Какой процессор используется для разработки современных процессоров
Обновлено: 06.07.2024
В 2021 г. почти все свои процессоры Intel выпустит с использованием старой 14-нанометровой топологии. Она не спешит с полным переходом на 10 нм, поскольку этот техпроцесс выкачивает из нее деньги, тогда как 14 нм уже давно окупился и приносит прибыль. Тем временем AMD уже работает над 5-нанометровыми чипами.
Все дело в деньгах
Глава компании Intel Роберт Свон (Robert Swan) официально подтвердил ее зависимость от морально устаревшего 14-нанометрового техпроцесса. Он заявил, что Intel будет делать ставку именно на него еще как минимум год. Тем временем, компания AMD, основной конкурент Intel в сегменте процессоров, начала подготовку к переходу на 5 нм.
В рамках квартальной отчетной конференции Intel Роберт Свон сообщил, компании напрямую выгоден 14-нанометровый техпроцесс, поскольку именно он позволяет компании сокращать свои расходы на производство чипов (Intel, в отличие от AMD, обладает своими фабриками). Свон подчеркнул, что оборудование по выпуску микросхем по 14-нанометровым нормам, давно окупилось, в отличие от 10 нм, на которые Intel пытается перейти с августа 2019 г.
От 10 нм один вред
Сообщив о минимальных расходах на производство чипов по 14-нанометровой технологии, Роберт Свон сделал 10 нм «главным злодеем». По его словам, новые производственные линии еще не окупили всех вложений.
Свон добавил, что операционная прибыль Intel сейчас напрямую зависит именно от 10 нм. Он заявил, что компания сейчас наращивает темпы перехода на новые нормы, что отрицательно сказывается на росте операционной прибыли.
Способность 14 нм приносить Intel деньги привела к тому, что большая часть процессоров, которые она намерена произвести в 2021 г., будет выпушена именно по этим нормам. Точные процентные соотношения Роберт Свон называть не стал.
Проблемы Intel с переходом на 10 нм в некотором роде повторяют трудности, с которыми компания столкнулась при развертывании 14-нанометрового производства. По ее планам, она должна была наладить массовый выпуск таких чипов еще в конце 2013 г. – начале 2014 г., но в итоге все пришлось сдвинуть на год вперед. Таким образом, Intel распространяет 14-нанометровые чипы с I квартала 2015 г.
Intel собирается ускориться
Несмотря на свою зависимость от 14 нанометров, Intel не оставляет попытки полного перехода на 10 нм. Как сообщал CNews, в начале октября 2020 г. она наконец-то запустила свой 10-нанометровый завод Fab 42 в Аризоне (США), на строительство которого ей потребовалось почти 10 лет.
Новая фабрика рассчитана на производство продуктов 10 нм второго и третьего поколений, самых актуальных для Intel на октябрь 2020 г. Ко второму поколению относятся процессоры линеек Ice Lake-U, Ice Lake-SP, Elkhart Lake и Snow Ridge, тогда как третье поколение – это Tiger Lake-U и Tiger Lake-H, дебютировавшие в сентябре 2020 г.
На отчетной конференции Роберт Свон, руководящий Intel с февраля 2019 г. не обошел вниманием проблемы компании с суперсовременным (для нее) 7-нанометровым техпроцессом. Еще в июле 2020 г. в компании официально признали, что ее новых чипов с нормами 7 нм не будет еще как минимум два-три года. Сразу за этим последовало увольнение главы ключевого технологического подразделения Intel Мерти Рендучинтала (Murthy Renduchintala) из компании, а 24 июля 2020 г. из-за задержки с новым техпроцессом стоимость акций Intel рухнула более чем на 10%
Говоря о проблемах с 7 нм, Роберт Свон заявил тогда, что проблема, мешающая его компании освоить новые нормы, уже найдена, и что специалисты Intel работают над его устранением. Теперь же Свон отрапортовал о ее устранении. «Мы все исправили и достигли чудесного прогресса» (we've deployed the fix and made wonderful progress), – сказал глава компании.
Искусственный интеллект в контакт-центрах может автоматизировать половину запросов
В чем конкретно заключалась проблема, и как Intel разобралась с ней, Свон не уточнил ни летом 2020 г., ни сейчас. Он также не стал устанавливать новые сроки релиза первых 7-нанометровых чипов, так что они по-прежнему ожидаются не раньше 2022 г., а то и в 2023 г.
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.
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 %).
AMD все равно впереди
Даже отсутствие у Intel ее неназванного препятствия на пути к 7 нанометрам не позволяет ей догнать AMD, которая выпускает все свои современные процессоры по этим нормам. У нее нет своих заводов, и производством занимается тайваньская компания TSMC, в 2020 успешно освоившая 5 нм и выпускающая по этой топологии процессор Apple A14.
В первой половине октября 2020 г., как сообщал CNews, AMD провела показ новых процессоров линейки Ryzen 5000, вооруженных новейшей архитектурой Zen 3. Они тоже 7-нанометровые, но в рамках сотрудничества с TSMC AMD уже нацелилась на 5 нм.
Согласно ее дорожной карте, Zen 3 станет последней архитектурой, эксплуатирующей 7 нм. Ей на смену придет Zen 4, уже 5-нанометровая, и ее появление запланировано на 2021 г.
Не нуждающийся в особых представлениях техноблогер Roman Hartung, более известный под ником der8auer, провёл исследования транзисторов в процессорах Intel и AMD, выполненных по нормам технологических процессов 14 и 7 нанометров, соответственно. Для исследования были взяты старшие модели в настольных линейках компаний: Core i9-10900K, выпущенный на собственных мощностях Intel, и Ryzen 9 3950X, изготовленный силами TSMC.
реклама
С помощью сканирующего электронного микроскопа были получены изображения транзисторов в области расположения кеш-памяти второго уровня. Транзисторы кэша были выбраны в качестве эталона для сравнения, поскольку представляют собой стандартизированную структуру и не имеют большого разброса по параметрам в рамках одного блока.
MSI RTX 3070 сливают дешевле любой другой, это за копейки Дешевая 3070 Gigabyte Gaming - успей пока не началось
Пристальное изучение полученных изображений полупроводниковой структуры показало несколько любопытных фактов. Так, различия ширины затвора транзистора у 14 и 7 нм техпроцессов оказались минимальны: 24 нм у Intel против 22 нм у AMD, высота затворов так и вовсе оказалась равна на уровне погрешности. Как видим, никакого кратного отличия, на которое намекают маркетинговые наименования техпроцессов, нет.
реклама
var firedYa28 = false; window.addEventListener('load', () => < if(navigator.userAgent.indexOf("Chrome-Lighthouse") < window.yaContextCb.push(()=>< Ya.Context.AdvManager.render(< renderTo: 'yandex_rtb_R-A-630193-28', blockId: 'R-A-630193-28' >) >) >, 3000); > > >);
Это ещё раз подтверждает тезис о том, что числа в названии современных литографических технологических процессов уже давно не имеют ничего общего с реальностью. Так, компания Samsung созналась, что её 8 нм технология - это просто 10 нм с новой библиотекой элементов и обновлённым трассировщиком.
Всё это наводит на некоторые мысли. Так, рост производительности процессоров AMD RYZEN вероятнее всего может быть обусловлен в первую очередь именно инженерной работой и совершенствованием архитектуры, а не успехами TSMC в переименовании своих техпроцессов. Следовательно, ощутимый прирост от поколения к поколению будет зависеть от задела к модернизации, избранной AMD технологии чиплетов. Поскольку это первый опыт применения данной компоновки кристаллов, делать какие-то долгосрочные прогнозы сложно, но очевидно, что однажды возможности дальнейшего совершенствования будут исчерпаны, и AMD придётся у перейти к схеме +5% каждый год, либо менять парадигму и искать новые пути развития.
реклама
В то же время переход процессоров Intel на 10 и 7 нм может принести гораздо больший, чем можно предполагать, прирост, поскольку компания не увлекалась маркетингом нанометров, просто добавляя знаки + к своим 14 нанометрам, следовательно, новый техпроцесс может оказаться действительно значительно более продвинутым. Кроме того, Intel уже смотрит в будущее и проводит исследования в области альтернативных методов пространственной компоновки транзисторов и структур кристалла процессора.
Как бы то ни было, становится очевидно, что пресловутые числа в названиях техпроцессов не отражают физической реальности и размеров полупроводниковых элементов. Грядущие 5 и 3 нм от TSMC и Samsung, вероятнее всего, так же будут представлять из себя по сути 7++ и 7+++ технологии. Размеры элементов транзистора уменьшаются незначительно, увеличение плотности размещения транзисторов на единице площади достигается в первую очередь совершенствованием библиотек элементов, развитием программ-автотрассировщиков, оптимизацией самой структуры и компоновки блоков кристалла.
А значит, опасаться, что уже в текущем десятилетии мы упрёмся в физические ограничения создания транзистора на атомном уровне, не стоит. Тормозом станет, скорее, непомерная стоимость разработки и изготовления более совершенных степперов и проблема с созданием новых сверхмощных источников УФ-излучения. Впрочем, решение, возможно, уже не за горами и кроется в применении новых материалов, в частности соединений германия, гафния, либо графена. Но это уже совсем другая история.
Теперь, когда мы знаем, как работают процессоры на высоком уровне, пришло время заглянуть внутрь процессора, чтобы понять, как устроены его внутренние компоненты. Эта статья является второй частью нашей серии, посвященной устройству процессоров. Если вы не читали первую часть, советуем ознакомиться с ней прежде, чем вы начнете читать дальше, поскольку в этой статье мы будем использовать понятия, освещенные ранее.
Как вы, вероятно, знаете, процессоры и большинство других современных цифровых технологий основаны на транзисторах. Самый простой способ представить транзистор – это управляемый переключатель с тремя контактами. Когда затвор включен, ток пропускается через транзистор. А когда выключен, транзистор ток не проводит. Точно так же, как и выключатель света на вашей стене, только транзистор гораздо меньше, гораздо быстрее и может управляться электрически.
В современных процессорах используются два основных типа транзисторов: pMOS и nMOS. Транзистор nMOS позволяет току течь, когда подается ненулевое напряжение на затвор, а транзистор pMOS – наоборот, проводит ток, когда напряжение на затворе стремится к нулю. Комбинируя эти типы транзисторов, мы можем создать логические вентили CMOS. В третьей части серии мы ещё остановимся подробней на физике работы процессоров.
Логический вентиль (логический элемент, гейт) – это простейшее устройство, которое принимает входной сигнал, выполняет некоторые операции и выводит результат в виде выходного сигнала. Например, вентиль AND (И) включит свой выход тогда и только тогда, когда все входы в вентиль включены. Инвертор или вентиль отрицания NOT (НЕ) включит свой выход, если вход отключен. Объединив эти два гейта, мы получим логический элемент NAND (И-НЕ), который включает свой выход, если и только если ни один из входов не включен. К другим логическим гейтам, с иной логической функциональностью, относятся OR (ИЛИ), NOR (ИЛИ-НЕ), XOR (Исключающее ИЛИ) и XNOR (Исключающее ИЛИ с инверсией).
Ниже показаны схемы двух основных логических элементов, реализованных с помощью транзисторов: вентиль отрицания (инвертор) и вентиль NAND (И-НЕ). В инверторе сверху находится транзистор pMOS, подключенный к питанию, а снизу транзистор nMOS, подключенный к земле. Транзисторы pMOS обозначаются с небольшим кружочком на затворе. Поскольку устройства pMOS срабатывают при отключенном входе, а устройства nMOS наоборот – при включенном, то несложно понять, что сигнал на выходе всегда будет противоположным сигналу на входе. Глядя на вентиль NAND, мы видим, что для него требуются четыре транзистора и что выход будет включен, пока хотя бы один из входов отключен. По такому же принципу, как формируются приведенные примеры элементарных транзисторных схем, проектируются и более сложные логические гейты и прочие схемы внутри процессоров.
Трудно представить, как из таких простейших кирпичиков – логических элементов – может получиться функционирующий компьютер. Сперва из нескольких отдельных вентилей создаётся простейшее устройство, способное выполнять какую-то простую функцию. Затем из нескольких таких простых устройств создаётся более сложное, выполняющее более сложную задачу. Процесс объединения отдельных компонентов для получения требуемой функциональности – это именно то, что применяется сегодня при создании чипов. Современные чипы имеют миллиарды транзисторов.
Вывод Суммы (Sum) включается, если A или B включены (но не оба сразу), либо если есть сигнал переноса (Cin), при этом A и B одновременно включены или выключены. Вывод переноса (Carry out) функционирует несколько сложнее – он срабатывает либо при одновременном включении A и B, либо если есть сигнал переноса и один из A или B (но не оба сразу). Чтобы соединить несколько однобитных сумматоров в один более широкий, нам попросту нужно последовательно соединить вывод переноса предыдущего бита с входом переноса текущего бита. Чем сложнее схемы, тем сложнее логика, но это самый простой способ сложить два числа. Современные процессоры используют более сложные сумматоры, рассматривать их в нашем обзоре будет излишним. Помимо сумматоров, процессоры также содержат узлы для деления и умножения, включая версии всех этих операций с плавающей запятой.
Объединение групп логических элементов для выполнения какой-либо функции, подобное этому, называется комбинационной логикой. Но этот тип логики не единственный, что встречается в компьютерах. Было бы мало толку, если бы мы не могли хранить данные или отслеживать состояние чего-либо. Для этого нам нужна секвенциальная логика, которая обеспечивает возможность хранить данные.
Секвенциальная логика строится путем подключения инверторов и других гейтов таким образом, что их выходы возвращают сигналы на вход гейтов. Эти контуры обратной связи используются для хранения одного бита данных и известны как статическое ОЗУ или SRAM (Static RAM). Статическим оно называется в противоположность динамическому (DRAM), поскольку сохраняемые в нём данные всегда напрямую связаны с положительным напряжением или землей.
Ниже показан стандартный способ имплементации одного бита SRAM на шести транзисторах. Верхний сигнал WL (Word Line, словная линия) является адресным, и когда он включен, данные, хранящиеся в этой 1-битной ячейке, подаются на битовую линию BL (Bit Line). Вывод BLB (Bit Line Bar, шина битовой линии) это просто инвертированное значение битовой линии, но физически это одна и та же линия. Помимо двух типов транзисторов, мы видим и знакомые нам схемы инверторов, выполненные на транзисторах M3/M1 и M2/M4.
SRAM используется для создания сверхбыстрых кэшей и регистров внутри процессоров. Такая память очень стабильна, но требует от шести до восьми транзисторов для хранения каждого бита данных. Это делает его чрезвычайно дорогим по стоимости, сложности и площади чипа по сравнению с Dynamic RAM. DRAM, в свою очередь, хранит данные в крошечном конденсаторе, а не с помощью логических вентилей. Динамическим оно называется потому, что напряжение на конденсаторе может динамически изменяться, поскольку оно не подключено напрямую к питанию или земле.
Поскольку для доступа к данным, хранящимся в конденсаторе, требуется только один транзистор на бит и конструкция схемы очень масштабируема, DRAM может быть «упакован» компактно и дешево. Одним из недостатков DRAM является то, что заряд в конденсаторе настолько мал, что его необходимо постоянно поддерживать. Именно поэтому при выключении компьютера все конденсаторы разряжаются и данные в оперативной памяти теряются.
Принципиальная схема DRAM. Address Line – адресная шина (словная линия); Bit Line – битовая шина (битовая линия); Transistor – транзистор; Storage capacitor – конденсатор; Ground – земля.
Такие производители, как Intel, AMD и Nvidia, не публикуют схем работы своих процессоров, поэтому и мы не можем предоставить точные схемы узлов современных процессоров. Однако этот простой сумматор позволяет получить достаточное представление о том, как даже самые сложные части процессора можно разбить на составляющие логические элементы, элементы памяти, и в конечном итоге – на транзисторы.
Теперь, когда мы знаем об устройстве некоторых компонентов процессора, нам нужно выяснить, как они соединяются и согласуются между собой. Все важнейшие узлы процессора подключены к тактовому сигналу (синхросигналу), который представляет собой чередование верхнего и нижнего уровня сигнала с заданным интервалом, называемым частотой. Логика внутри процессора обычно переключает значения и выполняет вычисления в момент переключения синхросигнала с низкого уровня на высокий. Синхронизируя все вместе, мы можем быть уверены, что данные всегда распределяются корректно по времени, тем самым исключая сбои в работе процессора.
Многие, наверное, слышали о так называемом «разгоне» – увеличении тактовой частоты процессора с целью повысить его производительность. Этот выигрыш в производительности достигается за счет более быстрого переключения транзисторов и внутрипроцессорной логики, чем предусмотрено производителем. Поскольку число тактов в секунду становится больше, то и операций может быть произведено больше, отчего и повышается производительность процессора. Но это справедливо лишь до определенного предела. Большинство современных процессоров работают с частотой от 3,0 до 4,5 ГГц, и за последнее десятилетие ситуация не сильно изменилась. Точно так же, как металлическая цепь не прочнее её самого слабого звена, процессор не может быть быстрее его самой медленной части. К концу каждого такта каждый из элементов процессора должен завершить свою работу. Если какой-то элемент не успевает, значит заданная частота слишком высока, и процессор не сможет работать. Разработчики называют эту самую медленную часть «критическим путем», и именно по ней производителем задаётся максимальная частота процессора. Выше определенной частоты транзисторы просто не могут переключаться достаточно быстро и начинают глючить или давать неправильные выходные сигналы.
Мы можем ускорить переключение транзисторов, повысив напряжение питания процессора, но это тоже срабатывает до определённого предела. Если подать слишком большое напряжение, то мы рискуем сжечь процессор. При увеличении частоты или повышении напряжения процессора, усиливаются его нагрев и потребляемая мощность. Это происходит потому, что мощность процессора прямо пропорциональна частоте и пропорциональна квадрату напряжения. Чтобы определить энергопотребление процессора, мы рассматриваем каждый транзистор как маленький конденсатор, который нужно заряжать или разряжать при изменении его значения.
Подача питания — настолько важная часть процессора, что в некоторых случаях до половины физических контактов на чипе может использоваться только для питания или заземления. Некоторые чипы при полной нагрузке могут потреблять больше 150 ампер, и весь этот ток должен крайне аккуратно управляться. Чтобы представить такое количество энергии, заметим: центральный процессор производит больше тепла на единицу площади, чем ядерный реактор.
Тактовый сигнал в современных процессорах отнимает примерно 30-40% от его общей мощности, потому что он очень сложен и должен управлять множеством различных устройств. Для сохранения энергии большинство процессоров с низким потреблением отключают части чипа во время их бездействия. Это реализуется отключением тактового сигнала (Clock Gating) или отключением питания (Power Gating).
Тактовые сигналы имеют ещё одну сложность при разработке процессора: так как их частоты постоянно растут, на их пути начинают вставать законы физики. Хоть скорость света и чрезвычайно высока, она недостаточно высока для высокопроизводительных процессоров. Если подключить тактовый сигнал к одному из концов чипа, то ко времени, когда сигнал достигнет другого конца, он уже будет значительно рассинхронизован. Чтобы синхронизировать все части чипа, тактовый сигнал распределяется при помощи так называемого H-дерева (H-Tree). Это структура, обеспечивающая равноудаленность всех конечных точек от центра.
Может показаться, что проектирование каждого отдельного транзистора, тактового сигнала и контакта питания в чипе – чрезвычайно монотонная и сложная задача, и это в самом деле так. Даже несмотря на то, что в таких компаниях, как Intel, Qualcomm и AMD работают тысячи инженеров, они не смогли бы вручную спроектировать каждый аспект чипа. Для их проектирования они используют различные специальные инструменты, помогающие создавать необходимые конструкции и схемы к ним. Такие инструменты обычно получают высокоуровневое описание того, что должен делать компонент, и определяют наилучшую аппаратную конфигурацию, удовлетворяющую этим требованиям. Зародилось технологическое направление под названием "Синтез высокого уровня" (High Level Synthesis), которое позволяет разработчикам задавать в коде желаемую функциональность, после чего компьютеры определяют, как оптимально достичь её в оборудовании.
Точно так же, как вы можете описывать компьютерные программы с помощью кода, проектировщики могут описывать кодом аппаратные устройства. Такие языки, как Verilog и VHDL позволяют разработчикам оборудования выражать функциональность любой создаваемой ими электрической схемы. После успешного выполнения симуляций и верификации таких проектов их можно материализовать в конкретные транзисторы, из которых будет состоять электрическая схема. Хоть этап верификации и не кажется столь же увлекательным, как проектирование нового кэша или ядра, он значительно важнее их. На каждого нанимаемого компанией инженера-проектировщика может приходиться пять или более инженеров по верификации.
Непросто осмыслить то, что в одном чипе может быть несколько миллиардов транзисторов и понять, что все они делают. Если разбить чип на его отдельные внутренние компоненты, становится немного легче. Из транзисторов составляются логические вентили, логические вентили соединяются в функциональные модули, выполняющие определённую задачу, а эти функциональные модули собираются вместе, образуя архитектуру компьютера, о которой мы говорили в первой части серии.
Бо́льшая часть работ по проектированию автоматизирована, но изложенное выше позволяет нам осознать, насколько сложен только что купленный нами новый процессор.
Эта вторая часть нашей серии посвящена процессу проектирования процессора. Мы рассмотрели транзисторы, логические элементы (они же вентили, гейты), подачу питания и синхронизирующих сигналов, синтез конструкции и верификацию. В третьей части мы узнаем, что требуется для физического производства чипа. Все компании любят хвастаться тем, насколько современен их техпроцесс (Intel 10 нм, Apple и AMD 7 нм, и т.д.), но что же на самом деле означают эти числа? Об этом мы расскажем в следующей части.
Как создаются современные процессоры? Насколько это сложный и интересный процесс и почему так важна некая Экстремальная УФ-литография? В этот раз мы копнули действительно глубоко и готовы рассказать вам об этой магии технологий. Располагайтесь поудобнее, будет интересно.
Вот вам затравочка - 30-килоВаттный лазер в вакууме стреляет по капле олова и превращает ее в плазму - скажете фантастика?
А мы разберемся как это работает и расскажем об одной компании из Европы, которая стоит тенью за всеми гигантами Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung и другими и без нее никаких новых процессоров бы и не было. И нет это, к сожалению не Чебоксарский завод электроники.
Чтобы понять процесс экстремальной ультрафиолетовой литографии - нам надо для начала понять, что вообще такое фотолитография. Сам процесс по своей сути очень похож на то как печатаются фотографии с с пленочных негативов на фотобумагу! Не верите - сейчас все объясним.
Фотолитография
Начнем с простого примера - возьмем прозрачное стекло и нанесем на него какой-то геометрический рисунок, оставив при этом какие-то участки без краски. По сути, сделаем трафарет. Приложим этот кусок стекла к фонарику и включим его. Мы получим ровно тот же рисунок в виде тени, который мы нанесли на кусок стекла.
В производстве процессоров этот кусок стекла с рисунком называется маска. Маска позволяет получить на поверхности любого материала “засвеченные и незасвеченные” участки любой плоской формы.
Хорошо - рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны. Хорошо - рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны.Опять же как и на фотопленке или фотобумаге - специальные слои материалов реагируют на свет!
После того как нужные нам участки на кремнии мы засветили, именно их мы можем убрать, оставив при этом на месте остальные, то есть незасвеченные участки. В итоге мы получили тот рисунок, который и хотели. Это и есть фотолитография!
Конечно, кроме фотолитографии в производстве процессоров участвуют и другие процессы, такие как травление и осаждение, фактически комбинацией этих процессов вместе с фотолитографией транзисторы как-бы печатаются слой за слоем на кремнии.
Технология не новая, почти все процессоры начиная с 1960-х производятся при помощи фотолитографии. Именна эта технология открыла мир полевых транзисторов и путь ко всей современной микроэлектронике.
Но по-настоящему большой скачок в этой области произошел только недавно! С переходом на EUV. И всё из-за длинный волны 13.5 нм. Не переживайте, сейчас объясню!
Длина волны на которой светит наш “фонарик” - это невероятно важный параметр. Именно она и определяет насколько маленьким вы можете получить элементы на кристалле.
Правило максимально простое: Меньше длина волны - больше разрешение, и меньше техпроцесс!
Обратите внимание на картинку. Абсолютно все процессоры начиная с начала 90-х до 2019 года производились с использованием процесса Глубокой УФ-литографии, или DUV литографии. Это то, что было до Экстремальной.
Он основывался на использовании фторид-аргонового лазера, который испускает свет с длиной волны в 193 нанометра. Этот свет лежит в области глубокого ультрафиолета - отсюда и название.
Он проходит через систему линз, маску и попадает на наш кристалл покрытый фоторезистом, создавая необходимый рисунок.
Но у этой технологии тоже были свои ограничения, завязанные на фундаментальных законах физики.
Какой же минимальный техпроцесс возможен? Смотрим на формулу (только не пугайтесь):
Здесь Лямбда - это и есть наша длина волны, а CD - это critical dimension, то есть минимальный размер получаемой структуры. То есть с использованием “старой” DUV литографии нельзя получить структуры не меньше примерно 50 нм. Но как же это так спросите вы? Ведь производители отлично делали и 14 и 10 нм, а кто-то даже и 7 нм с использованием DUV литографии.
Они пошли на хитрости. Вместо одного засвета через одну единую маску, они стали использовать несколько масок, с разными рисунками, которые дополняют друг-друга. Это процесс получил название множественное экспонирование . Назовем это принципом слоеного пирога!
Да - производители обошли прямые физические ограничения, но физику не обманули!
Появилась серьезная проблема: эти дополнительные шаги сделали производство каждого чипа гораздо дороже, из-за них увеличивается количества брака, есть и другие проблемы.
То есть в теории можно продолжить работать со старой технологией и путем игры с масками и экспонированием (двойная, тройная, четверная экспозиция) уменьшать размеры и дальше, но это сделает процы золотыми. Ведь с каждым слоем процент брака возрастает все выше, а ошибка накапливается!
То есть можно сказать, что DUV - это тупик! Что делать дальше, как уменьшать?
И тут на помощь приходит великая и ужасная технология Экстремальной УФ-литографии, или EUV-литографии!
Посмотрите на фото - оно прекрасно демонстрирует различие двух технологий. Обе получены с использованием 7-нанометрового техпроцесса, но та что слева получена с использованием DUV-литографии и с теми самыми хитростями о которых мы говорили - тройное экспонирование, то есть с поэтапным использованием 3 разных масок. Справа же - технология EUV литографии на 13.5 нанометрах, с использованием одной единственной маски - разница очевидна - границы гораздо четче, лучший контроль геометрии, ну и сам процесс намного быстрее, меньше процент брака, то есть в конце концов дешевле. Вот она дорога в светлое будущее, почему бы сразу так не делать, в чем проблема?
Как работает EUV-литография
Все дело в том, что хоть EUV это та же литография, внутри в деталях все гораздо сложнее и тут ученые и инженеры столкнулись с новыми проблемами!
Сама технология экстремальной УФ-литографии начала разрабатываться в самом начале 2000 гдов. В ней используется источник, который излучает свет с длинной волны в 13.5 нанометров - то есть на нижней границе УФ-спектра, близко к рентгену!
В теории этим способом можно создавать структуры уже критических размеров - настолько маленьких, что еще чуть-чуть и на них перестанут действовать законы обычной физики. То есть после 5 нм мы попадаем в квантовой мир!
Но даже эта проблема на данный момент решена. Есть источник - возьми, да и делай себе сколь угодно маленькие процессоры.
Все совсем не так просто!
Проблема таких коротких длин волн в том, что они поглощаются почти всеми материалами, поэтому обычные линзы что были раньше уже не подходят. Что делать?
Для управления таким светом было принято решение создать специальные отражающие зеркальные линзы. И эти линзы должны быть гладкими! Очень гладкими. Практически идеально гладкими!
Вот вом аналогия - растянем линзу до размеров, скажем, Германии, так вот ее площадь должна быть такой гладкой, что ничего не должно выпирать больше чем на 1 миллиметр. Этот параметр называется шероховатостью линзы и у нужной нам он должен быть меньше 0.5 нанометра. Это уже близко к размерам АТОМА! Кто же смодет подковать блоху?
Конечно, Zeiss - только они на это способны! Да - та самая компаиня Zeiss, чьи линзы стоят на моем фотике, были в Nokia или во флагманах Sony Xperia.
Одна проблема решена - линзы есть!
Есть и вторая - этот свет рассеивается даже в простом воздухе. Поэтому для того чтобы процесс прошел нормально его надо проводить в вакууме!
Про частички пыли и грязи я вообще молчу - понятно что их там вообще не должно быть. Чистые комнаты на таком производстве на порядки чище, чем операционные в больницах! Люди буквально ходят в скафандрах. Любая, даже самая маленькая частичка грязи кожи воздуха может испортить и маску и зеркала!
А что же с источником? Просто поставили специальный лазер на более короткую длину волны и все? Проблема в том, что ни лампочек, ни лазеров, ни каких-либо других нормальных источников света, которые излучают на такой длине волны просто не существует в природе.
И как же тогда получают нужное излучение? Элементарно, Ватсон - нам нужна плазма.
Надо нагреть оловянный пар до температур в 100 раз больших, чем температура поверхности солнца! Всего-то! И за этим стоит почти 2 десятилетия разработок.
В установке для производства процессоров по EUV-литографии, о которой мы поговорим отдельно установлен специальный углекислотный лазер, который опять же может производиться в тандеме всего двух компаний в мире - немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. Этот монстр мощностью в 30 киловатт стреляет по 2 импульса с частотой 50 килогерц.
Лазер попадает в капли олова, первый выстрел фактически плющит и превращает каплю в блин, которая становится легкой мишенью для второго залпа, который ее поджигает. И происходит это 50 тысяч раз в секунду! А образовавшаяся плазма и излучает этот свет в экстремальном УФ спектре.
И естественно, это только самая база, но мы попробовали нарисовать вам картину того насколько это сложный и крутой процесс.
Компания, стоящая за производством всех процессоров
О технологии рассказали, значит ее кто-то придумал и реализовал,но ее разработка оказалась настолько дорогой, что даже крупные гиганты и воротилы не способны потянуть такие бюджеты!
В итоге, чтобы это стало реальностью всем пришлось скинуться - Intel в 2012 году, а TSMC и Samsung где-то в 2015 году приняли участие в общем проекте. Суммарные инвестиции составили, по разным оценкам от 14 до 21 млрд долларов! Из которых почти 10 млрд были вложены в одну единственную нидерландскую компанию ASML. Именно она и стоит за всем производством процессоров в мире по методу EUV-литографии! Вау! Что за ASML и почему мы о ней ничего не слышали? Компания из Нидерландов - что за темная лошадка?
Все дело в том, что ASML создали тот самый инструмент без которого Apple, Самсунг и Intel с AMD фактически как без рук! Речь идёт об установке стоимостью более 120 миллионов долларов. Она огромная, 180-тонная, потребляет почти 1 мегаватт электроэнергии, и ей нужно почти 1.5 тонны воды в минуту для охлаждения! Но даже при такой цене очереди на них стоят годами ведь в год этих машин производится несколько десятков штук.
Тут же стоит упомянуть немалый вклад российских умов. Например, один из создателей этой технологии - Банин Вадим Евгеньевич, сейчас директор по разработке в ASML. Также в компании работают и другие наши соотечественники!
Мы выяснили, что эта компания делает одни из самых технологичных девайсов, в котором собраны все знания человечества и на них производят процессоры все IT-гиганты сразу!
Но не только ASML стоит за спиной нам известных IT-гигантов. Их установки состоят из более чем 100 тысяч деталей, которые производятся более чем тысячей компаний по всему миру. Все эти компании связаны друг с другом!
Будущее
Но что же будет дальше! Вы что - думали, что мы оставим вас оставим в дне сегодняшнем? Нет - мы подглядели в будущее! Мы раздобыли информацию что будет после пяти или даже двух нм!
Во-первых, прямо сейчас, пока вы смотрите это видео TSMC уже штампует новые процессоры для HUAWEI, Apple и Samsung с использованием EUV-литографии, но не на 7 нм, как было с Apple A13 и Kirin 990, а на 5 нм техпроцессе! И этому есть множества потверждений! И о них мы услышим уже этой осенью. Как вам такое - A14 Bionic будет 5нм! Так же ждем новые Exynos на 5нм и процессоры Google, о которых мы рассказывали отдельно! Qualcomm наверняка тоже подтянется за ними, но тут мы не располагаем данными!
А во-вторых, и это вообще взрывает мозг, ASML уже заканчивает разработку установок, которые позволят производить процессоры на 2 нанометровом техпроцессе и даже меньше всего через 4-5 лет!
Для этого ребята из нидерландской компании совместно с немецкой Zeiss разработали новые зеркальные линзы, с высокими значениями апертуры. Это анаморфная оптика - она и многое другое позволит увеличить разрешающую способность.
Сам процесс по сути тот же EUV, но с приставкой High-NA EUV. А сами агрегаты буду занимать еще большие размеры, посмотрите вот так для них делают оптику!
Этот год тяжелый для всех, но в тоже время - посмотрите какими шагами начинают развиваться технологии, все шире и шире. Нас ждут новые процессоры с мощностями, которые нам и не снились.
Кроме этого развиваются совершенно новые типы процессоров такие как NPU - для нейровычислений.
Для тех, кто скажет "рынок должен сам и без государственных вложений" можно ответить так: на современные архитектуры процессоров западные компании потратили миллиарды долларов. Логично, что в отстающую отрасль в России никто кроме государства таких денег вкладывать не будет и она либо будет отставать дальше (и умрет), либо подтянется на уровень обеспечения технологической независимости для оборонных и государственных структур.
Сегодня появилась информация, что на разработки процессоров Байкал (ARMv9) государство потратит 9.44 миллиарда долларов, а на создание «Эльбрус-32С» дадут 7.1 миллиарда. В данном случае это исключительно оборонный заказ, а в качестве архитектуры используется отечественная NeuroMatrix.
Новому процессору Baikal-L достанется 3.8 миллиарда рублей. Они поступят напрямую из Минпромторга, а сам камень выполнен на 12-нм архитектуре ARMv9. Предположительно, первые инженерные камни будут доступны уже в 2023 году, а коммерческие модели лягут в основу ноутбуков корпоративного класса, а также компьютеров и лэптопов для обычных пользователей. Важно учитывать, что цена указанных выше моделей будет аналогична иностранным аналогам, что позволит закупать их не только для военных, но и для школ и других государственных ведомств.
Ещё более внушительным обещает стать Baikal-S2 на архитектуре ARMv9. Он будет создан на базе 6-нм технологического процесса, а в качестве инвестиций Минпромторг готов выделить 5.64 миллиарда рублей. Процессор будет доступен для решения более сложных задач. Это и облачные вычисления и развёртывание серверов для предприятий и банковской сферы. Первый инженерник Baikal-S2 будет доступен в 2025 году. По словам представителей «Байкал Электроникс», всего на новую линейку потратят внушительные 23 миллиарда рублей. При этом на конец 2021 года количество выпущенных чипов текущего поколения составит 130 тысяч единиц, ну а к 2025 году производство будет расти и достигнет 600 тысяч.
По словам экспертов, сегодня ключевой задачей является создание инфраструктуры, способной принять все наработки отечественной полупроводниковой отрасли. Нужно подготовить отвечающее высоким требованиям антивирусное ПО, операционную систему и десятки других программ. Всё это сегодня больше напоминает хаос, который никто не контролирует. Возможно, именно выделение таких немалых сумм даст толчок, что позволит российским процессорам войти в следующее десятилетие наравне с западными конкурентами.
Читайте также: