10 нм процессор что это
Обновлено: 07.07.2024
При выборе смартфона мы все чаще обращаем внимание на такой параметр, как техпроцесс процессора. В характеристиках смартфона производитель гордо указывает величины: 8 нм, 7 нм и даже 5 нм. Но что скрывается за этими цифрами?
Что такое техпроцесс?
Apple A14 Bionic – самый мощный мобильный процессор 2020 года. Скрин: YouTube-канал Apple Apple A14 Bionic – самый мощный мобильный процессор 2020 года. Скрин: YouTube-канал AppleТехнологический процесс представляет собой широкое понятие, для определения которого необходимо разобраться с термином транзистор.
Транзистором в электронике называют минимальный компонент, который пропускает или не пропускает электрический ток. В структуре процессора транзистор играет роль своеобразного переключателя для выполнения операций в двоичной системе расчета.
Мобильный чипсет состоит из нескольких миллионов таких транзисторов, отличающихся габаритами. Размер одного элемента принято измерять в нанометрах, но величина 5 нм или 7 нм является не площадью, а шириной его канала, через который проходит ток.
Поскольку ширина канала напрямую связана с его габаритами, понятия технологического процесса и размера транзистора с натяжкой можно назвать тождественными.
В пресс-релизах техпроцессом сегодня называют размер минимального компонента процессора (транзистора).
На что влияет техпроцесс?
Транзисторы в структуре ядра процессора. Скрин: YouTube-канал stupidmadworld Транзисторы в структуре ядра процессора. Скрин: YouTube-канал stupidmadworldОт техпроцесса или, как мы уже поняли, размера транзистора зависит то, сколько таких элементов удастся расположить на чипе. Ведь площадь однокристальной системы ограничена.
Значит ли это, что чем меньше технологический процесс, тем мощнее процессор? Не совсем. На мощность процессора влияет другая характеристика – тактовая частота. Чем выше частота, тем сильнее нагревается чипсет.
Температура процессора напрямую влияет на автономность смартфона. Частично проблема «горячего» чипа решается нанесением термопасты и графитовой пленки на однокристальную систему. Но более действенным вариантом становится увеличение расстояния между транзисторами. А оно возможно только в том случае, если транзисторы обладают минимальным размером.
Таким образом, техпроцесс влияет на продолжительность работы смартфона от одного заряда наряду с таким фактором, как емкость аккумулятора.
Какой техпроцесс лучше?
Ежегодно производители однокристальных систем стараются уменьшить техпроцесс, чтобы разместить на чипе больше транзисторов и увеличить расстояние между ними.
То есть, чем меньше размер транзистора (технологический процесс), тем лучше.
В зависимости от класса устройства рекомендуется выбирать модели, чей техпроцесс соответствует следующим показателям*:
- флагман – 5-7 нм;
- средний класс – 7-8 нм;
- бюджетник – 10-12 нм.
* – информация актуальна на 2021 год.
Сегодня на российском рынке только две компании могут похвастать актуальным 5-нм техпроцессом чипсета (Samsung и Apple). К сожалению,
современный показатель все еще не доступен для моделей среднего класса и уж тем более для бюджетников. Но недавно мы делали обзор недорогого смартфона Redmi Note 9T , в котором использован чипсет с размером транзистора 7 нм. Это отличный вариант для устройства за 15000₽.
Постараюсь объяснить просто. Процессоры производятся с использованием миллиардов крошечных транзисторов, электрических затворов, которые включаются и выключаются для выполнения расчетов. Для этого им требуется энергия, и чем меньше транзистор, тем меньше требуется мощность. «7nm» и «10nm» — это размеры этих транзисторов, а «nm» — нанометры. Именно они являются полезными для оценки производительности конкретного процессора.
Для справки, «10nm» — это новый технологический процесс Intel, который должен дебютировать в 4 квартале 2019 года, а «7nm» обычно относится к процессу TSMC, на котором основаны новые процессоры AMD и чип A12X Apple.
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.
Что «nm» на самом деле означает
Процессоры выполнены с помощью фотолитографии, где образ процессора вытравливается на куске кремния. Точная методика выполнения этой операции обычно называется технологическим процессом и измеряется тем, насколько малым может быть изготовление транзисторов.
Поскольку более компактные транзисторы более энергоэффективны, они могут выполнять больше вычислений без перегрева, что обычно является ограничивающим фактором для производительности процессора. Это также позволяет уменьшить размеры матрицы, что снижает затраты и может увеличить плотность при тех же размерах, а это означает увеличение количества ядер на чип.
Плотность 7 нм в два раза выше, чем у предыдущего 14 нм узла, что позволяет таким компаниям, как AMD, выпускать 64-ядерные серверные чипы, что значительно превосходит их предыдущие 32 ядра (и 28 ядра Intel).
Важно отметить, что, хотя Intel все еще находится на 14-нм процессоре, а AMD собирается запустить свои 7-нм процессоры очень скоро, это не означает, что AMD будут работать в два раза быстрее. Производительность не соответствует размеру транзистора, и в таких маленьких масштабах эти значения уже не столь точны.
Мобильные чипы претерпят наибольшие улучшения
Уменьшение транзисторов — это не только производительность; оно также имеет огромное значение для маломощных чипов мобильных устройств и ноутбуков. С 7 нм (по сравнению с 14 нм) вы можете получить на 25% больше производительности при той же мощности, или вы можете получить ту же производительность за половину мощности.
Это означает более длительное время работы от батареи при одинаковой производительности и гораздо более мощные чипы для небольших устройств. Мы уже видели, как чип A12X от Apple выигрывал некоторые старые чипы Intel в тестах, несмотря на то, что он был только пассивно охлажден и упакован внутри смартфона, И это только первый 7-нм чип, который появился на рынке.
Уменьшение узлов всегда является хорошей новостью, так как более быстрые и энергоэффективные чипы влияют практически на все аспекты технологического мира. 2019 год будет очень интересным для технических специалистов и, конечно, очень приятно видеть, что закон Мура еще не совсем мертв.
Заранее спасибо! Все собранные средства будут пущены на развитие сайта. Поддержка проекта является подарком владельцу сайта.
Производители полупроводниковых устройств успешно освоили 10-нм техпроцесс. В статье рассказываем, кто выпускает микросхемы на его основе и когда ждать 5- и 3-нм технологии.
Фото — Santi — CC BY-SA
Кто внедрил 10-нм
На протяжении нескольких лет Intel откладывали полномасштабное производство микросхем по 10-нм техпроцессу. Среди причин эксперты называли трудности с технологией multi-patterning, повышающей плотность транзисторов, и низкий выход качественных процессоров. Но в октябре этого года компания объявила, что ей удалось наладить стабильное производство чипов на новом техпроцессе.
Пока выпускаются лишь CPU для персональных компьютеров на архитектуре Ice Lake. Но компания обещает поставить Xeon (Ice Lake-SP) для дата-центров во второй половине 2020 года.
Аналогичные устройства выпускает AMD в партнерстве с тайваньской TSMC. В конце прошлого года они представили чип, выполненный по усовершенствованному 7-нанометровому техпроцессу. По физическим параметрам (из-за различных методик оценки) он напоминает 10-нм от Intel.
На основе нового техпроцесса построена линейка серверных процессоров AMD — EPYC. Продажи устройств AMD EPYC 7002 на архитектуре Zen 2 стартовали в конце лета. В своих дата-центрах чипы разместили такие компании, как Google и Twitter. Девайсы должны снизить энергопотребление серверов и на четверть сократить TCO. Также с новыми CPU уже работает разработчик суперкомпьютеров Cray. Устройства внедрили в вычислительную систему для команды «Ф1» — Haas.
Курс на дальнейшую миниатюризацию
В 2021 году Intel планирует перейти на 7-нм техпроцесс на основе EUV. Это — фотолитография в «жестком» ультрафиолете. Что интересно, первым продуктом, построенным на новом техпроцессе, станет не процессор, а графическая карта для дата-центров, суперкомпьютеров и других HPC-систем.
Также в Intel работают над 5-нанометровой технологией, но сроки завершения проекта неизвестны.
Работу над 5-нм ведут в TSMC — компания начала приготовления еще в июне прошлого года, вложив в разработку 25 млрд долларов. Часть средств направили на строительство фабрики в Тайване. Производство чипов запустят во втором квартале 2020-го.
В начале этого года о готовности выпускать мобильные процессоры по 5-нм технологии заявили в Samsung. Компания уже оборудовала производственную линию, строит специальный завод и даже принимает заказы на тестовые партии микросхем. Однако дата полноценного релиза пока неизвестна.
За пределами 5-нм
TSMC готовит запуск 5-нм техпроцесса и разрабатывает 3- и даже 2-нанометровые технологии. Компания оценила все возможные виды структур транзисторов и возводит фабрику (тоже в Тайване). К выпуску продукции предприятие приступит в конце 2022 года или начале 2023 года.
Фото — Enrique Jiménez — CC BY-SA
Изготовление 3-нм чипов планирует начать и Samsung — его должны запустить в 2021-м. Специалисты организации используют технологию GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistors), которая снижает потери напряжения, увеличивая энергоэффективность транзистора.
В гонке за миниатюризацией участвуют и исследовательские институты. Например, в прошлом году специалисты из центра Imec в партнерстве с компанией Cadence Design Systems уже разработали тестовые образцы микропроцессоров по 3-нм технологии.
Лидеры индустрии отмечают, что затраты на освоение новых технологий будут большими, а перейти на новые техпроцессы смогут только крупные компании, которые «отобьют» их благодаря широкому ассортименту продукции. В свою очередь, для преодоления технологических трудностей в процессе непосредственного производства отрасли понадобятся альтернативные решения. Поэтому в будущем можно ожидать появления кардинально новых процессорных технологий.
Ключевым элементом практически каждой вычислительной схемы является транзистор. Это полупроводниковый элемент, который служит для управления токами. Из транзисторов собираются основные логические элементы, а на их основе создаются различные комбинационные схемы и уже непосредственно процессоры.
Чем больше транзисторов в процессоре — тем выше его производительность, ведь можно поместить на кристалл большее количество логических элементов для выполнения разных операций.
В 1971 году вышел первый микропроцессор — Intel 4004. В нем было всего 2250 транзисторов. В 1978 мир увидел Intel 8086 и в нем помещались целых 29 000 транзисторов. Легендарный Pentium 4 уже включал 42 миллиона. Сегодня эти числа дошли до миллиардов, например, в AMD Epyc Rome поместилось 39,54 миллиарда транзисторов.
| Модель | Год выпуска | Кол-во транзисторов |
| Xeon Broadwell-E5 | 2016 | 7 200 000 000 |
| Ryzen 5 1600 X | 2017 | 4 800 000 000 |
| Apple A12 Bionic (шестиядерный ARM64) | 2018 | 6 900 000 000 |
| Qualcomm Snapdragon 8cx | 2018 | 8 500 000 000 |
| AMD Ryzen 7 3700X | 2019 | 5 990 000 000 |
| AMD Ryzen 9 3900X | 2019 | 9 890 000 000 |
| Apple M1 ARM | 2020 | 16 000 000 000 |
Много это или мало? На 2020 год на нашей планете приблизительно 7,8 миллиардов человек. Если представить, что каждый из них это один транзистор, то полтора населения планеты
с легкостью поместилась бы в процессоре Apple A14 Bionic.
В 1975 году Гордон Мур, основатель Intel, вывел скорректированный закон, согласно которому число транзисторов на схеме удваивается каждые 24 месяца.
Нетрудно посчитать, что с момента выхода первого процессора до сего дня, а это всего-то 50 лет, число транзисторов увеличилось в 10 000 000 раз!
Казалось бы, поскольку транзисторов так много, то и схемы должны вырасти в размерах на несколько порядков. Площадь кристалла у первого процессора Intel 4004 — 12 мм², а у современных процессоров AMD Epyc — 717 мм² (33,5 млрд. транзисторов). Получается, по площади кристалла процессоры выросли всего в 60 раз.
Как же инженерам удается втискивать такое огромное количество транзисторов в столь маленькие площади? Ответ очевиден — размер транзисторов также уменьшается. Так
и появился термин, который дал обозначение размеру используемых
полупроводниковых элементов.
Упрощенно говоря, техпроцесс — это толщина транзисторного слоя, который применяется в процессорах.
Чем мельче транзисторы, тем меньше они потребляют энергии, но при этом сохраняют текущую производительность. Именно поэтому новые процессоры имеют большую вычислительную мощность, но при этом практически не увеличиваются в размерах
и не потребляют киловатты энергии.
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.
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.
Читайте также: