Что такое нанометровый техпроцесс

Что такое нанометровый техпроцесс

Увеличение плотности размещения транзисторов было одним из основополагающих условий развития микроэлектроники на протяжении нескольких десятилетий. Оно даже легло в основу эмпирического правила, сформулированного сооснователем Intel Гордоном Муром (Gordon Moore), которое впоследствии окрестили «законом Мура». Долгое время для корпорации Intel следование этому правилу было делом чести, и производитель процессоров старался, чтобы каждые полтора–два года плотность размещения транзисторов на единице площади кристалла удваивалась. До недавнего времени удавалось добиваться этого за счёт перехода на более «тонкие» литографические нормы, но на 10-нм техпроцессе Intel неожиданно споткнулась, изначально поставив слишком амбициозные цели в техническом задании.

Компании AMD, которая уже десять лет прекрасно себя чувствует без собственных производственных мощностей, удалось вовремя скооперироваться с TSMC при освоении 7-нм технологии, поскольку и главный конкурент по этому показателю от неё отставал, и один из главных партнёров в лице GlobalFoundries в итоге подвёл, отказавшись от освоения 7-нм технологии. Так или иначе, выпуск 7-нм продуктов AMD начался ещё в прошлом году, когда появились ускорители вычислений Radeon Instinct на базе 7-нм версии Vega, а на этой неделе компания подтвердила намерения вывести на рынок в третьем квартале 7-нм настольные процессоры Ryzen 3000, 7-нм серверные процессоры EPYC и 7-нм игровые продукты в семействе видеокарт Radeon RX 5700.

Мал золотник, да дёшев?

Первая фаза дебюта 7-нм процессоров Matisse на открытии Computex 2019 позволила оценить ещё один важный параметр — приблизительную площадь кристалла с вычислительными ядрами, которые теперь расположились на отдельном 7-нм «чиплете». Каждый такой кристалл содержит по восемь вычислительных ядер с 512 Кбайт кеша второго уровня на ядро и 32 Мбайт кеша третьего уровня, который доступен всем восьми ядрам. Контроллер памяти переехал на отдельный 14-нм «чиплет», поэтому удвоение объёма кеша третьего уровня по сравнению с 12-нм процессорами с архитектурой Zen+ призвано компенсировать увеличение задержек из-за таких изменений в компоновке.

Источник изображения: AMD

Строго говоря, 7-нм «чиплеты» AMD демонстрировала несколько месяцев назад в составе серверных процессоров Rome. Именно тогда некоторым энтузиастам по фотографиям с высоким разрешением удалось определить, что площадь одного кристалла Zen 2 с восемью вычислительными ядрами не превышает 70–78 мм 2 . Столь компактные размеры кристалла должны позволить AMD добиться не только высокого уровня выхода годной продукции, но и снизить себестоимость изготовления единицы продукции.

Intel и 10-нм техпроцесс: второй блин не комом?

Фотографии процессоров Intel Ice Lake-U и Ice Lake-Y, которые выпускаются компанией самостоятельно по второму поколению 10-нм технологии, появились после их демонстрации на Computex 2019. Кроме того, в официальном комплекте фотографий, который компания распространила ещё до выступления Грегори Брайанта (Gregory Bryant), присутствовали изображения кремниевой пластины с 10-нм кристаллами Ice Lake. Это позволило некоторым специалистам по «камеральным исследованиям» приблизительно вычислить площадь кристалла Ice Lake.

Источник изображения: Legit Reviews

Следует определиться, что мобильные процессоры Ice Lake-U (на фото справа) и Ice Lake-Y (на фото слева) имеют двухкристальную компоновку — рядом с 10-нм кристаллом, который содержит четыре вычислительных ядра, кеш третьего уровня, контроллеры памяти, дисплея и Thunderbolt 3, а также встроенную графику Gen 11, расположился 14-нм кристалл с логикой ввода-вывода, который можно условно назвать «чипсетом». Вычислительные ядра содержатся в более крупном 10-нм кристалле, чья форма ближе к квадратной.

Лучше один раз увидеть, чем семь раз отмерить

Исследователи фотографий определили по изображениям кремниевых пластин, что приблизительная площадь 10-нм кристалла Ice Lake составляет 130 мм 2 . Из них на четырёхъядерный комплекс приходятся 31,34 мм 2 . По сравнению с 14-нм процессорами Coffee Lake вычислительные ядра Ice Lake меньше примерно на 34 %.

Источник изображения: Intel

У Intel на одном 10-нм кристалле, таким образом, расположились по четыре ядра и 8 Мбайт кеша третьего уровня. У AMD на одном 7-нм кристалле разместились восемь ядер и 32 Мбайт кеша третьего уровня. Если привести площади кристаллов обоих производителей к удобной для сравнения четырёхъядерной компоновке, то у AMD выйдет около 35–39 мм 2 , а Intel предложит вдвое меньший объём кеша третьего уровня при площади 31,34 мм 2 . Другими словами, даже 10-нм технология позволяет Intel сделать свои ядра более компактными, хотя чисто по площади кристаллов выигрыш оказывается на стороне AMD: 70–78 мм 2 против 130 мм 2 . Правда, следует учитывать, что у Intel на этом кристалле ещё присутствует и графическая подсистема, которая занимает около 40,6 мм 2 , но если бы у Intel было восемь вычислительных ядер на кристалле, то он всё равно оказался бы чуть крупнее «чиплета» AMD — около 89 мм 2 .

Читайте также:  Можно ли подключать холодильник через сетевой фильтр

Источник изображения: Intel

В настольном сегменте Intel ещё долго будет использовать 14-нм техпроцесс, и об этом тоже нужно помнить при попытках оценить преимущество по площади кристаллов. Настольные процессоры Intel продолжают использовать монолитный кристалл, хотя в ближайшие годы всё может измениться. В этом отношении пока преимущество на стороне AMD, но и специфики экономических отношений этой компании с TSMC мы тоже не знаем. На себестоимость 7-нм процессоров AMD сейчас может влиять и уровень выхода годной продукции, и необходимость возмещать средства, потраченные на его освоение, а каждая новая ступень литографии в этом смысле выходит дороже предшественницы. Конечно, TSMC и другие контрактные производители стараются увеличивать сроки окупаемости новых техпроцессов, но зрелый 14-нм техпроцесс Intel себя наверняка давно уже окупил.

В любом электронном устройстве, которыми мы пользуемся каждый день, есть множество чипов, каждый из которых состоит из еще большего множества транзисторов. В новостях о новых смартфонах, процессорах, видеокартах и прочей электронике можно часто встретить термин «техпроцесс» и указание количества нанометров. Что обозначает этот термин? Давайте разберемся вместе.

Для примера можно взять обычный процессор для настольного компьютера — принцип будет одинаковым и для него, и для чипсетов смартфонов, и для чипов видеокарт, и для всех остальных чипов.

Под теплораспределительной панелью, которую вы видите на картинке выше, размещен сам кристалл процессора. Он состоит из миллиардов микроскопических транзисторов, расстояние между которыми и определяет техпроцесс. Так, Intel сейчас выпускает процессоры на базе 10 нм техпроцесса (компания никак не может наладить производство 7 нм чипов), а TSMC — чипсеты для мобильных девайсов на базе 7 нм техпроцесса (Apple A12, Kirin 980 и Snapdragon 855). При этом технологии производства у них заметно отличаются: Intel со своими 10 нм может размещать на одном квадратном миллиметре площади до 100 млн транзисторов, а TSMC со своими 7 нм — лишь 66 млн.

Что же дает постепенное уменьшение (оптимизация) техпроцесса из года в год? В основе всех преимуществ — уменьшение расстояния между транзисторами, что позволяет им быстрее передавать данные и тратить на их передачу меньше энергии.

Таким образом, процессоры на одинаковой архитектуре, но произведенные с использованием разного техпроцесса, будут отличаться в следующих аспектах:

-тактовая частота (повышение производительности);
-потребление энергии;
-возможное увеличение количества ядер;
-снижение себестоимости производства;
-больше кэш-памяти, для которой на кристалле можно выделить больше места.

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).

Читайте также:  Как выбрать хорошую швейную машину

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.

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.

Вообще, в мире высоких технологий нет ничего быстрее, чем самые проворные микросхемы — процессоры. Они умеют обрабатывать миллиарды операций в секунду, а на их производство уходит настолько много невероятных технологий, что даже становится жутко. Микропроцессоры пошли в массовое производство в 90-х годах прошлого столетия. С того времени они пережили несколько ступеней развития, апогеем которого стало начало 21 века. Именно тогда производителям открылись все основные свойства кремния, и это дало возможность получать максимальную эффективность при минимальных затратах.

Сегодня темпы развития процессоров стремительно падают. Кремниевые технологии быстро приближаются к пределу своих физических возможностей. Да, их частоты всё ещё увеличиваются, но эффективность работы находится в стагнации. Про это в разрезе смартфонов и не только мы расскажем в данной статье.

Что собой в принципе представляет каждый микропроцессор

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.

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.

Какие этапы проходят процессоры во время производства

Даже если верить «Википедии», производство процессоров можно разделить на полтора десятка этапов. Мы решили вкратце расписать каждый из них именно для того, чтобы стало понятно, насколько сложный это процесс. В реальности же он ещё более замысловатый, уж поверьте.

1. Механическая обработка. На этом этапе производитель готовит пластины проводника с определённой геометрией и кристаллографической ориентацией, которая не может отличаться от эталона более чем на 5%. Отдельного внимания также заслуживает класс чистоты поверхности.

Читайте также:  Теле 2 как поменять минуты на гигабайты

2. Химическая обработка. В рамках этого этапа с поверхности удаляются все мельчайшие неровности, которые были созданы во время механической обработки. Для этого, а также для получения необходимых нюансов формы используют плазмохимические методы, а также жидкостное и газовое травление.

3. Эпитаксиальное наращивание. В данном случае проходит добавление слоя полупроводника — осаждение его атомов на подложку. Именно на этом этапе образуется кристаллическая структура, аналогичная структуре подложки, которая часто выполняет роль только лишь механического носителя.

4. Получение маскировки. Чтобы защитить слой полупроводника от последующего проникновения примесей, на этом этапе на него добавляется специальное защитное покрытие. Это происходит путём окисления эпитаксиального слоя кремния, которое становится возможным за счёт высокой температуры или кислорода.

5. Фотолитография. На этом этапе на диэлектрической плёнке создаётся необходимый рельеф. Если до данного этапа в этом пункте статьи вы мало что вообще поняли, то наша задача выполнена — вы осознали, насколько сложно создать процессор, и можете двигаться к следующему пункту.

6. Введение примесей. Здесь речь, конечно же, про электрически активные примеси, которые нужны для образования изолирующих участков, а также электрических переходов, источниками которых могут быть твёрдые, жидкие и газообразные вещества. Для этого используется метод диффузии.

7. Получение омических контактов. Кроме этого, на данном этапе также создают пассивные элементы на пластине. Для этого используется фотолитографическая обработка на поверхности оксида, который покрывает области успешно сформированных структур.

8. Добавление слоёв металла. На этом этапе будущий процессор получает несколько дополнительных слоёв металла, общее количество которых может лихо отличаться и зависит от его уровня. Между ним нужно расположить диэлектрик, в котором есть сквозные отверстия.

9. Пассивация поверхности. Чтобы правильно протестировать кристалл, нужно максимально сильно очистить его от любых возможных загрязнений. Чаще всего это происходит в деионизированной воде на установках гидромеханической или кистьевой отмывки.

10. Тестирование пластины. Для этого обычно используются зондовые головки, которые установлены на специальных установках, используемых для разбраковки пластин. Кстати, до этого самого момента они находятся в неразрезанном на отдельные части состоянии.

11. Разделение пластины. На этом этапе пластину механически разделяют на отдельные кристаллы. Сейчас это делают не только из-за удобства, но и по причине поддержания электронной гигиены. В её рамках в воздухе должно быть критически малое количество пыли, а в процессе разрезания она появится.

12. Сборка кристалла. На этом этапе готовый кристалл упаковывают в специальный корпус, который в дальнейшем герметизируют. Здесь к нему также подключают все необходимые выводы, которые нужны для его дальнейшего использования — это практически готовый чип.

13. Измерения и испытания. На данном этапе происходит проверка чипа на соответствие заданным техническим параметрам. Да, даже в настолько точном и высокотехнологическом производстве случается брак, который возрастает при увеличении сложности задачи. Отсюда и немаленькая цена.

14. Контроль и маркировка. Это пара финальных этапов в производстве чипов. В данном случае их снова проверяют, потом наносят на них специальное защитное покрытие, а также упаковывают, чтобы доставить готовое изделие конкретному заказчику.

Хронология уменьшения размера технологического процесса

Чем меньше нанометров в технологическом процессе, тем:

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.

Ссылка на основную публикацию
Что такое asus vibe
Файл asusvibe2.0.exe из ASUSTeK Computer Inc является частью AsusVibe2 0. asusvibe2.0.exe, расположенный в c:program files (x86)asusasusvibeasusvibe2.0.exe с размером файла 924336...
Что делать если виснет браузер
Автор Юрий Белоусов · 18.03.2019 Пользователи могут столкнуться с неприятной ситуацией, когда браузер Опера зависает, виснет, подвисает, тормозит, лагает, глючит....
Что делать если винда 10 не запускается
В нашей сегодняшней статье будет рассмотрен ряд случаев, связанных с отказом запуска операционной системы Windows 10 на компьютере или ноутбуке....
Что такое elm agent на андроид
Практически каждый пользователь мобильных устройств, рано или поздно, пытается разобраться в настройках, просматривать установленные приложения и сервисы. При просмотре списка...
Adblock detector