7 нм против 12: о чем говорит технологический процесс процессора

В статье будет подробно описана работа центрального и графического процессора, их строение и принцип работы. Также будет дано описание некоторых терминов, касающихся строения процессоров, приведена история их развития.

Откуда взялся коэффициент 0.7?

Техпроцесс ЦПУ – что это и как он влияет на производительность?

По своей форме, транзисторы практически квадратные, и, если вы умножите 0.7 на 0.7, то получите 0.49, что примерно равно половине. К примеру, когда индустрия перешла от процесса 1000 нанометров к техпроцессу 700 нанометров, то это достижение позволило примерно вдвое увеличить количество транзисторов, которое можно было уместить на заданной площадь, даже несмотря на то, что число в названии процесса уменьшилось только на коэффициент 0.7. Проблема в том, что в 1997 году, производители смогли начать уменьшение длинны затвора в более чем 0.7 раза, в то время как другие части транзисторов уменьшались уже не так быстро.

Поэтому длина затвора перестала быть хорошим показателем для определения общей плотности транзисторов внутри чипа, а, следовательно, и производительности. Вместо прямого изменения схемы наименования, мы начали видеть, что техпроцесс стал определяться размером группы транзисторов – размером ячейки. Это было сделано для того, чтобы дать людям возможность оценить эквивалентный уровень учета вычислительной мощности для частей, размер которых снижался не так значительно.

Первым техпроцессом, который мы увидели с такой схемой наименования, стал процесс 250 нанометров. Производительность была примерно вдвое выше, по сравнению с прошлым поколением, как вы могли и ожидать исходя из названия, но длина затвора на самом деле была примерно 190 нанометров, что значительно меньше. Просто были и другие причины, мешающие упаковывать транзисторы более плотно. Такая ситуация, с площадью ячеек продолжалась примерно до 2012 года, и техпроцесса 22 нанометра, когда был представлено новое направление в проектировании – FinFET.

Техпроцесс ЦПУ – что это и как он влияет на производительность?

Производители чипов обнаружили, что при таких размерах, затворы были настолько малы, что электроны могли просто протекать сквозь них из-за туннельного эффекта. Это может вызывать нежелательное поведение. Поэтому инженерам был необходим способ сделать свои чипы более производительными, без дальнейшего уменьшения размера затворов. Решение состояло в том, чтобы взять канал, через который проходят электроны, и поднять его, как плавник акулы (от англ. Fin, поэтому и название FinFET), увеличивая площадь поверхности канала и позволяя проходить большему количеству электронов.

Это также означало, что транзисторы теперь стали трехмерными, а не плоскими, что еще больше затруднило измерение их точного размера. В настоящее время, в индустрии продолжают использовать коэффициент 0.7 для описания улучшения в поколениях, например, при переходе от 14 к 10 и к 7 нанометрам. Однако, правда заключается в том, что эти цифры, на самом деле больше не отражают реальный размер транзистора и они даже могут сильно варьироваться между собой у разных производителей.

Intel, к примеру, пытается измерить техпроцесс, взяв среднее значение двух, наиболее распространенных, стандартных размеров ячеек. Хотя, на самом деле, наиболее важным фактором является плотность транзисторов. Это показатель того, насколько много транзисторов может быть упаковано в заданной площади, без уменьшения размерах фактических функций транзистора.

В дополнении к плотности, производители чипов также используют другие техники, такие как улучшенные материалы для повышения производительности. Это может включать в себя все: от сжатия кристаллической структуры канала для ускорения прохождения электронов к путям с меньшим сопротивлением между транзисторами до применения материалов затвора с высокой диэлектрической проницаемостью для лучшего контроля потока электронов.

Инновации Intel в области улучшения техпроцессов

Инновации Intel в области улучшения техпроцессов

И конечно, этот процесс может потребовать некоторых проб и ошибок. Известные трудности Intel с их техпроцессом 10 нанометров, были в значительной степени вызваны желанием побороть ограничения. Другими словами, уместить большее чем в 2 раза количество транзисторов на той же площади, что потребовало от них испытания множества новых технологий внутри чипа одновременно, и в конечном итоге привело к задержкам и производственным проблемам. Однако, поскольку технологии продолжают совершенствоваться, производители чипов, похоже, готовы следовать закону Мура, даже если он стал немного медленнее или вообще как-то работает. Вместе с тем, компании продолжают использовать кремний в качестве основного материала для процессоров в течение длительного времени, и должно пройти какое-то время, прежде чем мы действительно начнем рассматривать более экзотические решения, такие как углеродные нанотрубки.

Не забудьте подписаться и поставить лайк. Впередибудетещемногокрутыхстатей.

VK | Facebook | Telegram

Что собой в принципе представляет каждый микропроцессор

Каждый микропроцессор представляет собой специальную интегральную схему, которая расположена на микроскопическом кристалле кремния. Этот материал используется только из-за того, что обладает свойствами полупроводников: он проводит электроэнергию быстрее диэлектриков и медленнее металлов. Его можно сделать и изолятором, который останавливает движение зарядов, и проводником, который зажигает для них зелёный свет. Этим параметром получится управлять с помощью специальных примесей.

7 нм против 12: о чем говорит технологический процесс процессора

Внутри микропроцессора нашлось место для миллионов транзисторов, которые объединены невероятно тонкими проводниками. Для их производства используют алюминий, медь и другие материалы — они предназначены для того, чтобы переваривать информацию. Из них складываются внутренние шины, которые дают процессору возможность работать с математическими и логическими операциями, а также управлять остальными микросхемами устройства в общем и целом.

Одним из самых важных параметров качества микропроцессора всегда была частота работы его кристалла. Именно она определяет число действий, которые могут выполняться за отведённое время — это зависит от того, насколько быстро транзисторы могут переходить из закрытого состояния в открытое. На это далеко не в последнюю очередь влияет технология производства кремниевых пластин — основного компонента процессоров. Чем они меньше, тем разогнать их частоту обычно можно до больших значений.

7 нм против 12: о чем говорит технологический процесс процессора

Технологический процесс, который используется при производстве микропроцессоров, влияет на их размер. Если обрезать количество нанометров, о котором сегодня все говорят, можно уменьшить габариты самого чипа. Это сделает его не только более быстрым — он будет выделять меньше тепла и расходовать меньше энергии. Данные показатели всегда были очень важны в полноценных компьютерах, но теперь выходят чуть ли не на первое место и в современных смартфонах.

Краткая история развития техпроцесса

Компьютерные чипы, которые производили в семидесятых годах прошлого столетия, использовали техпроцессы, измеряемые в микронах (мкм) — 10, 8, 6, 4, 3 и 2 мкм. Каждые три года происходило уменьшение примерно в 0.7 раз. Так, 3 мкм техпроцесс начали использовать в 1975 (Zilog) и 1979 (Intel) годах.

Дальнейшее уменьшение шло довольно быстро: в 1982 году Intel достигла отметки в 1.5 мкм, в 1989 — 0.8 мкм, в 1994 — 0.6 мкм. После середины девяностых и до 2008 года каждые два года плотность транзисторов удваивалась. В 1997 Intel, IBM и TSMC достигли 350 нм, в 1998 инженеры Intel смогли освоить 250 нм, а в 1999 — уже 180 нм.

Ниже 100 нм порог снизился уже в начале «нулевых» — так, Intel Pentium 4 на архитектуре Prescott использовал техпроцесс 90 нм. Уже к 2004 году была достигнута отметка в 65 нм (Intel Core, Core 2 Duo, Celeron D и множество других процессоров), а в 2006 — 40 / 45 нм (AMD Phenom II, Athlon II и другие).

Следующая ступень эволюции была довольно высокой — техпроцесс 32 / 28 нм Intel начала использовать лишь к 2011 (TSMC — чуть раньше, в 2010). Еще раз вдвое (22 / 20 нм) плотность увеличили уже к 2012.

В 2014 году основные игроки на рынке начали использовать в производстве микрочипов 14 / 16 нм техпроцесс и технологию FinFET (транзисторы нового типа — с вертикально расположенным затвором, который занимает еще меньше места). Первые 14 нм процессоры Intel появились в продаже уже в 2015. В 2016 на рынке появились iPhone с чипами Apple A10 (16 нм).

Переход на 10 нм начался в 2017 — этот техпроцесс используют в процессорах Apple A11 Bionic, процессорах Intel Cannon Lake и Ice Lake, а также в Qualcomm Snapdragon 835 и Snapdragon 845.

Наконец, в 2018 году мобильные чипсеты начали использовать новейший 7 нм техпроцесс. Это Apple A12 Bionic, Snapdragon 855 и Huawei HiSilicon Kirin 980. Кроме того, в 2019 7 нм техпроцесс начала использовать AMD (в видеокартах Radeon VII).

Первые образцы чипов, производимых с использованием 5 нм техпроцесса, уже изготавливаются в лабораториях TSMC. О коммерческих продуктах на их основе пока никакой информации нет. При этом к 2021 Samsung уже планирует выпускать чипы с использованием 3 нм техпроцесса и технологии GAAFET.

Что такое техпроцесс?

AMD Radeon VII — первая потребительская видеокарта, которая использует 7 нм чип

Чего ждать в ближайшие годы? Энтузиасты (а уж инвесторы — в особенности) надеются на то, что Intel наконец-то сможет преодолеть такой сложный для себя порог в 10 нм. Это позволит ей наконец-то начать выпускать и значительно более экономичные и быстрые процессоры для ПК и ноутбуков, и чипсеты нового поколения для мобильных устройств. Сейчас она не может конкурировать на этом рынке с лидерами вроде Apple, Huawei и Qualcomm.

Также 7 нм техпроцесс будут использовать в видеокартах AMD и Nvidia следующих поколений. RTX 21xx должны благодаря этому стать куда быстрее и экономичнее, а AMD в следующем поколении еще и начнет использовать совершенно новую архитектуру Navi. Кстати, свои собственные видеокарты собирается производить и Intel — правда, их выхода ждать придется, скорее всего, как минимум до 2021 года.

В общем и целом, дальнейшая оптимизация техпроцесса должна сделать наши компьютеры, смартфоны, умные часы и другие устройства еще быстрее, а их время автономной работы от батареи должно будет увеличиться (при прочих равных параметрах). Кроме того, конкуренция между разными производителями (Intel, AMD, Huawei, Apple, Qualcomm и другими) и архитектурами (x86 против ARM) должна привести к постепенному снижению цен.

Стоит ли ждать следующего скачка технологий перед покупкой нового смартфона, компьютера или комплектующих? На этот вопрос мы ответим однозначным «нет», которое перестанет быть актуальным разве что перед самым анонсом девайсов нового поколения. Зацикливаться на техпроцессе как технической характеристике не стоит — куда важнее оценить нужную вам производительность и выбрать самый выгодный вариант прямо сейчас.

Так почему же эти новые процессы так важны?

Закон Мура, старое наблюдение о том, что количество транзисторов на чипе удваивается каждый год, а затраты вдвое сокращаются, удерживался в течение длительного времени. Еще в конце 90-х и начале 2000-х годов транзисторы сокращались вдвое каждые два года, что приводило к их значительному улучшению. Но дальнейшее уменьшение стало более сложным, и, например, мы не наблюдали уменьшения транзистора от Intel с 2014 года. Так что эти новые технологические процессы являются первыми крупными сокращениями за долгое время, особенно со стороны Intel, и представляют собой краткое возрождение закона Мура.

С появлением новых процессоров AMD на 7-нм процессорах TSMC и чипов A12X Apple, у них появляется шанс обойти Intel по производительности и создать здоровую конкуренцию монополии этой компании на рынке. По крайней мере до тех пор, пока 10-нм чипы Intel «Sunny Cove» не начнут поступать в продажу.

На что влияет размер?

На что влияет размер

Как известно, чем тоньше техпроцесс процессора, тем большее количество транзисторов будет расположено на чипе.

Если размер будет небольшим, то его энергопотребление и количество выделяемого тепла будут в разы меньше. Именно по этой причине небольшой техпроцесс процессора позволяет размещать чип на портативных устройствах, а за счет этого мобильное устройство сможет дольше держать заряд.

Размер имеет значение еще и в экономических целях, так как при небольших затратах материала увеличивается численность изготавливаемых чипов. Однако это палка о двух концах, потому что для более тонкого техпроцесса процессора необходимо топовое дорогое оборудование.

Малые детали строения позволяют разместить на чипе большее количество элементов, за счет чего растет производительность процессора. При всем при этом параметры размера самого чипа остаются неизменными.

Если у процессора есть техническая возможность для того, чтобы разогнаться, то чем меньше предел техпроцесса процессора, тем выше будут частоты.

Что такое техпроцесс?

Вообще техпроцесс производства полупроводниковых схем подразумевает последовательность различных технологических и контрольных операций. Но почему тогда в графе техпроцесс пишется цифра с обозначением в нанометрах? Просто у фотолитографического оборудования, при помощи которого получают транзисторы, есть разрешающая способность. Чтобы лучше понять это советуем вам посмотреть это видео:

Со временем происходит эволюционное совершенствование этого процесса, что позволяет до сих пор соблюдать Закон Мура.

Интересный факт: Intel Pentium имел техпроцесс в 800 нм, что по современным меркам кажется безумно большой цифрой! И всего лишь 3,1 млн. транзисторов. (У Intel Core i7-5960X 14 нм и 2.6 млрд. транзисторов)

Какие существуют техпроцессы: вчера и сегодня

Первые микросхемы до 1990-х выпускались по технологическому процессу 3,5 микрометра. Эти показатели означали непосредственно линейное разрешение литографического оборудования. Если вам трудно представить, насколько небольшая величина в 3 микрометра, то давайте узнаем, сколько транзисторов может поместиться в ширине человечного волоса.

Уже тогда транзисторы были настолько маленькими, что пару десятков с легкостью помещались в толщине человеческого волоса. Сейчас техпроцесс принято соотносить с длиной затвора транзисторов, которые используются в микросхеме. Нынешние транзисторы вышли на размеры в несколько нанометров.  

Для Intel актуальный техпроцесс — 14 нм. Насколько это мало? Посмотрите в сравнении
с вирусом:

Однако по факту текущие числа — это частично коммерческие наименования. Это означает, что в продуктах по техпроцессу 5 нм на самом деле размер транзисторов не ровно столько, а лишь приближенно. Например, в недавнем исследовании эксперты сравнили транзисторы от Intel по усовершенствованному техпроцессу 14 нм и транзисторы от компании TSMC на 7 нм. Оказалось, что фактические размеры на самом деле отличаются не на много, поэтому величины на самом деле относительные.

Рекордсменом сегодня является компания Samsung, которая уже освоила техпроцесс 5 нм. По нему производятся чипы Apple A14 для мобильной техники. Одна из последних новинок Apple M1 — первый ARM процессор, который будет установлен в ноутбуках от Apple.

Продукцию по техпроцессу в 3 нм Samsung планирует выпускать уже к 2021 году. Если разработчикам действительно удастся приблизиться к таким размерам, то один транзистор можно будет сравнить уже с некоторыми молекулами.

Текущий период разработки

Плавно подбираемся к современным разработкам и начнем со все еще актуального процесса 32 нм – эпоха Intel Sandy Bridge и AMD Bulldozer.

Синему лагерю удалось создать кристалл с частотой до 3,5 ГГц, на который можно поместить до 4 ядер и графический чип частотой до 1,35 ГГц. Также в чип встроили северный мост, PCI‑E контроллер версии 2.0, поддержку памяти DDR3. Все ядра получили по 256 КБ кэша L2 и до 8 МБ L3. И все это размещалось на подложке 216 мм2

Красные же умудрились разместить на подложке до 16 процессорных ядер частотой до 4 ГГц с поддержкой передовых на 2011 год инструкций x86, ввести поддержку Hyper Transport и оснастить чипы поддержкой DDR3.

Переход на 22 нм осуществил только Intel, добавив своим продуктам Ivy Bridge и Haswell вроде Core i5, i7 и Xeon более высокую производительность при сниженном энергопотреблении. Архитектура не претерпела значительных изменений.

Литография 14 нм подарила миру в 2017 году новый виток противостояния между AMD Ryzen и Intel Coffee Lake. В первом случае имеем совершенно новую архитектуру и признание во всем мире после многолетнего застоя. Во втором же – увеличение ядер на подложке в десктопном сегменте.

Дополнительно можно отметить снижение энергопотребления, добавление новых инструкций, снижение размера кремниевой пластины и повышение мощности в станах двух лагерей.Теперь ждем выход чипов, построенных по нормам 10 нм, который на данный момент доступен лишь в мобильном сегменте (Quallcomm Snapdragon 835/845, Apple A11 Bionic).

Насколько маленьким может быть техпроцесс

Уменьшение размеров транзисторов позволяет делать более энергоэффективные и мощные процессоры, но какой предел? На самом деле ответа никто не знает.

Проблема кроется в самой конструкции транзистора. Уменьшение прослойки между эмиттером и коллектором приводит к тому, что электроны начинают самостоятельно просачиваться, а это делает транзистор неуправляемым. Ток утечки становится слишком большим, что также повышает потребление энергии.

Не стоит забывать, что каждый транзистор выделяет тепло. Уже сейчас процессоры Intel Core i9-10ХХХ нагреваются до 95 градусов Цельсия, и это вполне нормальный показатель. Однако при увеличении плотности транзисторов температуры дойдут до таких пределов, когда даже водяное охлаждение окажется полностью бесполезным.

Самые смелые предсказания — это техпроцесс в 1,4 нм к 2029 году. Разработка еще меньших транзисторов, по словам ученых, будет нерентабельной, поэтому инженерам придется искать другие способы решения проблемы. Среди возможных альтернатив — использование передовых материалов вместо кремния, например, графена.

См. также

  • List of semiconductor scale examples[en]
  • Полупроводниковая пластина
  • Подложка
  • Список микроэлектронных производств
  • Микротехнология
  • Нанотехнология
  • Международный план по развитию полупроводниковой технологии (ITRS) — набор плановых документов мировых лидеров полупроводниковой промышленности, для международного планирования производства, исследований и соответствия технологий и техпроцессов в рамках индустрии.
  • Тик-так (стратегия)

Финансовое положение Intel

Обо всех нюансах с техпроцессами Роберт Свон рассказал на конференции, посвященной финансовому отчету Intel за III квартал 2020 г. Этот период для Intel завершился с 4-процентным падением выручки год к году – до $18,3 млрд. Норма прибыли сократилась на 5,7 процентных пунктов – до 53,1 %.

Операционная прибыль компании тоже сократилась, притом сразу на 22 %, упав до $5,1 млрд, тогда как чистая прибыль показала еще более стремительное падение в сравнении с III кварталом 2019 г. Она снизилась на 29%, оказавшись на уровне $4,3 млрд. чистая — на 29 % до $4,3 млрд.

Квартальные результаты Intel удручают

Серверный сегмент бизнеса Intel показал 7-процентное падение выручки, как и ЦОД-направление, а сегмент интернета вещей – и вовсе 33-процентное. Обвал прибыли в сегменте твердотельной памяти за год составил 11 %, а продажа программируемых матриц принесла на 19 % меньше выручки. После публикации финансового отчета акции Intel упали на 10%.

Рост выручки по итогам III квартала 2020 г. продемонстрировали лишь два направления бизнеса Intel – сегмент клиентских продуктов (+1 %) и подразделение Mobileye (+2 %).

Чем меньше нанометров в технологическом процессе, тем:

Выше скорость работы. В сегменте мобильных процессоров самым быстрым сегодня считается Apple A13 Bionic, который выполнен по 7-нанометровому технологическому процессу — это максимально крутое значение, которое доступно на сегодняшний день в коммерческом секторе. За уменьшением техпроцесса зачастую следует именно увеличение производительности. Она сегодня жизненно нужна для использования нейронных сетей, для дополненной реальности, работы с графикой в любом месте и в удобное время. Да что там говорить, с выходом Apple Arcade мы ждём бум мобильных игр, и для них процессор также важен.

7 нм против 12: о чем говорит технологический процесс процессора

Ниже выделение тепла. Сегодня мы акцентируем внимание именно на мобильных устройствах. Есть мнение, что в смартфонах разговоры о температуре процессоров не так актуальны, но это большая ошибка. При большой нагрузке процессоры нагреваются. Если температура становится критичной, они снижают скорость своей работы — это называется троттлингом. Чтобы избежать этого, нужно делать корпус толще, думать про дополнительный отвод тепла и так далее. При использовании более совершенного технологического процесса число подобных заморочек заметно снижается.

Меньше потребление энергии. В конце концов, уменьшение технологического процесса очень важно для увеличения времени автономной работы. Именно поэтому при оценке ёмкости аккумулятора недорого смартфона на Android не нужно сравнивать её с соответствующим показателем в iPhone и других флагманах. Даже с куда большим объёмом аккумулятора устройство может работать не так долго, как того хотелось бы. Тот же Xiaomi Redmi 8 Pro с процессором, который выполнен по устаревшему технологическому процессу (12 нм), не радует автономностью даже с достаточно большой батарейкой.

В заключение повторюсь — при выборе нового смартфона нужно не в последнюю очередь смотреть на технологический процесс чипсета. Прогресс преодолел планку в 12 нм ещё в 2016 году, поэтому в 2019-м эта цифра выглядит даже как-то смешно.

Ссылки

  • Тасит Мурки. Закон Мура против нанометров. Всё, что вы хотели знать о микроэлектронике, но почему-то не узнали… // ixbt.com, 2 ноября 2011
  • Список техпроцессов (англ.). IC Knowledge Llc (ноябрь 2015). Проверено 23 ноября 2015.
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...