Самый маленький процессор в мире нм
Обновлено: 04.07.2024
У Intel много собственных фабрик, разбросанных по всему миру, но это ничуть не помогает в деле освоения техпроцессов более тонких, чем нынешние 14- и 10-нанометровые. Как результат, компания теряет долю на многих рынках, уступая ее AMD. «Красные» теснят «синих» не только в мобильном и настольном пользовательских сегментах, но и в серверном тоже. В Intel за несколько лет так и не придумали, как можно решить проблему собственными силами, и поэтому обратились к контрактному производителю — TSMC. Об этом пишет китайский источник, причем информация подается как уже свершившийся факт.
Итак, согласно новым данным, компании уже заключили партнерское соглашение, в рамках которого TSMC будет производить не только центральные, но и графические процессоры Intel! Для этого задействуется сначала 7-нанометровый техпроцесс (в текущем году), а в следующем году — его «оптимизированный 6-нанометровый вариант». TSMC, как известно, слухи никогда не комментирует, Intel тоже хранит официальное молчание.
TSMC — ключевой поставщик микропроцессоров для многих компаний, в нынешнем году ее мощности очень сильно загружены, причем от своих текущих заказов компания явно не собирается отказываться. Где же взять дополнительные мощности для производства CPU и GPU Intel? В этом вопросе Intel помогла. администрация США, запретившая производить однокристальные системы Kirin для Huawei: запрет вступает в силу 14 сентября, и с этой даты освободившиеся мощности (а большинство SoC выпускалось как раз по техпроцессу 7 нм) можно будет отдать под производство CPU Intel. По слухам, Intel планирует зарезервировать у TSMC производство 180 000 подложек для 6-нанометровых графических процессоров. Если так, то объем производства CPU будет никак не меньше.
Интересно, что сотрудничество Intel и TSMC начинается на фоне наращивания производства 7-нанометровых CPU и GPU AMD. Теоретически, AMD сама претендует на мощности, на которых пока еще производятся SoC Kirin для Huawei, но насколько ей это удастся договорится по этому вопросу с TSMC (и удастся ли вообще) — вопрос. Все-таки Intel — такой же крупный клиент, как и AMD. Но источник нисколько не сомневается в том, что и Intel, и AMD будут конкурировать за производственные мощности TSMC.
К слову, что касается собственных заводов Intel, то тут никаких хороших новостей: компания продолжит полировать 10-нанометровый техпроцесс так же, как сделала это с 14-нанометровым. У последнего, напомним, три версии — 14 нм, 14+ нм и 14++ нм, и точно такая же участь ждет 10-нанометровый техпроцесс. В итоге и пользовательские CPU Adler Lake, выходящие в 2021 году, и серверные Sapphire Rapids, увы, будут лишь 10-нанометровыми.
Snapdragon 865, Apple A13 bionic, новый Ryzen от AMD. Отовсюду нам кричат про 7-нанометровый техпроцесс в смартфонах и ПК! Чем это отличается от знакомых 10 и 14 нанометров? Как влияет на батарейку, производительность, нагрев? А тут еще и Samsung с Google анонсируют процессоры на 5 нм, кто-то уже вообще говорит о 3 нм.
А где вообще Intel? Только что еле-еле переползли на 10 нм?
Мы решили узнать, что измеряют эти нанометры? И так ли важно ими мериться или это просто маркетинг? И реально ли Intel так безбожно устарел?
Прежде чем перейти к процессорам в наших смартфонах и компьютерах, немного основ как устроен процессор?
Знакомьтесь — это транзистор! Ключевой элемент всех процессоров. Фактически транзистор — это переключатель. Ток течет через него — это 1, ток не течет — это 0. Это и позволяет считать в двоичной системе — основа всех процессоров!
Раньше транзисторами были вакуумные лампочки. Условно — горит или не горит: единица или ноль.
Таких лампочек нужно было очень много, чтобы всё как-то работало. Например, компьютер ENIAC 1946 года, который участвовал в создании водородной бомбы насчитывал 17,5 тысяч вакуумных ламп и весил 27 Тонн, занимая 167 квадратных метров. При этом он жрал 150 кВт электричества.
И тут один из ключевых моментов, на который стоит обратить внимание. Еще раз повторю энергопотребление у этих 17,5 тысяч лампочек составляло 150 кВт.
Но в начале 1960-х случилась революция — изобретение и начало производства полевых транзисторов. Как раз у них исходным полупроводником является кремний — отсюда и всем известная силиконовая, кхм, то есть Кремниевая долина!
И тут понеслось! Размеры транзисторов уменьшились настолько, что они стали потреблять существенно меньше электричества и занимать меньше места. И количество транзисторов в вычислительной технике начало увеличиваться с огромной скоростью! А вместе с ним и мощность вычислительных систем!
В первом промышленном процессоре Intel 4004, который был выпущен в 1971 году было 2250 транзисторов.
А сейчас например в A13 Bionic этих транзисторов 8.5 миллиардов — это больше чем людей на планете! Ну пока…
Но на сколько вообще уменьшились современные транзисторы, насколько они маленькие? Простое сравнение легкое для понимания — например, с человеческим волосом!
На его срезе можно разместить почти 1.5 миллиона современных транзисторов сделанных по 7-нанометровому техпроцессу!
То есть у вас на толщине человеческого волосе можно разместить в 4 раза больше транзисторов, чем было в процессоре Intel 4004!
Почему же надо уменьшать? Тут все более-менее очевидно!
Во-первых, чем меньше транзистор — тем меньше он потребляет энергии. Вы уже это поняли на примере ламповых.
А во-вторых — их больше помещается на кристалле, а значит растёт производительность. Двойная выгода!
И тут мы переходим к понятию техпроцесса или Technology Node — что же это такое?
Если максимально упростить, то значением техпроцесса исторически являлась минимальная длина канала транзистора — как видно на картинке — не стоит его путать с размерами транзистора целиком.
То есть, чем меньше размер техпроцесса — тем лучше — это нам и пытаются донести компании, но так ли всё просто?
И тут важно другое: транзисторы бывают разные и они отличаются не только по размеру, но и по своей структуре.
Классические, планарные или плоские, транзисторы перестали использоваться относительно недавно — в 2012 году. Они уступили место трёхмерным транзисторам, где вытянули канал в третье измерение, уменьшив его толщину и тем самым уменьшив сам транзистор. Такая структура называется FinFET — они и используются сейчас.
Данная технология очень помогла уменьшить размер транзисторов и главное — сильно повысила количество транзисторов на единицу площади, что и является одним из ключевых показателей для производительности!
Но означает ли сегодня понятие техпроцесс тоже самое, что и несколько лет назад?
Во всей индустрии прослеживалась очень важная тенденция — каждый следующий техпроцесс был меньше предыдущего на 30%, что помогало удвоить количество транзисторов при сохранение того же энергопотребления — например 130*0.7=90 нм, 90*0.7=65 нм, далее до 45 нм, 32 нм, и так далее.
И это пока соответствует Закону Мура:
Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
Что же стоит за этой игрой чисел?
Мы уже выяснили, что техпроцесс — это размер затвора транзистора, то есть длина канала, который пропускает или не пропускает через себя ток и этот размер ключевой!
Но оказывается это истинно, только если мы говорим о старых 32 нм — там все точно, хоть линейкой измеряй! И этот параметр был закреплен документально!
Но так было до 2009 года, когда из так называемого “Международного плана по развитию полупроводниковой технологии” было исключено понятие техпроцесса и его обозначения!
Простым языком — цифры указанные в тех процессе сегодня — это просто маркетинговый лейбл!
Производители пошли вразнос и начали называть всё подряд 10, 7 и вообще 5 нанометрами, а кто-то уже говорит и о 3 нанометрах! Можно всё это ставить в кавычки, как простое обозначение поколения процессоров!
Вот вам например структура процессора Apple A12, произведенного на заводе TSMC по 7- нанометровому техпроцессу. Обратите внимание на шкалу масштаба в левом нижнем углу.
Если сравнить масштаб и посчитать, то получается, что ширина канала — 8 нанометров, при том, что официально процесс называется 7-нанометровым.
Теперь давайте сравним 10-нанометровый процесс у Intel и 7-нанометровый у TSMC.
Кстати, знайте, что сегодня TSMC это компания, которая производит процессоры для AMD, а также делает Apple A13 и Snapdragon 865 — поэтому считайте, что мы сравниваем сразу все их чипы.
Обратите внимание на размерность. Сразу видно, что те же 10нм у Intel почти такие же как 7 нанометров у TSMC! Так что выходит Intel не так уж отстали от AMD и других производителей — они просто проиграли маркетинговую битву? Тут тоже все не так однозначно!
Внезапно по некоторым параметрам Intel даже выигрывают у TSMC.
Смотрите на 1 квадратный миллиметр 10нм кристалла Intel помещается примерно на 5 процентов больше транзисторов, чем на 7нм у того же Apple, Qualcomm или AMD.
Но при этом у повышенной плотности есть и минусы — увеличенный нагрев!
Значит получается что кристаллы Intel мощнее, но за счет плотности они больше греются. Таким образом, мы получаем тот самый пресловутый троттлинг.
А процессоры производства TSMC — Apple Qualcomm и AMD выигрывают именно за счет более просторного расположения транзисторов примерно тех же размеров.
Как они это делают — это скорее вопрос внутренней архитектуры, а не циферка, которая стоит в названии тех процесса.
Не думайте, что я забыл про архитектуру N7FF+ — да она еще плотнее чем у Intel, но если говорить о чипах серия AMD Zen 2, Applу A13, Snapdragon 865 — все сделаны на основе TSMC 7FF и она проигрывает в плотности Intel.
Единственный процессор, который уже производится по новой технологии N7FF+ с использованием экстремальной УФ-литографии — это Kirin 990 5G. Тут конечно плотность транзисторов сильно возрастает — аж на 15 процентов!
По идее производители просто идут по немного разному пути и если заглянуть в будущее, то становится понятно по какому: вот вам табличка того как все будет — чипы следующего поколения.
Нас интересует строчка про плотность транзисторов на 1 квадратный миллиметр!
По этим данным Intel более чем на 30 процентов обходит и Samsung, и TSMC в плотности транзисторов — и это при том, что тут мы сравниваем уже 7 нм у одного производителя и 5 у другого.
Откуда такой прирост? Как возможно такое повышение плотности — процы просто будут взрываться или работать только с навороченными система охлаждения?
Не совсем так. Все дело в том, что Intel планирует перейти на транзисторы совершенно другой структуры — под названием HNS — Horizontal Nano Sheets — это и позволит сделать скачок!
Но похожие планы есть и у Samsung — они идут немного в другую сторону к структуре Gate-All-Around FET.
Вот как это выглядит в реальности — не так симпатично, но вы только подумайте о том, какие они маленькие!
В итоге мы поняли, что за маркетинговыми названиями 7 нм и 5 нм скрывается битва архитектур, а в будущем мы сможем выяснить чей же путь был верным.
Что можно сказать абсолютно точно — нас ждёт огромный скачок среди всех чипов как мобильных так и десктопных уже в течение ближайших нескольких лет.
На этой ноте не хочется заканчивать тему процессоров, ведь мы изучили немало информации и документов, в том числе разобрались в процессе производства. Например, вы слышали о таком процессе Экстремальная Ультрафиолетовая Литография? Если на пальцах, это какая-то фантастика — капля олова превращается в плазму после попадания лазера: именно так создаются современные процессоры. Но сами установки может создавать только одна компания в мире и все гиганты от нее зависят.
Для этого компания сменила традиционный кремний на висмут и сульфид молибдена.
Один из крупнейших производителей процессоров, тайваньская компания TSMC объявила о прорыве в освоении технологического процесса величиной один нанометр. Это в 5-7 раз меньше техпроцесса, который используют в современных процессорах AMD, Samsung и Apple. Для преодоления рубежа в 1 нм TSMC привлекла специалистов из сильнейших американских вузов и Национального университета Тайваня.
Размер технологического процесса показывает, насколько мелкими масштабами может оперировать оборудование, на которых производят процессоры. Сейчас процессоры для смартфонов, ноутбуков и компьютеров делают на техпроцессе 5-7 нанометров. Это всего в 80-100 раз больше размера отдельных атомов. В 2022 году TSMC планирует перейти на техпроцесс в три нанометра.
Уменьшение техпроцесса позволяет уместить в процессор больше транзисторов. В целом, чем меньше техпроцесс — тем выше производительность процессора и тем меньше он потребляет энергии при работе.
Чтобы покорить рубеж в 1 нм, исследователи заменили привычный для процессоров кремний на висмут и сульфид молибдена. Из них изготовили «двумерные» транзисторы, толщина которых составляет один или несколько атомов. Ранее такие транзисторы не могли заставить передавать ток друг другу, но оказалось, что для этого достаточно было подобрать нужные материалы.
Правда, из полученных транзисторов пока нельзя собрать полноценную электронную схему, это лишь опытные образцы. Так что до внедрения техпроцесса 1 нм в производство пока далеко. При этом IBM недавно выпустила первую готовую пластину с процессорами на техпроцессе 2 нм. Они обещают снижение энергопотребления на 75% или повышение производительности на 45% по сравнению с 7-нанометровыми чипами.
это в семь раз меньше, чем у нынешних процессоров
Да, Никита, техпроцессы именно так и считаются
Ну и в чем он не прав
В том что цифра в техпроцессе говорит только об использовании наиболее свежей архитектуры и по сути является маркетинговой уловкой, при чем очень успешной. Не особо разбирающиеся любители поустраивать срачи любят приводить в пример 7нм процы у AMD как преимущество перед 14нм у Intel, хотя в интернете достаточно сравнений явно демонстрирующих, что плотность транзисторов и их размер в обоих случаях примерно одинаковы. Более того Intel кажется еще в 2009 году предлагала ввести единый стандарт сертификации техпроцессов, но не случилось
Совсем распустились без Дамира
Я кстати, пытался обсуждать с Дамиром полупроводниковое производство на сходке, он он выглядел не очень заинтересованным)
А что случилось с Дамиром?
Комментарий удален по просьбе пользователя
Наконец-то техпроцесс достиг размера моего члена
Такими темпами они скоро добьются результата равного толщине колбасы, которую нарезает тетя Сара для гостей
Сейчас процессоры для смартфонов, ноутбуков и компьютеров делают на техпроцессе 5-7 нанометров или 5-7 миллиардных долей метра
Или же 5-7 десятитриллионных долей километра
Комментарий удален по просьбе пользователя
Или в площадях Техаса
Это в 3 миллиона раз меньше, чем диаметр одноцентовой монеты
Проблема с 2D-материалами в том, что место контакта между полупроводником и металлом обладает высоким сопротивлением и ухудшает токовые характеристики транзисторов. Исследователи из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли, компании TSMC, Национального университета Тайваня и ряда других организаций смогли подобрать правильное сочетание материалов, которое обеспечило все нужные характеристики «двумерных» транзисторов.
Всё оказалось просто. Снижение сопротивления на границе перехода между двумерным полупроводником в лице сульфида молибдена (MoS2) и металлическим контактом для соединения с другими цепями электронной схемы произошло при контакте материала с полуметаллом висмутом (Bi). На границе раздела материалов, как сообщают учёные, отсутствовал энергетический барьер (барьер Шотки), который мог бы препятствовать свободному прохождению электронов — течению электрического тока.
Из данного исследования был сделан вывод, что электрический контакт между MoS2 и Bi — это вполне рабочее решение для создания транзистора n-типа. Решения для создания аналогичного транзистора p-типа у исследователей пока нет, так что полноценной электронной схемы из 2D-материалов пока не создать.
Компания Samsung Electronics в рамках мероприятия International Solid State Circuits Conference (ISSCC) в Сан-Франциско анонсировала первые в индустрии мобильные процессоры с 10-нм топологией. О них рассказал президент полупроводникового бизнеса компании Ким Ки-нэм (Kim Ki-nam), сообщает ресурс G 4 Games.
Анонсировав новую топологию, Samsung объявила о своей приверженности следовать дальнейшему уменьшению топологической нормы. Однако до конца 2015 г. новые процессоры вряд ли появятся — они не выйдут на рынок, пока не будет исчерпан ресурс 14-нм нормы, пишет издание.
О начале серийного выпуска процессоров на базе 14-нм технологии, Exynos 7 7420, компания Samsung объявила меньше недели назад. Новая технология позволяет получить до 20% более высокую производительность и снизить потребление энергии до 35%, заявил производитель. Предполагается, что одним из первых смартфонов с процессором Exynos 7 7420 станет новый флагман Samsung Galaxy S6, а также его компаньон с изогнутым дисплеем Galaxy S6 Edge.
Что же касается 10-нм чипа, то одним из первых устройств на его основе, как предполагает G 4 Games, станет будущий флагман, преемник еще не презентованного Galaxy S6. Его выход может состояться в 2016 г.
Глава полупроводникового бизнеса Samsung не уточнил, какие преимущества даст новый техпроцесс, но заявил, что этот переход сыграет важную роль на рынке интернет-устройств. Он также сообщил о намерении компании применить 10-нм техпроцесс в производстве чипов DRAM (для оперативной памяти) и NAND (для энергонезависимой памяти). Переход на меньшую топологию позволит увеличить объемы хранимых данных в прежней единице площади.
Samsung заговорила о 10-нм процессорах, едва запустив массовое производство чипов на базе 14-нм топологии
Samsung — не единственная компания, объявившая о готовности перейти на 10-нм норму в ближайшие годы. Корпорация Intel на днях объявила о намерении выпустить чипы на базе такого техпроцесса в конце 2016 г. или начале 2017 г. Более того, затем она планирует перейти к 7 нм. Но для этого кремний уже не подойдет, в чипах придется использовать другие полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия-индия.
Напомним, что недавно Samsung отказался от использования в своем будущем флагмане процессора Qualcomm Snapdragon 810, сославшись на его избыточное тепловыделение. СМИ предполагают, что Samsung сфабриковала аргумент, чтобы увеличить продажи собственного полупроводникового бизнеса, тем более что LG, HTC и Xiaomi новый чип Qualcomm вполне устроил. Snapdragon 810 изготавливается на базе 20-нм техпроцесса (в отличие от 14-нм в Exynos 7 7420).
Согласно Semiconductor Industry Association, в 2014 г. мировые продажи полупроводников составили $335,8 млрд, что на 9,9% больше, чем в 2013 г. При этом Samsung, согласно IHS, занимает второе место по объему продаж после Intel. В 2014 г. компания незначительно (с 10,3% до 10,9%) увеличила свою рыночную долю, сократив разрыв с лидером.
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.
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.
Читайте также: