Технологический процесс 32 нм; к ним относятся Trinity, Bulldozer и Ryano. Например, процессор Bulldozer имеет 1,2 миллиарда транзисторов на поверхности чипа площадью 315 мм2.
В производстве процессоров нанореволюция. TSMC вот-вот запустит 1-нанометровый техпроцесс
Компания TSMC предприняла замечательные шаги по совершенствованию технологии производства чипов. Компания добилась значительного прогресса на пути к 1 нм, в то время как многие ее конкуренты еще не достигли 7 нм. Однако теперь компания планирует запустить линию 2 нм, которая запланирована на 2023 год.
Компания TSMC добилась значительных успехов в производстве чипов 1 нм, разработав технологию, упрощающую этот процесс. Компания TSMC работала над этой технологией совместно с экспертами из Национального университета Тайваня (NTU) и Массачусетского технологического института (MIT, США). Они опубликовали статью о своих новых результатах в британском научном журнале Nature.
Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что использование висмутовых полуметаллов в качестве контактных электродов в двумерных материалах позволяет значительно снизить сопротивление и увеличить ток. TSMC была вовлечена только в следующий этап, который стал первым открытием, требующим улучшения.
TSMC оптимизировала процесс осаждения, предложенный MIT. Позже в дело вмешался Национальный исследовательский институт Тайваня, ученые которого нашли способ уменьшить каналы в компоненте с помощью системы литографии с пучком ионов гелия.
Технология почти готова
По словам разработчиков, переход на 1-нанометровый техпроцесс в конечном итоге позволит повысить производительность чипа и увеличить скорость работы всей компьютерной системы. Авторы также утверждают, что стандарт в один нанометр обеспечит энергоэффективность, близкую к физическим пределам наноразмерных кремниевых полупроводников. Они еще не сравнивали эти данные с текущей технологией.
Когда Nature писал об этом, при всех своих преимуществах новая технология все еще нуждалась в усовершенствовании. Авторы не уточняют, сколько времени потребуется миру, чтобы запустить первый в мире конвейер по производству чипов размером в один нанометр.
В то же время нет точных данных о том, когда именно TSMC начала работать над этой технологией. Например, она начала преобладать на длине волны 2 нм летом 2019 года, добилась значительного прогресса годом позже и планирует начать производство на этих нормах в 2023 году.
Актуальное положение дел
По состоянию на 20 мая 2021 года 5 нм является самой передовой технологией производства процессоров в мире. Стало известно, что TSMC будет выпускать процессоры таких стандартов летом 2020 года. Южнокорейская компания Samsung также развила производство чипов на собственном заводе на том же уровне. Другие производители отстают. Например, Intel застряла на 10 и 14 нанометрах.
В настоящее время очень немногие компании имеют 5-нанометровые процессоры. Среди них Apple с M1, Qualcomm со Snapdragon 888 и Samsung с Exynos 1080.
Когда Nature писал об этом, при всех своих преимуществах новая технология все еще нуждалась в усовершенствовании. Авторы не уточняют, сколько времени потребуется миру, чтобы запустить первый в мире конвейер по производству чипов размером в один нанометр.
Примеры техпроцессов графических и центральных процессоров
Теперь мы рассмотрим некоторые новейшие процессоры, используемые ведущими производителями GPU и CPU.
Технологический процесс 32 нм; к ним относятся Trinity, Bulldozer и Ryano. Например, процессор Bulldozer имеет 1,2 миллиарда транзисторов на поверхности чипа площадью 315 мм2.
Технологический процесс составляет 45 нм. К ним относятся процессоры Phenom и Athlon. Примером может служить Phemom с 904 миллионами транзисторов и площадью кристалла 346 мм2.
Intel:
Технологический процесс составляет 22 нм. Процессоры Ivy Bridge (Intel Core ix-3xxx) соответствуют нормам 22 нм. Например, Core i7-3770K имеет 1,4 миллиарда транзисторов и площадь кристалла 160 мм2, что свидетельствует о значительном увеличении плотности монтажа.
Технологический процесс 32 нм. Процессор Intel Sandy Bridge (Intel Core ix-2xxx) можно рассматривать как таковой. Здесь 1,16 миллиарда размещены на площади 216 мм2.
Здесь мы видим, что Intel явно опережает своих основных конкурентов по этому показателю.
AMD (ATI) (видеокарты):
Технологический процесс составляет 28 нм. Видеокарта RadeonHD7970.
Техпроцесс 28 нм. Geforce GTX 690
Поэтому была рассмотрена концепция технологического процесса для CPU и GPU. Сегодня разработчики будут использовать другие материалы и методы для освоения 14 нм техпроцесса, затем 9 нм. И это еще не предел!
Технологический процесс 32 нм. Процессор Intel Sandy Bridge (Intel Core ix-2xxx) можно рассматривать как таковой. Здесь 1,16 миллиарда размещены на площади 216 мм2.
Будущее развитие технологий процессоров, техпроцесс 1нм и мультиполигональные гетероструктуры
По словам ученых, существуют физические ограничения на размер транзисторов, используемых в процессорах. На сегодняшний день достигнуто 10 нм на транзистор, а на заводе TSMC началась разработка 7 нм техпроцесса. Следующий шаг — 5 нм, затем 3 нм. Где-то в этой области начинает действовать квантовая неопределенность, и современными методами программирования трудно управлять чипами с таким уровнем точности. Компьютеры начинают выдавать ненадежные результаты. Последний теоретически достижимый физический предел составляет 1 нм. Кроме того, из нескольких человек невозможно построить логическую машинную единицу.
С аппетитом приходит еда, а человечество привыкло к постоянно растущей вычислительной мощности, снижению энергопотребления и уменьшению затрат. Мы буквально зависим от него. Вся современная экономика привязана к этому прогрессу, постоянно ставя перед собой цель повышения стандартов. Если технологии перестанут развиваться или немного замедлятся, весь мир окажется в серьезной опасности, потому что на них больше нельзя будет положиться. Логика проста: многие космические и военные проекты остановятся, все производственные затраты немедленно возрастут, а инвестиции в высокие технологии сократятся. У технологии нет будущего и нет возврата инвестиций.
Время еще есть. 7-нм техпроцесс будет достигнут в 2018 году (Samsung, TSMC, Intel), потребительский рынок достигнет 5-нм проектной нормы в 2020 году и 3-нм предела в 2022 году; есть планы по разработке 2-нм техпроцесса, а кто-то уже думает о 1-нм; и рынок достигнет 3-нм предела в 2022 году. Но дальше — тупик. Конечно, в 2030 году. Что же будет делать эта огромная индустрия, когда победит?
Мультиполигональные гетероструктуры
В новейшей технологии используется технология FinFET, патологически называемая трехмерной структурой, поскольку транзисторы в схеме не плоские, а расположены в объеме в несколько слоев, соединенных перпендикулярно друг другу. Переход к FinFET характеризуется значительным увеличением плотности данных и улучшением алгоритмов ветвления решений. В целом, система смогла быстро найти наиболее близкий ответ, не прибегая к постепенному изменению цен.
Судя по успешной практике, дальнейшее увеличение числа связей между элементами не за горами, и рано или поздно структура действительно станет трехмерной, причем каждый элемент будет представлять собой многоугольный объект, граничащий не с двумя (плоское расположение транзисторов) ), не с 4/6, а с остальными 12 элементами Это не так. Предположительно, в связи с этим меняется и структура элементов, так что сигналы передаются не в одном направлении, а во многих направлениях одновременно.
Более тонкие процессоры не нужны, особенно если реализация нарушает законы физики, но нужны более умные процессоры, которые могут лучше адаптироваться к фактической вычислительной нагрузке уже на структурном уровне.
Поэтому процессоры также должны быть перепроектированы. Я постараюсь объяснить, что это значит.
- сейчас обычный мобильный процессор включает в себя пять основных элементов — CPU, GPU, RAM, ISP, DSP.
- CPU отвечает за вычисления с плавающей запятой
- GPU занимается графикой
- RAM хранит в краткосрочной памяти данные
- ISP обрабатывает фотки на лету
- DSP контролирует многочисленные датчики и сенсоры
Модем и внутренняя память пока разделены на плате, но в ближайшем будущем они могут быть перенесены в процессор, чтобы сделать вывод быстрее и дешевле. Эту структуру можно условно охарактеризовать как псевдоравномерную, поскольку наличие отдельных элементов создает лишь впечатление неоднородности. На самом деле, все они разделены, каждый отвечает за свою часть проекта. Мы говорим о полной гетерогенности, когда все перемешивается в процессоре. Поскольку все элементы сопроцессора интегрированы в вычислительное ядро, их невозможно разделить на плате. Кроме того, добавлены некоторые специальные узлы. Это тоже вписывается в рамки чипа, а для управления всеми процессами необходима своеобразная сетка, которая соединяет все элементы на верхнем уровне. Похоже ли это на что-то структурное?
Процессоры и структура головного мозга
Да, инновация микропроцессора, которую я описал, напоминает структуру человеческого мозга. Внутри его полушарий находятся части с различной специализацией. Часть мозга участвует в когнитивных функциях, часть — в математических расчетах, часть интерпретирует болевые сигналы, например, голод, часть хранит воспоминания, и все это контролируется лучшими нейронными сетями в коре головного мозга. У нас в руках идеальный прототип. Это натуральный микропроцессор беспрецедентной мощности с идеально проработанной структурой. Все, что вам нужно сделать, это внимательно изучить детали его работы и постараться скопировать как можно больше деталей. Следуя правилам архитектуры нашего мозга, вы можете создать самый человекоподобный механический интеллект, который воспринимает и интерпретирует информацию так же, как и человеческий мозг. Только быстрее и эффективнее, без потерь и недостатков восприятия. Компьютеры должны стать не просто людьми, а сверхлюдьми! И уже слишком поздно просить их из страха остановить предполагаемое колесо прогресса. Эту растущую тенденцию невозможно остановить, и мы должны привыкнуть жить в мире мыслящих машин, чтобы он вдруг не стал бесполезным. Это займет около 10 лет.
Проблема индустриальной традиции (закон Мура) заключается в том, что мощность процессоров периодически приходится удваивать. Однако все труднее поддерживать такую скорость при использовании современных процессоров меньшего размера. На практике каждое последующее поколение чипов увеличивает производительность примерно на 20-30%.
Как изготавливаются процессоры?
Прежде всего, необходимо знать ответ на этот вопрос. Все электронные устройства, включая процессоры, создаются с использованием одного из самых распространенных минералов — кристалла кремния. И они используются для этой цели уже более 50 лет.
Кристаллы подвергаются литографической обработке для производства отдельных транзисторов. Последние являются основными структурными элементами микросхемы, поскольку она полностью состоит из них.
Функция транзистора заключается в блокировании или шунтировании тока, в зависимости от текущего состояния электрического поля. Поэтому логическая схема работает в двоичной системе, т.е. в двух положениях — включено и выключено. Это означает, что они либо пропускают электричество (логические), либо действуют как изоляторы (нулевые). Когда транзистор активен, центральный процессор выполняет вычисления.
Теперь о главном
В целом, процесс относится к размеру транзистора.
Что это означает, давайте снова вернемся к построению процессора.
Наиболее распространенным методом является фотолитография. Кристаллы покрываются диэлектрической пленкой, а транзисторы гравируются с помощью света. Для этого используются оптические приборы, а их анализ является, по сути, техническим процессом. Его цена — точность и чувствительность прибора — зависит от тонкости подключения транзисторов к кристаллу.
Что это дает?
Как известно, чем они меньше, тем больше их можно разместить на чипе. Это влияет на:.
- Тепловыделение и энергопотребление. Из-за уменьшения размера элемента он нуждается в меньшем количестве энергии, следовательно, и меньше выделяет тепла. Данное преимущество позволяет устанавливать мощные CPU в небольшие мобильные устройства. Кстати, благодаря низкому энергопотреблению современных чипов, планшеты и смартфоны дольше держат заряд. Что касается ПК, пониженное тепловыделение дает возможность упростить систему охлаждения.
- Численность заготовок. С одной стороны, производителям выгодно уменьшать техпроцесс, потому что из одной заготовки получается большее количество продукции. Правда, это лишь следствие утончения техпроцесса, а не преследование выгоды, потому что с другой стороны, чтобы снизить размер транзисторов, необходимо более дорогое оборудование.
- Производительность чипа. Чем больше он будет иметь элементов, тем быстрее будет работать, при том, что его физический размер останется прежним.
Техпроцесс в числах и примерах
Этот процесс измеряется в нанометрах (нм). Это десятая часть -9-й силы измерения. Другими словами, нанометр — это одна миллиардная часть метра. В среднем современные процессоры производятся по техпроцессу 22 нм.
Поэтому можно представить себе количество транзисторов, которые могут поместиться в процессор. Чтобы представить это в контексте, кусочек человеческого волоса может содержать 2 000 элементов. Микросхема мала, но явно больше волоса, и поэтому может содержать миллиарды транзисторов.
Хотите узнать больше? Вот несколько примеров.
- В процессорах фирмы AMD, а именно Trinity, Llano, Bulldozer, техпроцесс составляет 32 нм. В частности, площадь кристалла последнего — 315 мм2, где располагаются 1,2 млрд. транзисторов. Phenom и Athlon того же производителя выполнены по техпроцессу 45 нм, то есть имеют 904 млн. при площади основания 346 мм2.
- У компании Intel есть чипы по стандарту 22 нм — это семейство Ivy Bridge (Intel Core ix — 3xxx). Для наглядности: Core i7 – 3770K обладает 1,4 млрд. элементов, при том, что размер его кристалла всего 160 мм. У этого же бренда есть и 32-нанометровая продукция. Речь идет об Intel Sandy Bridge (2xxx). На площади 216 мм2 она умещает 1,16 млрд. транзисторов.
Кстати, все, что вы узнали о процессорах CPU, применимо и к графике. Например, графические карты AMD (ATI) и Nvidia изготавливаются по нормам 28 нм.
Теперь вы знаете больше о процессорах и, в частности, о процессорной технологии. См. еще раз для получения дополнительной информации.
Исходя из вышесказанного, надеюсь, ответ на ваш вопрос уже понятен: 14 нм или 28 нм — что лучше. Если я не совсем ясно изложил свои мысли, то 14 нм лучше, но компоненты на основе этого техпроцесса дороже.
Что на самом деле означает «нм»
Процессоры изготавливаются с помощью фотолитографии, когда изображение процессора вытравливается в кремнии. Точный способ, которым это делается, обычно называется технологическим узлом и измеряется тем, насколько маленькие транзисторы может изготовить производитель.
Меньшие транзисторы более энергоэффективны и поэтому могут выполнять больше вычислений без перегрева — фактора, который обычно ограничивает производительность процессора. Более мелкие кристаллы также снижают стоимость и повышают плотность, позволяя использовать больше ядер одинакового размера, т.е. больше ядер на чип. Плотность 7 нм фактически вдвое выше, чем у предыдущего 14 нм узла, что позволяет таким компаниям, как AMD, производить 64-ядерные серверные чипы, что является значительным улучшением по сравнению с предыдущими 32-ядерными (и 28-ядерными Intel).
Заметим, однако, что Intel все еще использует 14-нм технологический узел, а AMD вскоре выпустит 7-нм процессоры, но это не означает, что AMD будет в два раза быстрее. Производительность не соответствует размеру транзистора, и при таких малых размерах эти цифры уже не точны. Лучше всего рассматривать их как маркетинговые термины, используемые для сегментации продукции, а не как точные измерения мощности или размера, поскольку каждая полупроводниковая компания может измерять их по-разному. Например, ожидается, что будущие 10-нм узлы Intel будут конкурировать с 7-нм узлами TSMC, но не в равных количествах.
Мобильные чипы увидят самые большие улучшения
Однако уменьшение количества узлов является не только проблемой производительности, но и оказывает значительное влияние на мобильные и маломощные чипы для ноутбуков. При 7 нм (по сравнению с 14 нм) можно получить на 25% более высокую производительность при той же мощности. В качестве альтернативы можно получить ту же производительность при вдвое меньшей мощности. Это означает, что чип может фактически обеспечить вдвое большую производительность при ограниченной мощности, что позволяет увеличить время автономной работы при той же производительности и использовать гораздо более мощный чип в небольших устройствах. Чип A12X от Apple, который охлаждается пассивно и устанавливается только в смартфоны, является лишь первым 7-нм чипом на рынке, но мы уже видели, как он разбил некоторые старые чипы Intel в тестах.
Более быстрые и энергоэффективные чипы влияют практически на все аспекты технологического мира, поэтому уменьшение размеров узлов — всегда хорошая новость. Это захватывающее время для технологий с этими новейшими узлами, и приятно видеть, что закон Мура еще не закончился.
