Техпроцесс процессора что это
Обновлено: 06.07.2024
Одна из характеристик, о которой вы могли слышать, выбирая ЦПУ - это техпроцесс, измеряемый в нанометрах, и чем он меньше - тем лучше. Просто посмотрите на заголовки технических новостей, и вы увидите множество историй о том, как производители чипов стремятся впихнуть все больше и больше маленьких транзисторов в свои процессоры. Большее количество транзисторов означает лучшую производительность и эффективность, потому что электронам не нужно преодолевать долгий путь до каждого транзистора, чтобы они включались и выключались, быстрее обрабатывая информацию. Но отражает ли техпроцесс всю полноту картины?
Изначально техпроцесс обозначал длину затвора транзистора. Эта часть фактически контролирует поток электронов от истока к стоку. Такой подход для определения размера транзистора был достаточно точным, вплоть до примерно 1997 года, когда был популярен техпроцесс 350 нм. Причина почему это важно, заключается в том, что когда вы удваиваете количество транзисторов в чипе, справедливо ожидать примерно в два раза большей производительности, при заданном размере кристалла. На протяжении долгого периода времени, такое "удвоение" происходило с предсказуемой периодичностью, и сформировало закон Мура - количество транзисторов в чипе будет удваиваться примерно каждые два года. Это позволило производителям чипов следовать легкой последовательности в именовании каждого техпроцесса, потому что они могли ожидать, что каждый последующий будет меньше, примерно на коэффициент 0.7.
Откуда взялся коэффициент 0.7?
По своей форме, транзисторы практически квадратные, и, если вы умножите 0.7 на 0.7, то получите 0.49, что примерно равно половине. К примеру, когда индустрия перешла от процесса 1000 нанометров к техпроцессу 700 нанометров, то это достижение позволило примерно вдвое увеличить количество транзисторов, которое можно было уместить на заданной площадь, даже несмотря на то, что число в названии процесса уменьшилось только на коэффициент 0.7. Проблема в том, что в 1997 году, производители смогли начать уменьшение длинны затвора в более чем 0.7 раза, в то время как другие части транзисторов уменьшались уже не так быстро.
Поэтому длина затвора перестала быть хорошим показателем для определения общей плотности транзисторов внутри чипа, а, следовательно, и производительности. Вместо прямого изменения схемы наименования, мы начали видеть, что техпроцесс стал определяться размером группы транзисторов - размером ячейки. Это было сделано для того, чтобы дать людям возможность оценить эквивалентный уровень учета вычислительной мощности для частей, размер которых снижался не так значительно.
Первым техпроцессом, который мы увидели с такой схемой наименования, стал процесс 250 нанометров. Производительность была примерно вдвое выше, по сравнению с прошлым поколением, как вы могли и ожидать исходя из названия, но длина затвора на самом деле была примерно 190 нанометров, что значительно меньше. Просто были и другие причины, мешающие упаковывать транзисторы более плотно. Такая ситуация, с площадью ячеек продолжалась примерно до 2012 года, и техпроцесса 22 нанометра, когда был представлено новое направление в проектировании - FinFET.
Производители чипов обнаружили, что при таких размерах, затворы были настолько малы, что электроны могли просто протекать сквозь них из-за туннельного эффекта . Это может вызывать нежелательное поведение. Поэтому инженерам был необходим способ сделать свои чипы более производительными, без дальнейшего уменьшения размера затворов. Решение состояло в том, чтобы взять канал, через который проходят электроны, и поднять его, как плавник акулы ( от англ. Fin, поэтому и название FinFET ), увеличивая площадь поверхности канала и позволяя проходить большему количеству электронов.
Это также означало, что транзисторы теперь стали трехмерными, а не плоскими, что еще больше затруднило измерение их точного размера. В настоящее время, в индустрии продолжают использовать коэффициент 0.7 для описания улучшения в поколениях, например, при переходе от 14 к 10 и к 7 нанометрам. Однако, правда заключается в том, что эти цифры, на самом деле больше не отражают реальный размер транзистора и они даже могут сильно варьироваться между собой у разных производителей.
Intel, к примеру, пытается измерить техпроцесс, взяв среднее значение двух, наиболее распространенных, стандартных размеров ячеек. Хотя, на самом деле, наиболее важным фактором является плотность транзисторов. Это показатель того, насколько много транзисторов может быть упаковано в заданной площади, без уменьшения размерах фактических функций транзистора.
В дополнении к плотности, производители чипов также используют другие техники, такие как улучшенные материалы для повышения производительности. Это может включать в себя все: от сжатия кристаллической структуры канала для ускорения прохождения электронов к путям с меньшим сопротивлением между транзисторами до применения материалов затвора с высокой диэлектрической проницаемостью для лучшего контроля потока электронов.
И конечно, этот процесс может потребовать некоторых проб и ошибок. Известные трудности Intel с их техпроцессом 10 нанометров, были в значительной степени вызваны желанием побороть ограничения. Другими словами, уместить большее чем в 2 раза количество транзисторов на той же площади, что потребовало от них испытания множества новых технологий внутри чипа одновременно, и в конечном итоге привело к задержкам и производственным проблемам. Однако, поскольку технологии продолжают совершенствоваться, производители чипов, похоже, готовы следовать закону Мура, даже если он стал немного медленнее или вообще как-то работает. Вместе с тем, компании продолжают использовать кремний в качестве основного материала для процессоров в течение длительного времени, и должно пройти какое-то время, прежде чем мы действительно начнем рассматривать более экзотические решения, такие как углеродные нанотрубки.
В любом электронном устройстве, которыми мы пользуемся каждый день, есть множество чипов, каждый из которых состоит из еще большего множества транзисторов. В новостях о новых смартфонах, процессорах, видеокартах и прочей электронике можно часто встретить термин «техпроцесс» и указание количества нанометров. Что обозначает этот термин? Давайте разберемся вместе.
Для примера можно взять обычный процессор для настольного компьютера — принцип будет одинаковым и для него, и для чипсетов смартфонов, и для чипов видеокарт, и для всех остальных чипов.
Под теплораспределительной панелью, которую вы видите на картинке выше, размещен сам кристалл процессора. Он состоит из миллиардов микроскопических транзисторов, расстояние между которыми и определяет техпроцесс. Так, Intel сейчас выпускает процессоры на базе 10 нм техпроцесса (компания никак не может наладить производство 7 нм чипов), а TSMC — чипсеты для мобильных девайсов на базе 7 нм техпроцесса (Apple A12, Kirin 980 и Snapdragon 855). При этом технологии производства у них заметно отличаются: Intel со своими 10 нм может размещать на одном квадратном миллиметре площади до 100 млн транзисторов, а TSMC со своими 7 нм — лишь 66 млн.
Что же дает постепенное уменьшение (оптимизация) техпроцесса из года в год? В основе всех преимуществ — уменьшение расстояния между транзисторами, что позволяет им быстрее передавать данные и тратить на их передачу меньше энергии.
Таким образом, процессоры на одинаковой архитектуре, но произведенные с использованием разного техпроцесса, будут отличаться в следующих аспектах:
-тактовая частота (повышение производительности);
-потребление энергии;
-возможное увеличение количества ядер;
-снижение себестоимости производства;
-больше кэш-памяти, для которой на кристалле можно выделить больше места.
Краткая история развития техпроцесса
Компьютерные чипы, которые производили в семидесятых годах прошлого столетия, использовали техпроцессы, измеряемые в микронах (мкм) — 10, 8, 6, 4, 3 и 2 мкм. Каждые три года происходило уменьшение примерно в 0.7 раз. Так, 3 мкм техпроцесс начали использовать в 1975 (Zilog) и 1979 (Intel) годах.
Дальнейшее уменьшение шло довольно быстро: в 1982 году Intel достигла отметки в 1.5 мкм, в 1989 — 0.8 мкм, в 1994 — 0.6 мкм. После середины девяностых и до 2008 года каждые два года плотность транзисторов удваивалась. В 1997 Intel, IBM и TSMC достигли 350 нм, в 1998 инженеры Intel смогли освоить 250 нм, а в 1999 — уже 180 нм.
Ниже 100 нм порог снизился уже в начале «нулевых» — так, Intel Pentium 4 на архитектуре Prescott использовал техпроцесс 90 нм. Уже к 2004 году была достигнута отметка в 65 нм (Intel Core, Core 2 Duo, Celeron D и множество других процессоров), а в 2006 — 40 / 45 нм (AMD Phenom II, Athlon II и другие).
Следующая ступень эволюции была довольно высокой — техпроцесс 32 / 28 нм Intel начала использовать лишь к 2011 (TSMC — чуть раньше, в 2010). Еще раз вдвое (22 / 20 нм) плотность увеличили уже к 2012.
В 2014 году основные игроки на рынке начали использовать в производстве микрочипов 14 / 16 нм техпроцесс и технологию FinFET (транзисторы нового типа — с вертикально расположенным затвором, который занимает еще меньше места). Первые 14 нм процессоры Intel появились в продаже уже в 2015. В 2016 на рынке появились iPhone с чипами Apple A10 (16 нм).
Переход на 10 нм начался в 2017 — этот техпроцесс используют в процессорах Apple A11 Bionic, процессорах Intel Cannon Lake и Ice Lake, а также в Qualcomm Snapdragon 835 и Snapdragon 845.
Наконец, в 2018 году мобильные чипсеты начали использовать новейший 7 нм техпроцесс. Это Apple A12 Bionic, Snapdragon 855 и Huawei HiSilicon Kirin 980. Кроме того, в 2019 7 нм техпроцесс начала использовать AMD (в видеокартах Radeon VII).
Первые образцы чипов, производимых с использованием 5 нм техпроцесса, уже изготавливаются в лабораториях TSMC. О коммерческих продуктах на их основе пока никакой информации нет. При этом к 2021 Samsung уже планирует выпускать чипы с использованием 3 нм техпроцесса и технологии GAAFET.
AMD Radeon VII — первая потребительская видеокарта, которая использует 7 нм чип
Чего ждать в ближайшие годы? Энтузиасты (а уж инвесторы — в особенности) надеются на то, что Intel наконец-то сможет преодолеть такой сложный для себя порог в 10 нм. Это позволит ей наконец-то начать выпускать и значительно более экономичные и быстрые процессоры для ПК и ноутбуков, и чипсеты нового поколения для мобильных устройств. Сейчас она не может конкурировать на этом рынке с лидерами вроде Apple, Huawei и Qualcomm.
Также 7 нм техпроцесс будут использовать в видеокартах AMD и Nvidia следующих поколений. RTX 21xx должны благодаря этому стать куда быстрее и экономичнее, а AMD в следующем поколении еще и начнет использовать совершенно новую архитектуру Navi. Кстати, свои собственные видеокарты собирается производить и Intel — правда, их выхода ждать придется, скорее всего, как минимум до 2021 года.
В общем и целом, дальнейшая оптимизация техпроцесса должна сделать наши компьютеры, смартфоны, умные часы и другие устройства еще быстрее, а их время автономной работы от батареи должно будет увеличиться (при прочих равных параметрах). Кроме того, конкуренция между разными производителями (Intel, AMD, Huawei, Apple, Qualcomm и другими) и архитектурами (x86 против ARM) должна привести к постепенному снижению цен.
Стоит ли ждать следующего скачка технологий перед покупкой нового смартфона, компьютера или комплектующих? На этот вопрос мы ответим однозначным «нет», которое перестанет быть актуальным разве что перед самым анонсом девайсов нового поколения. Зацикливаться на техпроцессе как технической характеристике не стоит — куда важнее оценить нужную вам производительность и выбрать самый выгодный вариант прямо сейчас.
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.
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.
Мы уже привыкли, что помимо ядер и частот многие производители указывают и даже хвастаются техпроцессом, по которому был произведен чип. Более того, эта величина считается лучше, если она меньше — редкость для «железа». Но что это такое, техпроцесс? Как он считается? Застряла ли Intel на самом деле на 14 нанометрах? Давайте разбираться.
Минутка физики
Разумеется, без теории нам сегодня не обойтись. Итак, что же такое процессор? Грубо говоря, это скопление миллионов и миллиардов транзисторов, конденсаторов и резисторов в определенных комбинациях. Нам интересны только транзисторы — именно благодаря им наши процессоры могут выполнять вычисления.
Каким образом? Транзистор по сути — это переключатель. Если ток через него не течет, то это можно обозвать логическим нулем. Течет — единицей. Бинго, мы получили простейшую двоичную логику. И если у одного транзистора может быть только два состояния, то у двух — уже четыре, а у десяти — больше тысячи. Вот и получается, что современные CPU с миллиардами транзисторов позволяют обсчитывать все что угодно, начиная от физики в играх и заканчивая моделированием черных дыр.
Но что-то мы отвлеклись. Итак, нам нужно создать транзисторы. Много транзисторов. Не вдаваясь глубоко в подробности, получаются они путем фотолитографии: свет определенной длины волны проходит через маску и оставляет на заготовке след, который собственно и является транзистором. На деле там все куда сложнее, но это уже тема для отдельной статьи.
И вот тут мы сталкиваемся с проблемой: разрешающая способность фотолитографического оборудования конечна — но, разумеется, постоянно увеличивается. Поэтому нужно было ввести параметр, который позволял бы сравнивать процессоры, созданные различными производителями на различном оборудовании.
Процесс фотолитографии.
Так и был введен техпроцесс. И нет, он показывает не размер транзистора, как многие думают. По сути он показывает технологический предел оборудования — то есть минимальный «штрих», который лазер через маску можно оставить на заготовке. И в случае с транзисторами он совпадал с самой тонкой их частью — затвором.
Логика тут проста: если у вас есть сверло на 10 мм, вы никак не сможете сделать дырку в 5 мм. А вот в 15 или 20 мм — без проблем. С фотолитографией все аналогично: если разрешающая способность вашего оборудования, допустим, 5 микрометров (5 мкм, 5000 нм), то вы не сможете сделать затвор транзистора меньше этой величины. А сам транзистор при этом, разумеется, будет в разы больше.
Почему такой параметр как техпроцесс важен? Да потому что он по сути показывает общую технологичность процессора: чем меньше техпроцесс, тем больше транзисторов можно поместить на той же площади — а, значит, тем быстрее будет работать процессор. Более того, чем меньше транзистор, тем меньше он требует энергии для работы и тем меньше выделяет тепла.
История техпроцессов
Разумеется, на заре создания процессоров никаких проблем с уменьшением техпроцесса не было: даже не меняя лазеры, которые изначально работали на длине волны в 700 нм (красный свет), можно было уменьшать сами маски, что позволило увеличить разрешающую способность оборудования — а, значит, уменьшить затворы транзисторов — более чем в 3 раза, с 10 до 3 мкм, всего за четыре года, с 1971 по 1975-ый.
Что интересно, так как техпроцесс в те годы был больше длины волны видимого света (сотни нанометров), то можно было в микроскоп разглядеть отдельные транзисторы, например, первого коммерческого процессора Intel 4004, который работал на частоте всего 500-740 кГц:
В дальнейшем пришлось перейти на фиолетовые лазеры (400 нанометров), продолжать играться с масками, но в общем и целом никаких проблем не было: к 1985 году была преодолена планка в 1 мкм, а начало нового тысячелетия мы встретили со 130-нм процессорами с частотой выше 1 ГГц, вмещающими в себя сотни миллионов транзисторов, которые в обычный микроскоп уже не разглядишь.
Первые проблемы
Я не просто так заострил внимание на 130 нанометрах — это был последний техпроцесс, который позволял сравнивать чипы различных компаний между собой и с предшественниками, чтобы оценить энергоэффективность и рост производительности.
Первый звоночек прозвучал в начале нулевых при переходе к якобы 90-нм техпроцессу. Да, это первый условный техпроцесс: 90 нм, которые мы можем встретить в Pentium 4, указывали уже не на разрешение фотолитографического оборудования, а на то, что площадь транзистора уменьшилась вдвое по сравнению с предыдущим 130-нм техпроцессом.
А раз площадь уменьшилась вдвое, то линейные размеры должны снизиться примерно в 1.4 раза. И если вы поделите 130 на 90, то столько и получите. И 90 при делении на 65 даст тоже самое, как и деление 65 на 45. Короче говоря, пошел откровенный «подгон» под закон Мура, который говорит нам о том, что число транзисторов на интегральной схеме удваивается раз в 2 года.
Иными словами, от абсолютно четкого параметра — затвора транзистора, который точно задает «качество» литографического оборудования — в начале нулевых производители перешли к линейным размерам транзисторов, что в общем и целом является достаточно размытым показателем, который слабо связан с затвором транзистора, что исказило саму суть техпроцесса.
В итоге ближе к концу нулевых мы получили грустную картину: вроде и AMD, и Intel производят свои процессоры на схожих техпроцессах в 45 и 40 нм, да вот только Core 2 Duo оказываются гораздо энергоэффективнее Athlon на схожих частотах, что лишний раз доказывает «маркетинговость» техпроцессов уже тогда.
Отказ от понятия «техпроцесс»
Глядя на все это безумие, инженеры, которые любят четкие физические величины, в рамках «Международного плана по развитию полупроводниковых технологий» взяли и вообще отказались от техпроцесса как от технологической переменной. Иными словами, начиная аж 2009 года указанные производителями техпроцессы — чисто маркетинг, нередко без всякой физической подоплеки.
Однако еще пару лет все продолжалось как и раньше — собственно, зачем менять то, что работает? Площади транзисторов все также получалось уменьшать, чтобы соответствовать закону Мура, поэтому производители продолжали делить старые техпроцессы на 1.4 и писать новые значения.
Второй звоночек прозвенел в начале 2010-ых: если 32-нм техпроцесс еще получилось сделать, то вот переход к 22 нм вовремя вызывал уже серьезные проблемы. Решением стал переход из 2D в 3D: если снижение размера затвора ниже
30 нм приводило к тому, что разрушался сам транзистор (он начинал пропускать ток тогда, когда не надо — через такую «узкую» преграду могли туннелировать электроны), то почему бы не сделать путь для электронов длиннее, выставив на их пути кремниевый гребень?
Так и родилась технология FinFET, что дословно переводится как «плавниковый полупроводниковый транзистор». Теперь вместо того, что бежать по прямой, электронам приходилось огибать гребень (зеленый путь на схеме ниже):
При этом, как можно заметить, физические размеры затвора транзистора не изменились, а раз теперь эффект туннелирования преодолен — можно продолжать уменьшать затвор и дальше, что все с радостью и продолжили делать.
Однако проблема в том, что это убивает определение техпроцесса. Насовсем. Все дело в том, что даже если фотолитографическое оборудование может создавать меньшие линейные затворы транзисторов, их все равно делают длиннее за счет трехмерного расположения, дабы не было туннелирования. И за счет 3D сам затвор и собственно транзистор оказываются меньше. То есть теперь техпроцесс совершенно не связан с разрешающей способностью оборудования.
Современные техпроцессы: маркетинг на маркетинге
В итоге такая путаница развязала руки маркетологам. Это наложилось в том числе и на то, что даже с ухищрениями типа FinFET мы с каждым годом все ближе к предельным возможностям кремния, и создавать более компактные транзисторы (и их затворы) становится все сложнее.
Как итог, сейчас техпроцессы компании считают так, как им удобнее. Кто-то продолжает по старинке считать занимаемую площадь (ага, трехмерного транзистора — ощутили достоверность?), кто-то считает техпроцесс по количеству транзисторов (ближе к правде, но все еще из-за трехмерной структуры не то) — короче говоря, я просто оставлю схему ниже:
Хорошо заметно, что 10-нм техпроцесс Intel на самом деле не так и плох, как его малюют: он ощутимо лучше 10-нм техпроцесса TSMC и даже по некоторым параметрам лучше тайваньских 7 нм! Так что Intel даже меньше лезет в маркетинг, чем TSMC.
Временами бывает еще забавнее: ниже показано сравнение затворов транзисторов у 14-нм процессоров Intel и 7-нм решений AMD (это опять TSMC). Хорошо видно, что разница минимальна, 24 против 22 нм. Иными словами, TSMC приукрашивает реальность аж в 3 раза!
Безрадостное будущее
Думаете это все? Да как бы не так: Intel планирует перейти от FinFET к HNS, Horizontal NanoSheets, горизонтальным нанолистам. Грубо говоря, это сравнимо с обработкой одним ядром сразу двух логических потоков — теперь в одном транзисторе «гребень» разделится на несколько частей:
Думаю, вы уже поняли, что заикаться про техпроцесс тут не имеет абсолютно никакого смысла. Понятно что производители нарисуют нам и 3 нм, и 2, и может даже меньше — никакой связи с физикой тут не будет и близко.
Итог — не верьте нанометрам
Что в результате? Аж 20 лет назад техпроцессы перестали привязываться к «железу». 10 лет назад техпроцесс вообще перестал быть физической величиной. Так что в будущем, когда на презентациях вам будут вещать о новых инновационных 3-нм процессорах — улыбнитесь и дождитесь тестов, которые точно расставят все точки над i.
Читайте также: