литография процессора 14 нм что это
Разбираем мифы о техпроцессах 14 и 7 нм с техноблогером der8auer и размышляем о будущем индустрии
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.
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
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.
14-нанометровая технология Intel®
14-нанометровая технология Intel®
Используется для производства широкого ассортимента продукции: от высокопроизводительных компьютеров до систем с низким энергопотреблением
Для массового производства применяется соответствующий требованиям процесс
Благодаря использованию трехмерных транзисторов Tri-Gate 2-го поколения 14-нанометровая технология обеспечивает невероятно высокую производительность, энергоэффективность, плотность и оптимальную стоимость каждого транзистора. Эта технология используется для производства широкого ассортимента продукции: от высокопроизводительных систем до систем с низким энергопотреблением.
Благодаря использованию трехмерных транзисторов Tri-Gate 2-го поколения 14-нанометровая технология обеспечивает невероятно высокую производительность, энергоэффективность, плотность и оптимальную стоимость каждого транзистора. Эта технология используется для производства широкого ассортимента продукции: от высокопроизводительных систем до систем с низким энергопотреблением.
Невероятно быстрые энергоэффективные устройства на базе технологий Intel
14-нанометровые транзисторы повышают производительность и сокращают мощность утечки для широкого ассортимента продукции: от мобильных устройств до серверов. 14-нанометровая производственная технология Intel® используется для производства широкого спектра продукции: от высокопроизводительных систем до систем с низким энергопотреблением, включая серверы, персональные компьютеры и продукцию для Интернета вещей.
Посмотрите видео, в котором сотрудник корпорации Intel Марк Бор (Mark Bohr) рассказывает о новой 14-нанометровой транзисторной технологии и о том, как каналы транзисторов tri-gate, которые стали выше и тоньше и располагаются ближе друг к другу, обеспечивают более высокую производительность, меньшее энергопотребление и продолжительное время автономной работы для расширения возможностей компьютеров.
Что такое техпроцесс в микрочипах и как он влияет на производство полупроводников
Содержание
Содержание
Одна из главных характеристик процессоров и других микрочипов — техпроцесс. Что означает этот термин и насколько он влияет на производительность — разберемся в этом блоге.
Что такое техпроцесс
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.
Как на самом деле делают процессоры? РАЗБОР
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.
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.
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. Именно 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 длины волны в 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 можно 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 годов. 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 квантовый 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 вам аналогия — растянем линзу до размеров, скажем, Германии, так вот ее поверхность 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 сможет подковать блоху?
Конечно, Zeiss — только они на это способны! Да — та самая компания 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 или 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 идет 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 тысячью 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 подтверждений! И о них мы услышим уже этой осенью. Как вам такое — A14 Bionic будет 5нм! Так же ждем новые Exynos на 5 нм 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 будут занимать еще больше места, 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.