что значит техпроцесс у процессора
7 нм против 12: о чем говорит технологический процесс процессора
В сентябре 2019 года Apple представила три свежих смартфона: iPhone 11, iPhone 11 Pro и iPhone 11 Pro Max. Их главной фишкой, конечно же, оказались камеры, общие принципы работы которых мы обсуждали в отдельном материале. Тем не менее, отдельного внимания также заслужил и процессор новинок. Их «сердцем» стал Apple A13 Bionic, который создан по 7-нанометровому технологическому процессу. Производитель гордится этой цифрой, ведь до неё добрались далеко не все конкуренты. А вот у Xiaomi Redmi 8 Pro чип MediaTek Helio G90T. У него все 12 нм, и кичиться здесь точно нечем…
Вообще, в мире высоких технологий нет ничего быстрее, чем самые проворные микросхемы — процессоры. Они умеют обрабатывать миллиарды операций в секунду, а на их производство уходит настолько много невероятных технологий, что даже становится жутко. Микропроцессоры пошли в массовое производство в 90-х годах прошлого столетия. С того времени они пережили несколько ступеней развития, апогеем которого стало начало 21 века. Именно тогда производителям открылись все основные свойства кремния, и это дало возможность получать максимальную эффективность при минимальных затратах.
Сегодня темпы развития процессоров стремительно падают. Кремниевые технологии быстро приближаются к пределу своих физических возможностей. Да, их частоты всё ещё увеличиваются, но эффективность работы находится в стагнации. Про это в разрезе смартфонов и не только мы расскажем в данной статье.
Что собой в принципе представляет каждый микропроцессор
Каждый микропроцессор представляет собой специальную интегральную схему, которая расположена на микроскопическом кристалле кремния. Этот материал используется только из-за того, что обладает свойствами полупроводников: он проводит электроэнергию быстрее диэлектриков и медленнее металлов. Его можно сделать и изолятором, который останавливает движение зарядов, и проводником, который зажигает для них зелёный свет. Этим параметром получится управлять с помощью специальных примесей.
Внутри микропроцессора нашлось место для миллионов транзисторов, которые объединены невероятно тонкими проводниками. Для их производства используют алюминий, медь и другие материалы — они предназначены для того, чтобы переваривать информацию. Из них складываются внутренние шины, которые дают процессору возможность работать с математическими и логическими операциями, а также управлять остальными микросхемами устройства в общем и целом.
Одним из самых важных параметров качества микропроцессора всегда была частота работы его кристалла. Именно она определяет число действий, которые могут выполняться за отведённое время — это зависит от того, насколько быстро транзисторы могут переходить из закрытого состояния в открытое. На это далеко не в последнюю очередь влияет технология производства кремниевых пластин — основного компонента процессоров. Чем они меньше, тем разогнать их частоту обычно можно до больших значений.
Технологический процесс, который используется при производстве микропроцессоров, влияет на их размер. Если обрезать количество нанометров, о котором сегодня все говорят, можно уменьшить габариты самого чипа. Это сделает его не только более быстрым — он будет выделять меньше тепла и расходовать меньше энергии. Данные показатели всегда были очень важны в полноценных компьютерах, но теперь выходят чуть ли не на первое место и в современных смартфонах.
Какие этапы проходят процессоры во время производства
Даже если верить «Википедии», производство процессоров можно разделить на полтора десятка этапов. Мы решили вкратце расписать каждый из них именно для того, чтобы стало понятно, насколько сложный это процесс. В реальности же он ещё более замысловатый, уж поверьте.
1. Механическая обработка. На этом этапе производитель готовит пластины проводника с определённой геометрией и кристаллографической ориентацией, которая не может отличаться от эталона более чем на 5%. Отдельного внимания также заслуживает класс чистоты поверхности.
2. Химическая обработка. В рамках этого этапа с поверхности удаляются все мельчайшие неровности, которые были созданы во время механической обработки. Для этого, а также для получения необходимых нюансов формы используют плазмохимические методы, а также жидкостное и газовое травление.
3. Эпитаксиальное наращивание. В данном случае проходит добавление слоя полупроводника — осаждение его атомов на подложку. Именно на этом этапе образуется кристаллическая структура, аналогичная структуре подложки, которая часто выполняет роль только лишь механического носителя.
4. Получение маскировки. Чтобы защитить слой полупроводника от последующего проникновения примесей, на этом этапе на него добавляется специальное защитное покрытие. Это происходит путём окисления эпитаксиального слоя кремния, которое становится возможным за счёт высокой температуры или кислорода.
5. Фотолитография. На этом этапе на диэлектрической плёнке создаётся необходимый рельеф. Если до данного этапа в этом пункте статьи вы мало что вообще поняли, то наша задача выполнена — вы осознали, насколько сложно создать процессор, и можете двигаться к следующему пункту.
6. Введение примесей. Здесь речь, конечно же, про электрически активные примеси, которые нужны для образования изолирующих участков, а также электрических переходов, источниками которых могут быть твёрдые, жидкие и газообразные вещества. Для этого используется метод диффузии.
7. Получение омических контактов. Кроме этого, на данном этапе также создают пассивные элементы на пластине. Для этого используется фотолитографическая обработка на поверхности оксида, который покрывает области успешно сформированных структур.
8. Добавление слоёв металла. На этом этапе будущий процессор получает несколько дополнительных слоёв металла, общее количество которых может лихо отличаться и зависит от его уровня. Между ним нужно расположить диэлектрик, в котором есть сквозные отверстия.
9. Пассивация поверхности. Чтобы правильно протестировать кристалл, нужно максимально сильно очистить его от любых возможных загрязнений. Чаще всего это происходит в деионизированной воде на установках гидромеханической или кистьевой отмывки.
10. Тестирование пластины. Для этого обычно используются зондовые головки, которые установлены на специальных установках, используемых для разбраковки пластин. Кстати, до этого самого момента они находятся в неразрезанном на отдельные части состоянии.
11. Разделение пластины. На этом этапе пластину механически разделяют на отдельные кристаллы. Сейчас это делают не только из-за удобства, но и по причине поддержания электронной гигиены. В её рамках в воздухе должно быть критически малое количество пыли, а в процессе разрезания она появится.
12. Сборка кристалла. На этом этапе готовый кристалл упаковывают в специальный корпус, который в дальнейшем герметизируют. Здесь к нему также подключают все необходимые выводы, которые нужны для его дальнейшего использования — это практически готовый чип.
13. Измерения и испытания. На данном этапе происходит проверка чипа на соответствие заданным техническим параметрам. Да, даже в настолько точном и высокотехнологическом производстве случается брак, который возрастает при увеличении сложности задачи. Отсюда и немаленькая цена.
14. Контроль и маркировка. Это пара финальных этапов в производстве чипов. В данном случае их снова проверяют, потом наносят на них специальное защитное покрытие, а также упаковывают, чтобы доставить готовое изделие конкретному заказчику.
Хронология уменьшения размера технологического процесса
Чем меньше нанометров в технологическом процессе, тем:
Выше скорость работы. В сегменте мобильных процессоров самым быстрым сегодня считается Apple A13 Bionic, который выполнен по 7-нанометровому технологическому процессу — это максимально крутое значение, которое доступно на сегодняшний день в коммерческом секторе. За уменьшением техпроцесса зачастую следует именно увеличение производительности. Она сегодня жизненно нужна для использования нейронных сетей, для дополненной реальности, работы с графикой в любом месте и в удобное время. Да что там говорить, с выходом Apple Arcade мы ждём бум мобильных игр, и для них процессор также важен.
Ниже выделение тепла. Сегодня мы акцентируем внимание именно на мобильных устройствах. Есть мнение, что в смартфонах разговоры о температуре процессоров не так актуальны, но это большая ошибка. При большой нагрузке процессоры нагреваются. Если температура становится критичной, они снижают скорость своей работы — это называется троттлингом. Чтобы избежать этого, нужно делать корпус толще, думать про дополнительный отвод тепла и так далее. При использовании более совершенного технологического процесса число подобных заморочек заметно снижается.
Меньше потребление энергии. В конце концов, уменьшение технологического процесса очень важно для увеличения времени автономной работы. Именно поэтому при оценке ёмкости аккумулятора недорого смартфона на Android не нужно сравнивать её с соответствующим показателем в iPhone и других флагманах. Даже с куда большим объёмом аккумулятора устройство может работать не так долго, как того хотелось бы. Тот же Xiaomi Redmi 8 Pro с процессором, который выполнен по устаревшему технологическому процессу (12 нм), не радует автономностью даже с достаточно большой батарейкой.
В заключение повторюсь — при выборе нового смартфона нужно не в последнюю очередь смотреть на технологический процесс чипсета. Прогресс преодолел планку в 12 нм ещё в 2016 году, поэтому в 2019-м эта цифра выглядит даже как-то смешно.
Intel 7 вместо нм. Новые названия техпроцессов: что изменилось?
Содержание
Содержание
Еще несколько лет назад основным критерием при выборе компьютерных комплектующих были характеристики «два ядра, два гига». Теперь грамотность пользователей в сфере электроники значительно повысилась. Поэтому перед покупкой компьютера юзеры стараются узнать скрытые характеристики — какой техпроцесс, какая архитектура, сколько транзисторов, и почему Intel 7 это уже не 10 нм, но еще не 7 нм. Подробности — в статье.
Быстрое развитие рынка электроники заставляет маркетинговые отделы работать активнее инженеров. Требования к производительности растут бесконечно, вместе с ними увеличивается и спрос на обновление. Поначалу производители справлялись с ежегодным наращиванием мощности и эффективности в разумных пределах. У компаний имелся запас прочности на несколько лет вперед. Но в какой-то момент процесс уменьшения транзисторов стал усложняться, и началась гонка за оптимизацией. В итоге появились знаменитые «+++» Intel. Но обо всем по порядку.
Что такое техпроцесс
Каждый знает, как выглядит электронная плата — это текстолит с множеством мелких радиодеталей. Размеры этих элементов и их количество могут отличаться от устройства к устройству. В телевизоре 1970 года транзистор может быть размером с колорадского жука, его современный аналог в новой OLED-панели оказывается не крупнее муравья. Но даже такой транзистор-насекомое является неприлично огромным по меркам современной электроники.
В компьютерных материнских платах используются транзисторы размером с песчинку. В смартфонах некоторые компоненты практически невидимы без микроскопа. Для человека такой масштаб является пределом осязания. Однако для современной электроники это все еще слишком крупно и громоздко. Инженерам приходится уменьшать размеры компонентов до тех пор, пока каждый отдельный элемент не станет практически сопоставим с размерами молекулы. То есть, превратится в наноэлемент.
Из таких наноэлементов и состоят современные микросхемы. Чтобы стало понятнее, достаточно представить, что в процессоре образца 1990-го года использовались транзисторы размером 3 микрометра. Это почти в 30 раз меньше человеческого волоса. В современном чипе Intel Alder Lake используются транзисторы размером 10 нм. Для сравнения, размер молекулы коронавируса составляет 110 нм.
Размер транзисторов и инструкции, по которым они производятся, называются техпроцессом. Чем современнее техпроцесс, тем больше транзисторов умещается в одном и том же объеме. Мы уже подробно обсуждали эту тему с наглядными материалами и сочными цифровыми сравнениями.
Историческая справка
Первая интегральная микросхема появилась в 1958 году. Она представляла собой единый компонент на основе германия, в теле которого было размещено несколько радиоэлементов. Так начался новый этап в развитии электроники. Микросхемы намного упростили производство техники. После изобретения процессора — сложной и «умной» схемы — возможности разработчиков выросли в разы. В этом материале не будем рассматривать первые четырехбитные чипы, а сразу перенесемся в относительно недалекое прошлое.
В 2000 году компания Intel представила новейшую разработку – Pentium 4. Первый чип этого поколения выпускался на 180-нм техпроцессе. На тот момент технология была самой продвинутой. Она позволила производителю увеличить тактовую частоту ядра, а также объем кэша. Правда, слишком высокая плотность компоновки транзисторов стала причиной перегрева и повышенного энергопотребления. Процессоры этого поколения постепенно доработали. Последней моделью стал чип, выполненный на 65 нм. С этого момента процесс уменьшения транзисторов стал замедляться.
С 2006 года Intel стала использовать новую стратегию разработки процессоров под названием «Тик-Так». Теперь производитель не меняет техпроцесс в каждом семействе, а чередует: на «Тик» представляет новые архитектуру и техпроцесс, а на «Так» только оптимизирует архитектуру. Такой способ чередования просуществовал до 2016 года. Он канул в Лету вместе с процессорами Skylake. В тот момент Intel серьезно зависла на «Так» и протащила 14-нм техпроцесс аж до 2020 года, назвав этот период «Оптимизацией».
С тех пор стратегия Intel называется «Процесс-Архитектура-Оптимизация». На этапе «Процесс» компания выпускает новый техпроцесс и новую архитектуру. Следующим этапом становится «Архитектура» — новые процессоры на доработанном техпроцессе. Финальный штрих — «Оптимизация». Здесь компания дорабатывает «обвес» чипа: например, контроллер памяти или графическое ядро.
Как уменьшают транзисторы
Транзистор — это клапан, который регулирует подачу тока. Внутри него есть своего рода заслонка, способная регулировать течение тока в канале. Долгое время производители уменьшали длину канала. Это позволяло им делать транзисторы компактнее и увеличивать плотность размещения полупроводников в кристалле. По размеру этого канала считали техпроцесс — 90 нм, 70 нм, 65 нм.
Как только производители добрались до 22 нм, уменьшать техпроцесс стало невозможно — ток начал протекать сквозь закрытый транзистор. Чтобы решить эту проблему, инженеры начали использовать трехмерные транзисторы FinFET. Раньше полупроводник имел планарную форму, где канал находится в одной плоскости с телом транзистора. Благодаря новой технологии канал удалось поднять выше транзистора и увеличить его Z-высоту. Это позволило снизить количество утечек и продолжить оптимизацию техпроцесса.
После перехода на новую технологию производства исчез единый стандарт измерений техпроцесса. Например, в 14-нм процессорах Intel и Samsung используются каналы разной длины — у Intel длина затвора равна 24 нм, а у Samsung — 30 нм. У каждого производителя процессоров выработалось свое мнение насчет верности измерения. В том числе у Intel, которая избавилась от устаревших нанометров и взяла на вооружение собственные обозначения.
«7» равняется «10»
За последние семь лет Intel произвела девять поколений процессоров на 14-нм архитектуре. Поначалу это не мешало производителю оставаться лидером на рынке. Но после выхода AMD Ryzen на 7-нм транзисторах Intel сдала позиции. Покупатели обратили внимание на «продвинутый» техпроцесс конкурентов.
Однако, несмотря на двукратную разницу в цифровом обозначении, на практике техпроцессы Intel 14 нм и AMD 7 нм практически не отличаются. Как мы писали выше, нанометры в названии техпроцесса уже не играют прежней роли. Отсюда и такие странности в названиях.
Тем не менее пользователи отлично «клюют» на бутафорские цифры. Поэтому производители задумались о смене привычных обозначений. Например, Intel, чтобы исключить недопонимание со стороны пользователей, ввела названия Intel 7 и Intel 4. Скажете — 7 нм и 4 нм? Не тут-то было. Intel 7 — это старый добрый 10 нм Enhanced SuperFin. Производителя легко понять: покупатель не желает снова видеть уже испробованный 10-нм техпроцесс. Люди требуют перехода на 7 нм «как у того производителя».
Однако Intel заявляет, что ее фирменная технология изготовления 10-нанометровых чипов превосходит 7-нм технологию TSMC. Причем компания доказывает это реальными цифрами — теперь инженеры оперируют понятием «плотность». Все предельно просто и понятно: чем выше плотность «заселения» кремния полупроводниками, тем они компактнее и технологичнее.
На одной и той же площади Intel размещает 106 миллиардов 10-нм транзисторов. А вот TSMC не может выйти за пределы 96 миллиардов. Техпроцесс меньше, а транзисторы крупнее — необъяснимый факт из недр маркетингового отдела. Похожие дела обстоят и в отношении будущего Intel 4, который готовится стать конкурентом TSMC 5 нм.
Игра слов
Смена названий техпроцессов — это, прежде всего, рекламный ход. Причем главная причина переименования скрывается где-то в офисе маркетологов. Специалисты манипулируют «хотелками» пользователей, намекая названием «Intel 7» на 7-нм техпроцесс. На самом деле под этой оберткой скрывается улучшенный 10-нм техпроцесс Enhanced SuperFin. Другие производители тоже «не промах» — они называют техпроцесс в нанометрах, но фактически считают «температуру на Марсе». Игра слов и не более.
Что такое техпроцесс: меньше — лучше?
Разбираемся в том, что такое техпроцесс, и почему меньше нанометров – это не всегда лучше.
Для многих пользователей главными характеристиками любого процессора до сих пор остаются количество используемых в нем ядер и его тактовая частота. Конечно, отчасти это правда, от них действительно зависит очень многое. Но помимо этого на производительность и энергоэффективность процессора напрямую влияет еще однин не менее важный параметр — технологический процесс.
Сегодня мы расскажем о том, что понимается под техпроцессом, и развеем несколько ошибочных мифов, связанных с этим понятием. Но для лучшего понимания ситуации стоит начать немного издалека.
Немного теории
Любой процессор состоит из множества транзисторов — переключателей, которые могут находиться в одном из двух положений — 1 и 0. Когда через транзистор проходит ток, на выходе мы имеем единицу, когда тока нет — ноль. Отсюда взялись и все низкоуровневые языки программирования, которые напрямую оперируют нулями и единицами.
В пятидесятых годах прошлого тысячелетия роль транзистора играла обычная вакуумная лампочка, из-за чего первые слабенькие компьютеры с несколькими тысячами транзисторов занимали собой целые комнаты. Революция произошла в начале 60-х годов, когда на свет появились первые полевые транзисторы.
Основа любого транзистора — кремний. На него наносятся два удаленных друг от друга слоя проводника — вход и выход. Поскольку проводники находятся на некотором расстоянии друг от друга, при подаче напряжения на вход на выходе по-прежнему остается «0» (нет тока). Для того, чтобы ток мог пройти от одного проводника к другому, на кремниевую подложку наносится еще один на сей раз изолированный проводник, назовем его затвор. Сам по себе затвор не сможет передать ток от входа транзистора на выход (помним, что он изолирован), но при подаче на него тока, вокруг затвора создается электрическое поле, позволяющего току течь от входа проводника на выход. В этом случае транзистор переходит в положение «1» (ток есть).
С каждым годом размеры транзисторов становились все меньше, а плотность их размещения на кристалле увеличивалась. Но по мере уменьшения размеров транзисторов наступил момент, когда затвор уже не мог блокировать ток от входа к выходу — электроны просто проходили через него. И именно в этот момент в сфере полупроводников произошла еще одна революция — место планарных или плоских транзисторов заняли трехмерные, у которых проводящий канал оказался приподнят над кремниевой подложкой. Из-за этого затвор оборачивает его уже с трех сторон, в результате чего он может лучше управлять током. Такая структура транзисторов получила название FinFET, и именно ее использование помогло производителям продолжить уменьшать размеры транзисторов и увеличивать плотность их размещения до когда-то небывалых значений.
Закон Мура и зачем уменьшать транзисторы
Еще в 1975 году основатель Intel Гордон Мур вывел одно эмпирическое наблюдение, получившее название закон Мура. Согласно ему, количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 24 месяца. Но зачем вообще нужно увеличивать плотность размещения транзисторов и уменьшать их размеры?
Очевидно, что процессор с несколькими тысячами транзисторов намного слабее, вмещающего в себя 11 миллионов. Но помимо очевидного роста производительности, уменьшение размера транзистора улучшает и его энергоэффективность: чем меньше транзистор, тем меньший ток, требуется для его работы. Уменьшение же размеров затвора снижает время необходимое для переключения транзистора из одного состояния в другое — он начинает работать быстрее.
Что такое техпроцесс
Когда-то давно под техпроцессом понимался размер затвора транзистора, т.е. при 32-нм техпроцессе длина затвора равнялась тем самым 32 нм. Но именно с 32 нм производители перестали придерживаться этого правила, а само понятие техпроцесса во многом превратилось в маркетинговый ход.
Конечно, бытует мнение, что не все так плохо. К примеру, часто можно встретить утверждение, что после разделения понятий «длина затвора» и «техпроцесс», последний оказался напрямую привязан к уже упоминавшемуся нами закону Мура. Раз количество транзисторов на кристалле удваивается каждые два года, то размеры транзистора уменьшаются вдвое, т.е сторона такого транзистора уменьшается в 0,7 раза.
Это была, наверное, последняя попытка производителей хоть как-то упорядочить понятие техпроцесса. Сейчас же он действительно превратился в своеобразный маркетинговый ход, который не имеет ничего общего с реальными цифрами. Более того, 10-нм техпроцесс у одного производителя может кардинально отличаться от того, что под ним понимает другой чипмейкер.
К примеру, 10-нм техпроцесс TSMC использует транзисторы размерами 66х42 нм против 54х44 нм у аналогичного техпроцесса Intel. И, по сути, 10-нм техпроцесс Intel сопоставим с 7-нм у TSMC. Точнее, он сопоставим с ним по размерам транзисторов. Поэтому прогресс по количеству нанометров, по сути, можно рассматривать лишь внутри продукции одной компании.
В то же время, логика «чем меньше, тем лучше» также может стать ошибочной. Все дело в том, что при повышении плотности кристалла на текущем уровне технологий может увеличиваться его нагрев. Следствием этого становятся троттлинг и серьезное снижение производительности. Такие кристаллы хороши в спринте, но не очень подходят для марафонов, т.е. длительных нагрузок. Именно это в полной мере справедливо для таких платформ, как 4-нм Snapdragon 888 и 5-нм Samsung Exynos 2100. Они бесспорно намного производительнее предшественников на коротких дистанциях, но при продолжительной нагрузке преимущество этих SoC тает из-за сильного перегрева и троттлинга.
Выводы
Несмотря на то, что в последнее время понятия техпроцесс и нанометры превратились в маркетинг, они все еще позволяют оценить прогресс в рамках продукции одного производителя. Иными словами, в большинстве случаев чем меньший техпроцесс используется при производстве процессора, тем больше в нем транзисторов и тем больше его итоговая производительность.
Впрочем, важно понимать, что это в полной мере актуально лишь для максимальной производительности процессора, а скорость его работы на длинной дистанции зависит еще и от того, насколько удачна используемая в нем микроархитектура, не перегревается ли процессор, и не испытывает ли он проблемы с троттлингом.