. В Intel обещают, что дополнительный год поможет её инженерам отшлифовать 10-нм техпроцесс для быстрого запуска новых микросхем Cannonlake в по-настоящему массовое производство.
«Во второй половине 2017 года мы начнём производство первых 10-нм процессоров, известных по кодовому названию Cannonlake », — сказал господин Кржанич. «Когда мы говорим про вторую половину 2017 года, мы говорим о миллионах единиц и больших объемах».
Intel: Цикл «тик-так» ещё может вернуться
В Intel говорят, что хотя сейчас время использования одного технологического процесса для изготовления микропроцессоров растянулось до двух с половиной - трёх лет, компания постарается вернуться к своей модели «тик-так», цикл которой составляет около двух лет. Вполне возможно, что для возвращения «тик-так» потребуется переход на использование фотолитографии в глубоком ультрафиолете (extreme ultraviolet lithography, EUV). Если технологический процесс 10 нм будет использован три года, то к 2020 г. EUV-сканеры вполне могут стать экономически целесообразными для производства микросхем по техпроцессу 7 нм.
Следует отметить, что удлинение технологических циклов также означает и удлинение микроархитектурных циклов: теперь одна фундаментальная микроархитектура будет использоваться для трёх поколений процессоров в течение трёх лет. Каким образом Intel планирует увеличивать производительность в каждом поколении и насколько значительным будет увеличение скорости процессоров каждый год, покажет только время.
Так как именно техпроцесс влияет на увеличение производительности процессора, за счет конструктивных изменений. Хочу отметить, что техпроцесс, является общим понятием, как для центральных процессоров, так и для графических процессоров , которые используются в видеокартах.
Основным элементом в процессорах являются транзисторы – миллионы и миллиарды транзисторов. Из этого и вытекает принцип работы процессора. Транзистор, может, как пропускать, так и блокировать электрический ток, что дает возможность логическим схемам работать в двух состояниях – включения и выключения, то есть во всем хорошо известной двоичной системе (0 и 1).
Техпроцесс – это, по сути, размер транзисторов. А основа производительности процессора заключается именно в транзисторах. Соответственно, чем размер транзисторов меньше, тем их больше можно разместить на кристалле процессора.
Новые процессоры Intel выполнены по техпроцессу 22 нм. Нанометр (нм) – это 10 в -9 степени метра, что является одной миллиардной частью метра. Чтобы вы лучше смогли представить насколько это миниатюрные транзисторы, приведу один интересный научный факт: « На площади среза человеческого волоса, с помощью усилий современной техники, можно разместить 2000 транзисторных затворов!»
Если брать во внимание современные процессоры , то количество транзисторов, там уже давно перевалило за 1 млрд.
Ну а техпроцесс у первых моделей начинался совсем не с нанометров, а с более объёмных величин, но в прошлое мы возвращаться не будем.
Примеры техпроцессов графических и центральных процессоров
Сейчас мы рассмотрим парочку последних техпроцессов, которые использовали известные производители графических и центральных процессоров.
1. AMD (процессоры):
Техпроцесс 32 нм. К таковым можно отнести Trinity, Bulldozer, Llano. К примеру, у процессоров Bulldozer, число транзисторов составляет 1,2 млрд., при площади кристалла 315 мм2.
Техпроцесс 45 нм. К таковым можно отнести процессоры Phenom и Athlon. Здесь примером будет Phemom, с числом транзисторов 904 млн. и площадью кристалла 346 мм2.
2. Intel:
Техпроцесс 22 нм. По 22-нм нормам построены процессоры Ivy Bridge (Intel Core ix - 3xxx). К примеру Core i7 – 3770K, имеет на борту 1,4 млрд. транзисторов, с площадью кристалла 160 мм2, видим значительный рост плотности размещения.
Техпроцесс 32 нм. К таковым можно отнести процессоры Intel Sandy Bridge (Intel Core ix – 2xxx). Здесь же, размещено 1,16 млрд. на площади 216 мм2.
Здесь четко можно увидеть, что по данному показателю, Intel явно обгоняет своего основного конкурента.
3. AMD (ATI) (видеокарты):
Техпроцесс 28 нм. Видеокарта Radeon HD 7970
4. Nvidia:
Техпроцесс 28 нм. Geforce GTX 690
Вот мы и рассмотрели понятие техпроцесса в центральных и графических процессорах. На сегодняшний день разработчиками планируется покорить техпроцесс в 14 нм, а затем и 9, с применением других материалов и методов. И это далеко не предел!
