Ve světě počítačových čipů je větší počet často lepší. Více jader, vyšší GHz, větší FLOPy od inženýrů a uživatelů. Ale právě teď existuje jedno opatření, které je horkou novinkou, a čím menší, tím lepší. Ale co to přesně je a proč je to tak důležité? Proč se měří v nanometrech a proč procházíme celou Sezamovou ulici a přinášíme vám tento článek s čísly 10, 7 a 5? Pojďme na cestu do světa transakčních uzlů ...

Než se pustíme do věcí, stojí za to strávit nějaký čas kontrolou našeho konečného pohledu na architekturu CPU. V první části základní architektura procesorů a ve druhé části plán a návrh inženýrů jim.

Klíčovou částí tohoto článku je popis toho, jak jsou na tom počítačové čipy. fyzicky spojit. Pokud chcete důkladně porozumět výrobnímu procesu, budete si chtít pečlivě přečíst sekci fotolitografie, zaměříme se více na tento bod, kterého se krátce dotkneme v této funkci:

Jedním z největších marketingových pojmů spojených s výrobou čipů je velikost funkcí.

V čipovém průmyslu je velikost transakční uzel. jak jsme zmínili Jak navrhovat procesory, část 3, to je docela volný termín, protože různí výrobci používají frázi k popisu různých aspektů čipu, ale ne tak dávno to odkazovalo na nejmenší mezeru mezi dvěma částmi tranzistoru.



Dnes je to spíše marketingový výraz a není příliš užitečný pro srovnání výrobních metod. Tranzistor je však kritickým rysem jakéhokoli procesoru, protože dávky zpracovávají veškeré rozdrcení a ukládání dat v čipu a je velmi žádoucí menší uzel zpracování od stejného výrobce. Zjevná otázka, kterou je třeba položit zde proč?

Ve světě procesorů se nic neděje okamžitě, ani se to neděje bez nutnosti zdroje elektrické energie. Větším komponentám trvá změna stavu déle, cestování signálům trvá déle a k přenosu elektřiny související s procesorem je zapotřebí více energie. Aniž by se snažily znít expanzivně, větší komponenty zabírají více fyzického prostoru, takže čipy jsou větší.



Na obrázku výše se díváme na tři staré procesory Intel. Počínaje zleva je to Celeron z roku 2006, Pentium M z roku 2004 a opravdu staré Pentium z roku 1995. Má procesní uzel 65, 90 a 350 nm. Jinými slovy, kritické části 24letého designu jsou 5krát větší než 13letý design. Dalším významným rozdílem je, že nový čip má uvnitř 290 milionů tranzistorů, zatímco původní Pentium má něco přes 3 miliony; téměř stokrát méně.

Ačkoli snížení uzlu zpracování je jedním z důvodů, proč je novější design fyzicky menší a má více tranzistorů, hraje důležitou roli ve schopnosti společnosti Intel jej dodávat.

Skutečný kicker: Celeron generuje pouze asi 30 W tepla ve srovnání s 12 W Pentia. Toto teplo je způsobeno ztrátou energie v důsledku různých procesů a energie, protože elektřina je tlačena kolem obvodů v čipu. Většina z nich se uvolňuje jako teplo. Ano, 30 je větší číslo než 12, ale mějte na paměti, že čip má asi stokrát více tranzistorů.

Takže pokud výhody menšího uzlu zpracování vedou k menším čipům, bude to mít za následek více tranzistorů, které se mohou přepínat rychleji - což znamená více výpočtů za sekundu - a pokud ztrácí méně energie jako teplo, vyvolává další otázku: proč každý čip na světě nepoužívá nejmenší možný výpočetní uzel??

Budiž světlo!

V tomto bodě, fotolitografie: světlo, světelná maska, který v některých oblastech blokuje světlo a v jiných přenáší světlo. Tam, kde prochází, světlo poté zaostří na malé místo a poté reaguje se speciální vrstvou použitou při výrobě čipu, což pomáhá určit, kde budou různé části.

Představte si to jako rentgen vaší ruky: kosti blokují paprsky a působí jako fotomaska ​​a vytvářejí obraz vnitřní struktury ruky.

Zdroj obrázku: Peellden, Wikimedia Commons

Světlo je ve skutečnosti zastaralé - příliš velké i pro čipy, jako je staré Pentium. Možná se divíte, jak může mít světlo na Zemi jakoukoli dimenzi, ale vlnová délka. Světlo, elektromagnetická vlnaJedná se o kontinuální cyklické míchání elektrických a magnetických polí.

Ačkoli k vizualizaci tvaru používáme klasickou sinusovou vlnu, elektromagnetické vlny ve skutečnosti tvar nemají. Je to spíše situace, kdy efekt, který produkují při interakci s něčím, se řídí tímto vzorem. Vlnová délka tohoto cyklického vzoru je fyzická vzdálenost mezi dvěma stejnými body: obrázek ukazuje, jak daleko jsou hřebeny těchto vln, když se mořské vlny valí na pláž. Elektromagnetické vlny mají širokou škálu možných vlnových délek, takže je můžeme kombinovat a spektrum.

malé menší nejmenší

Na obrázku níže vidíme, že to, co nazýváme světlem, je jen malá část tohoto spektra. Existují i ​​další známá jména: rádiové vlny, mikrovlnné trouby, rentgenové paprsky atd. Můžeme také vidět několik čísel pro vlnové délky; světlo je někde kolem 10-7 metrů nebo přibližně 0,000004 palce!

Vědci a inženýři dávají přednost použití trochu jiné metody k popisu malých délek a krátce nanometru nebo nm. Podíváme-li se na rozšířenou část spektra, zjistíme, že světlo se ve skutečnosti pohybuje od 380 nm do 750 nm.

Zdroj obrázku: Philip Ronan, Gringer

Dotkněte se tohoto článku a přečtěte si znovu část o starém čipu Celeron - byl vyroben na 65 nm procesním uzlu. Jak tedy lze vyrobit menší kousky světla? Jednoduché: Proces fotolitografie nepoužíval světlo, ale ultrafialové světlo (aka UV).

V grafu spektra UV začíná kolem 380 nm (kde světlo končí) a zmenšuje se na přibližně 10 nm. Výrobci jako Intel, TSMC a GlobalFoundries EUV (extrémní UV) má velikost přibližně 190 nm. Tato malá vlna nejen znamená, že samotné komponenty mohou být vytvořeny menší, ale jejich celková kvalita by mohla být potenciálně lepší. To umožňuje zabalení různých částí blíže k sobě a pomáhá snížit celkovou velikost čipu.

Různé společnosti nabízejí různá jména pro škálování výpočetních uzlů, které používají. Intel říká, že nejnovější pro veřejnost je P1274 nebo „10 nm“, zatímco TSMC říká „10FF“. Návrháři CPU mají rádi AMD Vytváření rozvržení a struktur spoléhejte na TSMC pro menší procesní uzly a pozdější upgrade „7 nm“ velkoobjemových výrobních linek na začátku tohoto roku. V tomto výrobním měřítku jsou některé z nejmenších funkcí pouze 6 nm (ale většina je větší než tato).

Abychom skutečně pochopili, jak malých 6 nm ve skutečnosti je, atomy křemíku, které tvoří hmotu procesoru, jsou od sebe vzdáleny zhruba 0,5 nm, přičemž samotné atomy mají průměr přibližně 0,1 nm. Továrny TSMC se tedy jako koule přibližují aspektům tranzistoru, který přes celou šířku překlenuje méně než 10 atomů křemíku.

Obtížnost cílení na atomy

Když odložíme neuvěřitelnou skutečnost, že výrobci čipů pracují na vlastnostech, které jsou jen hrstkou atomů, fotolitografie EUV vytvořila řadu vážných technických a výrobních problémů.

Společnost Intel se obzvláště potýkala s GlobalFoundries, aby svou produkci 10 nm přivedla na stejnou úroveň jako 14 nm a loni zastavil veškerý vývoj I když problémy společností Intel a GF se 7 nm a menšími výrobními systémy nejsou způsobeny inherentními obtížemi fotolitografie EUV, nemohou být zcela nesouvisející.

Čím kratší je vlnová délka elektromagnetické vlny, tím více energie nese, což poskytuje větší potenciál pro poškození produkovaného čipu; velmi malá výroba je vysoce náchylná ke kontaminaci a defektům použitých materiálů. Další problémy, jako jsou difrakční limity a statistický šum (přirozená variace, kde se energie přenášená vlnou EUV hromadí do vrstvy čipu), se rovněž zakládají proti cíli dosáhnout 100% dokonalého čipu.

Dvě výrobní vady v jednom čipu. Zdroj: Technologie pevných látek

Existuje také předpoklad, že v podivném světě atomů tok elektřiny a přenos energie již nemohou dodržovat klasické systémy a pravidla. Udržování elektřiny ve formě pohybujících se atomů (jedna ze tří částic, které tvoří atomy), tekoucí vodiče těsně od sebe, je relativně snadné v měřítku, na které jsme zvyklí - obalení vodičů silnou vrstvou izolace.

Na úrovni, na které Intel a TSMC pracují, je to mnohem obtížnější dosáhnout, protože izolace není opravdu dostatečně silná. Prozatím však výrobní problémy téměř úplně souvisejí s problémy vlastní fotolitografii EUV, takže bude trvat několik let, než o tom začneme diskutovat na fórech, kde Nvidia zvládla kvantové chování lépe než AMD nebo jiné podobné kecy!

Protože skutečný problém je hlavním důvodem výrobních potíží, Intel, TSMC a všichni jejich výrobci podnikya zaměřují se na atomy s jediným účelem generovat budoucí příjem. v obchodní výzkumný papír Mentor, o co více pro následující přehled oplatka náklady na menší uzly procesu.

Například za předpokladu, že 28 nm procesní uzel je stejný, jaký Intel používá k výrobě svých CPU řady Haswell (jako Core i7-4790K), 10 nm systém by stál téměř dvakrát tolik na destičku. Počet čipů, které může každá oplatka vyrobit do značné míry závisí na velikosti každého čipuale jít s menším rozsahem transakcí znamená, že oplatka může potenciálně přinést více čipů k prodeji, což pomůže vyrovnat nárůst nákladů. Velká část těchto nákladů bude nakonec snížena na spotřebitele zvýšením maloobchodní ceny produktu, ale je třeba to vyvážit s průmyslovou poptávkou.

Nárůst prodeje chytrých telefonů za posledních několik let spolu s téměř exponenciálním růstem chytrých technologií v domácnostech a automobilech znamená, že výrobci čipů museli absorbovat finanční ránu z přechodu na menší výpočetní uzly, dokud celý systém nedospěl. natolik, aby nařezaly oplatky s vysokým výtěžkem (tj. ty s co nejmenším počtem defektů) ve vysokých objemech. Vzhledem k tomu, o čem mluvíme miliardy Je to riskantní podnik a velká část důvodu, proč byl GlobalFoundries uložen z rasy transakčních uzlů.

budoucí pohled

Pokud to všechno zní trochu doom a temně, neměli bychom zapomínat, že blízká budoucnost vypadá pozitivně. Samsung a TSMC nejen provozují 7nm výrobní linky se zdravou rezervou z hlediska objemu a výnosů, ale návrháři čipů také plánují postup vpřed pomocí více uzlů ve svých produktech. Nejpozoruhodnějším příkladem toho v poslední době byl nedávno vydaný design čipu AMD. Ryzen 3. generace CPU'lar.

Tento špičkový procesor pro stolní počítače budou dva čipy vyrobené na uzlu TSMC 7 nm a čip 14 nm vyráběný společností GlobalFoundries. První budou skutečné části procesoru, zatímco druhá bude zpracovávat paměť DDR4 a zařízení PCI Express připojená k CPU. Za předpokladu, že tento design funguje, jak bylo zamýšleno (a není důvod pochybovat, že by měl), uvidíme po tomto víceuzlovém nastavení téměř více společností.

Obrázek výše ukazuje změny, ke kterým došlo ve výpočetním uzlu společnosti Intel za posledních 50 let. Svislá osa ukazuje velikost uzlu faktorem 10, počínaje 10 000 nm shora. Čipový gigant vysledoval hrubý poločas rozpadu uzlu 4,5 roku (čas, který je třeba pokaždé snížit na polovinu velikost uzlu).

Znamená to tedy, že do roku 2025 uvidíme 5nm Intel? Pravděpodobně ano, i přes jejich nedávné zakopnutí o 10 nm. Samsung a TSMC postupující Díky 5 nm výzkumu je vhodný pro všechny budoucí procesory.

Používají méně energie, jsou menší a rychlejší a nabízejí vyšší výkon. Povedou k plně autonomním automobilům, inteligentním hodinkám s výdrží a výdrží baterie současných chytrých telefonů a grafice ve hrách nad rámec toho, co bylo před deseti lety vidět ve filmech za miliony dolarů.

Budoucnost je opravdu jasná, protože budoucnost je malý.