In de wereld van computerchips zijn grotere aantallen over het algemeen beter. Meer cores, hogere GHz, grotere FLOP's door ingenieurs en gebruikers. Maar er is één maatregel die momenteel actueel nieuws is, en hoe kleiner hoe beter. Maar wat is het precies en waarom is het zo belangrijk? Waarom wordt het gemeten in nanometers en waarom gaan we door Sesamstraat en brengen we u dit artikel met de nummers 10, 7 en 5? Laten we een reis maken naar de wereld van rekenknooppunten ...

Voordat u iets gaat verkennen, is het de moeite waard om wat tijd te besteden aan het bekijken van onze laatste blik op de CPU-architectuur. In het eerste deel basisarchitectuur van processors en in het tweede deel, ingenieurs plannen en ontwerpen hen.

Het belangrijkste deel van dit artikel is een uitleg over hoe computerchips zijn fysiek in elkaar gezet. Als u een diepgaand begrip van het fabricageproces wilt, moet u het gedeelte over fotolithografie aandachtig lezen, we zullen ons meer concentreren op dit punt dat kort in deze functie wordt genoemd:

Een van de grootste marketingtermen die verband houden met de fabricage van chips, is de grootte van functies.




In de chipindustrie, feature size, reken knooppunt. Zoals we al zeiden Hoe processors te ontwerpen, deel 3, Dit is een vrij losse term, aangezien verschillende fabrikanten de term gebruiken om verschillende aspecten van de chip te beschrijven, maar nog niet zo lang geleden refereerde het aan de kleinste opening tussen twee secties van een transistor.




Tegenwoordig is het meer een marketingterm en niet erg nuttig om productiemethoden te vergelijken. De transistor is echter een kritiek kenmerk van elke processor, omdat de groepen alle gekraak en gegevensopslag binnen de chip verwerken, en een kleiner verwerkingsknooppunt van dezelfde fabrikant is zeer wenselijk. De voor de hand liggende vraag die hier moet worden gesteld waarom?

Niets gebeurt onmiddellijk in de wereld van processors, en het gebeurt ook niet zonder een elektrische stroombron. Bij grotere componenten duurt het langer om van toestand te veranderen, het duurt langer om signalen af ​​te leggen en er is meer energie nodig om elektriciteit naar de processor te transporteren. Zonder te proberen een groot geluid te maken, nemen grotere componenten meer fysieke ruimte in, dus de chips zijn groter.







In de bovenstaande afbeelding kijken we naar drie verouderde Intel-CPU's. Vanaf de linkerkant is er een Celeron uit 2006, een Pentium M uit 2004 en een echt oude Pentium uit 1995. Er is een procesknooppunt van respectievelijk 65, 90 en 350 nm. Met andere woorden, kritische stukken in het 24 jaar oude ontwerp zijn 5 keer groter dan het 13 jaar oude ontwerp. Een ander belangrijk verschil is dat de nieuwe chip 290 miljoen transistors bevat, terwijl de originele Pentium iets meer dan 3 miljoen is; bijna honderden keren minder.

Hoewel de vermindering van het verwerkingsknooppunt een deel van de reden is waarom het nieuwere ontwerp fysiek kleiner is en meer transistors heeft, speelt het een belangrijke rol in het vermogen van Intel om het te leveren.




Maar de echte hit: de Celeron genereert slechts ongeveer 30 W aan warmte in vergelijking met de 12 W van de Pentium. Deze warmte is het gevolg van energieverlies als gevolg van verschillende processen en energie doordat elektriciteit rond circuits in de chip wordt geduwd. het overgrote deel komt vrij als warmte. Ja, 30 is een groter aantal dan 12, maar onthoud dat de chip ongeveer 100 keer meer transistors heeft.

Dus als de voordelen van een kleiner rekenknooppunt resulteren in kleinere chips, onthult het meer transistors die sneller kunnen schakelen - wat meer berekeningen per seconde oplevert - en als het minder energie verliest als warmte, roept het een andere vraag op: Waarom gebruikt niet elke chip ter wereld het kleinst mogelijke rekenknooppunt??

Laat er licht zijn!

Op dit punt, fotolithografie: licht, Licht maskerblokkeren licht in sommige gebieden en doorschijnend in andere. Het licht waar het doorheen gaat, wordt vervolgens gefocust op een kleine plek en reageert vervolgens met een speciale laag die wordt gebruikt bij de vervaardiging van de chip om te helpen bepalen waar de verschillende onderdelen zullen zijn.




Zie het als een röntgenfoto van je hand: botten blokkeren stralen, fungeren als een fotomasker, terwijl ze een beeld produceren van de innerlijke structuur van de hand.

Afbeeldingsbron: Peellden, Wikimedia Commons

Licht wordt niet echt gebruikt - het is zelfs te groot voor chips zoals de oude Pentium. Je vraagt ​​je misschien af ​​hoe licht in de wereld elke afmeting kan hebben, maar golflengte. Licht, elektromagnetische golfhet is een continu cyclisch mengsel van elektrische en magnetische velden.

Hoewel we een klassieke sinusgolf gebruiken om vorm te visualiseren, hebben elektromagnetische golven niet echt een vorm. Dit is meer een situatie waarin het effect dat ze produceren bij interactie met iets dat patroon volgt. De golflengte van dit cyclische patroon is de fysieke afstand tussen twee identieke punten: het beeld is hoe ver de toppen van deze golven verwijderd zijn, terwijl de zeegolven in een strand rollen. Elektromagnetische golven hebben een breed scala aan mogelijke golflengten, dus breng ze samen en spectrum.

Klein kleiner kleinst

In de onderstaande afbeelding kunnen we zien dat wat we licht noemen, slechts een klein deel van dit spectrum is. Er zijn andere bekende namen: radiogolven, microgolven, röntgenstralen, enz. We kunnen ook enkele getallen zien voor golflengten; het licht is ergens rond de 10-7 meter of ongeveer 0,000004 inch!

Wetenschappers en ingenieurs gebruiken liever een iets andere methode om kleine lengtes en kortweg nanometers of nm te beschrijven. Als we naar het uitgebreide deel van het spectrum kijken, kunnen we zien dat het licht in feite varieert van 380 nm tot 750 nm.

Afbeeldingsbron: Philip Ronan, Gringer

Neem een ​​tikje terug naar dit artikel en herlees het gedeelte over de oude Celeron-chip - deze werd geproduceerd in een 65 nm-procesknooppunt. Dus hoe kunnen kleine stukjes licht worden gemaakt? Simpel: het fotolithografieproces gebruikte geen licht, het gebruikte ultraviolet licht (ook bekend als UV).

In de spectrumgrafiek begint UV rond 380 nm (waar het licht ophoudt) en krimpt tot ongeveer 10 nm. Fabrikanten zoals Intel, TSMC en GlobalFoundries EUV (extreem UV) is ongeveer 190 nm groot. Deze kleine golf betekent niet alleen dat de componenten zelf kleiner kunnen worden gemaakt, maar hun algehele kwaliteit kan mogelijk beter zijn. Hierdoor kunnen de verschillende onderdelen dichter bij elkaar worden verpakt en wordt de totale grootte van de chip verkleind.

Verschillende bedrijven bieden verschillende namen voor de rekenknooppuntschaal die ze gebruiken. TSMC zegt simpelweg "10FF", terwijl Intel zegt dat de nieuwste aan het publiek P1274 of "10 nm" is. Processorontwerpers zoals AMD Lay-outs en structuren maken vertrouwen op TSMC's voorkeuren voor kleinere procesknooppunten en vervolgens het upgraden van "7 nm" hoogvolume productielijnen eerder dit jaar. Op deze productieschaal zijn enkele van de kleinste kenmerken slechts 6 nm (maar de meerderheid is groter dan dat).

Om te begrijpen hoe klein 6 nm werkelijk is, worden de siliciumatomen die de massa van de processor vormen ongeveer 0,5 nm uit elkaar geplaatst, met de atomen zelf ongeveer 0,1 nm in diameter. Dus, als een basketbalveldfiguur, houden de fabrieken van TSMC zich bezig met aspecten van een transistor die minder dan 10 siliciumatomen breed is.

Moeilijkheden om atomen te richten

Afgezien van het onvoorstelbare feit dat chipfabrikanten werken aan eigenschappen die slechts een handvol atomen zijn, heeft EUV-fotolithografie gezorgd voor een groot aantal ernstige technische en fabricageproblemen.

Intel heeft vooral moeite gehad met GlobalFoundries om de 10 nm-productie op 14 nm te brengen en op hetzelfde niveau als vorig jaar. stopte alle ontwikkeling Hoewel de problemen van Intel en GF van 7 nm en kleinere productiesystemen niet voortkomen uit de inherente moeilijkheden van EUV-fotolithografie, kunnen ze niet geheel los staan.

Hoe korter de golflengte van een elektromagnetische golf, hoe meer energie deze draagt, wat een grotere kans op schade aan de gegenereerde chip oplevert; Productie op zeer kleine schaal is zeer gevoelig voor vervuiling en defecten in de gebruikte materialen. Andere kwesties, zoals diffractiegrenzen en statistische ruis (natuurlijke variatie waarbij energie die door de EUV-golf wordt overgedragen zich ophoopt in de chiplaag), spannen ook samen tegen het doel om 100% perfecte chips te bereiken.

Twee fabricagefouten in één chip. Bron: Solid State-technologie

Er is ook de veronderstelling dat in de vreemde wereld van atomen de stroom van elektriciteit en energieoverdracht niet langer klassieke systemen en regels kan volgen. Door elektriciteit vast te houden in de vorm van bewegende atomen (een van de drie deeltjes waaruit de atomen bestaan) is het relatief eenvoudig om de geleiders dicht bij elkaar te laten stromen, op een afstand van elkaar, op de schaal die we gewend zijn - omwikkel de geleiders met een dikke laag isolatie.

Op het niveau waar Intel en TSMC aan het werk zijn, is dit veel moeilijker te bereiken omdat de isolatie niet echt dik genoeg is. Voorlopig zijn de productieproblemen echter bijna volledig gerelateerd aan de inherente problemen van EUV-fotolithografie, dus het zal een paar jaar duren voordat we het kwantumgedrag van Nvidia beter kunnen bespreken dan AMD of andere soortgelijke onzin!

Omdat het echte probleem de ultieme reden is achter fabricageproblemen, Intel, TSMC en al hun fabrikanten. ondernemingenen ze richten zich alleen op de atomen voor toekomstige inkomsten. In job research paper MentorHet volgende overzicht voor hoeveel meer er is gepresenteerd wafeltje kosten voor kleinere procesknooppunten.

Als we bijvoorbeeld aannemen dat het 28 nm-procesknooppunt hetzelfde is als Intel gebruikt om CPU's uit de Haswell-serie te produceren (zoals de Core i7-4790K), kost het 10 nm-systeem bijna twee keer zoveel per wafer. Het aantal chips dat elke wafel kan produceren hangt grotendeels af van de grootte van elke chipMaar als je met een kleinere transactieschaal gaat, betekent dit dat een wafer mogelijk meer chips kan opleveren om te verkopen en de stijging van de kosten kan compenseren. Uiteindelijk zullen veel van deze kosten voor de consument worden teruggedrongen door de verkoopprijs van het product te verhogen, maar dit moet worden afgewogen tegen de vraag van de industrie.

De toename van de smartphoneverkoop in de afgelopen jaren, met een bijna exponentiële groei van slimme technologie in huizen en auto's, betekent dat chipfabrikanten de financiële klap hebben moeten opvangen van het overstappen naar kleinere rekenknooppunten totdat het hele systeem volwassen is geworden. Genoeg om wafers met een hoge doorvoer (d.w.z. die met zo min mogelijk defecten) op hoge volumes te snijden. Gezien waar we het over hebben miljarden Het is een risicovolle onderneming en een groot deel van de reden waarom GlobalFoundries redt van de computernode-race.

Vooruitzichten

Als dit allemaal een beetje apocalyptisch klinkt en als dit klinkt als een klein beetje apocalyps, moeten we niet vergeten dat de nabije toekomst er positief uitziet. Samsung en TSMC runnen niet alleen hun 7nm-productielijnen met een gezonde marge in termen van volume en inkomsten, maar hun chipontwerpers zijn ook van plan om vooruitgang te boeken door meerdere knooppunten in hun producten te gebruiken. Onlangs was het meest opvallende voorbeeld hiervan het onlangs uitgebrachte chipontwerp van AMD. 3e generatie Ryzen CPU'lar.

Deze high-end desktop pc-processor bestaat uit twee chips die zijn vervaardigd in TSMC's 7 nm-knooppunt en een 14 nm-chip die is vervaardigd door GlobalFoundries. De eerste zijn de feitelijke processoronderdelen, de tweede verwerkt het DDR4-geheugen en PCI Express-apparaten die op de CPU zijn aangesloten. Ervan uitgaande dat dit ontwerp werkt zoals bedoeld (en er is geen reden om eraan te twijfelen dat het zou moeten zijn), dan zullen we zien dat bijna meer bedrijven deze multi-node setup volgen.

De afbeelding hierboven toont de veranderingen in het rekenknooppunt van Intel in de afgelopen 50 jaar. De verticale as geeft de knooppuntgrootte weer met een factor 10, beginnend bij 10.000 nm vanaf de bovenkant. De chipgigant volgde een ruwe knoophalfwaardetijd van 4,5 jaar (de tijd die nodig was om de knoopgrootte elke keer te halveren).

Betekent dit dat we tegen 2025 5 nm Intel zullen zien? Waarschijnlijk wel, ondanks hun laatste struikelblok met 10 nm. Samsung en TSMC vordert Dankzij 5 nm-onderzoek is het goed voor elke toekomstige processor.

Ze verbruiken minder energie, worden kleiner en sneller en bieden meer prestaties. Ze zullen leiden tot volledig autonome auto's, smartwatches met de kracht en batterijduur van huidige smartphones, en graphics in games die verder gaan dan alles wat tien jaar geleden in films van miljoenen dollars te zien was.

De toekomst ziet er echt rooskleurig uit, want hij zal komen klein.