транзисторы в процессоре что делают
7 нм техпроцесс в чипах: Померяемся нанометрами? РАЗБОР
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.
От песка до процессора
Сложно в это поверить, но современный процессор является самым сложным готовым продуктом на Земле – а ведь, казалось бы, чего сложного в этом куске железа?
Как и обещал – подробный рассказ о том, как делают процессоры… начиная с песка. Все, что вы хотели знать, но боялись спросить )
Я уже рассказывал о том, «Где производят процессоры» и о том, какие «Трудности производства» на этом пути стоят. Сегодня речь пойдет непосредственно про само производство – «от и до».
Производство процессоров
Вкратце процесс изготовления процессора выглядит так: из расплавленного кремния на специальном оборудовании выращивают монокристалл цилиндрической формы. Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска. Затем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса.
Уроки химии
Давайте рассмотрим весь процесс более подробно. Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Песок, особенно кварцевый, имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO2) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.
Первоначально берется SiO2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:
Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг.
Слиток шкурят «нулёвкой» 🙂 и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм (
12 дюймов; именно такие используются для техпроцесса в 32нм с технологией HKMG, High-K/Metal Gate). Когда-то давно Intel использовала диски диаметром 50мм (2″), а в ближайшем будущем уже планируется переход на пластины с диаметром в 450мм – это оправдано как минимум с точки зрения снижения затрат на производство чипов. К слову об экономии — все эти кристаллы выращиваются вне Intel; для процессорного производства они закупаются в другом месте.
Каждую пластину полируют, делают идеально ровной, доводя ее поверхность до зеркального блеска.
Производство чипов состоит более чем из трёх сотен операций, в результате которых более 20 слоёв образуют сложную трёхмерную структуру – доступный на Хабре объем статьи не позволит рассказать вкратце даже о половине из этого списка 🙂 Поэтому совсем коротко и лишь о самых важных этапах.
Итак. В отшлифованные кремниевые пластины необходимо перенести структуру будущего процессора, то есть внедрить в определенные участки кремниевой пластины примеси, которые в итоге и образуют транзисторы. Как это сделать? Вообще, нанесение различных слоев на процессорную подложу это целая наука, ведь даже в теории такой процесс непрост (не говоря уже о практике, с учетом масштабов)… но ведь так приятно разобраться в сложном 😉 Ну или хотя бы попытаться разобраться.
Фотолитография
— На кремниевую подложку наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом.
— Производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон
— Удаление отработанного фоторезиста.
Нужная структура рисуется на фотошаблоне — как правило, это пластинка из оптического стекла, на которую фотографическим способом нанесены непрозрачные области. Каждый такой шаблон содержит один из слоев будущего процессора, поэтому он должен быть очень точным и практичным.
Иной раз осаждать те или иные материалы в нужных местах пластины просто невозможно, поэтому гораздо проще нанести материал сразу на всю поверхность, убрав лишнее из тех мест, где он не нужен — на изображении выше синим цветом показано нанесение фоторезиста.
Пластина облучается потоком ионов (положительно или отрицательно заряженных атомов), которые в заданных местах проникают под поверхность пластины и изменяют проводящие свойства кремния (зеленые участки — это внедренные чужеродные атомы).
Как изолировать области, не требующие последующей обработки? Перед литографией на поверхность кремниевой пластины (при высокой температуре в специальной камере) наносится защитная пленка диэлектрика – как я уже рассказывал, вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать High-K-диэлектрик. Он толще диоксида кремния, но в то же время у него те же емкостные свойства. Более того, в связи с увеличением толщины уменьшен ток утечки через диэлектрик, а как следствие – стало возможным получать более энергоэффективные процессоры. В общем, тут гораздо сложнее обеспечить равномерность этой пленки по всей поверхности пластины — в связи с этим на производстве применяется высокоточный температурный контроль.
Так вот. В тех местах, которые будут обрабатываться примесями, защитная пленка не нужна – её аккуратно снимают при помощи травления (удаления областей слоя для формирования многослойной структуры с определенными свойствами). А как снять ее не везде, а только в нужных областях? Для этого поверх пленки необходимо нанести еще один слой фоторезиста – за счет центробежной силы вращающейся пластины, он наносится очень тонким слоем.
В фотографии свет проходил через негативную пленку, падал на поверхность фотобумаги и менял ее химические свойства. В фотолитографии принцип схожий: свет пропускается через фотошаблон на фоторезист, и в тех местах, где он прошел через маску, отдельные участки фоторезиста меняют свойства. Через маски пропускается световое излучение, которое фокусируется на подложке. Для точной фокусировки необходима специальная система линз или зеркал, способная не просто уменьшить, изображение, вырезанное на маске, до размеров чипа, но и точно спроецировать его на заготовке. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем сами маски.
Весь отработанный фоторезист (изменивший свою растворимость под действием облучения) удаляется специальным химическим раствором – вместе с ним растворяется и часть подложки под засвеченным фоторезистом. Часть подложки, которая была закрыта от света маской, не растворится. Она образует проводник или будущий активный элемент – результатом такого подхода становятся различные картины замыканий на каждом слое микропроцессора.
Собственно говоря, все предыдущие шаги были нужны для того, чтобы создать в необходимых местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной (n-типа) или акцепторной (p-типа) примеси. Допустим, нам нужно сделать в кремнии область концентрации носителей p-типа, то есть зону дырочной проводимости. Для этого пластину обрабатывают с помощью устройства, которое называется имплантер — ионы бора с огромной энергией выстреливаются из высоковольтного ускорителя и равномерно распределяются в незащищенных зонах, образованных при фотолитографии.
Там, где диэлектрик был убран, ионы проникают в слой незащищенного кремния – в противном случае они «застревают» в диэлектрике. После очередного процесса травления убираются остатки диэлектрика, а на пластине остаются зоны, в которых локально есть бор. Понятно, что у современных процессоров может быть несколько таких слоев — в таком случае на получившемся рисунке снова выращивается слой диэлектрика и далее все идет по протоптанной дорожке — еще один слой фоторезиста, процесс фотолитографии (уже по новой маске), травление, имплантация… ну вы поняли.
Характерный размер транзистора сейчас — 32 нм, а длина волны, которой обрабатывается кремний — это даже не обычный свет, а специальный ультрафиолетовый эксимерный лазер — 193 нм. Однако законы оптики не позволяют разрешить два объекта, находящиеся на расстоянии меньше, чем половина длины волны. Происходит это из-за дифракции света. Как быть? Применять различные ухищрения — например, кроме упомянутых эксимерных лазеров, светящих далеко в ультрафиолетовом спектре, в современной фотолитографии используется многослойная отражающая оптика с использованием специальных масок и специальный процесс иммерсионной (погружной) фотолитографии.
Логические элементы, которые образовались в процессе фотолитографии, должны быть соединены друг с другом. Для этого пластины помещают в раствор сульфата меди, в котором под действием электрического тока атомы металла «оседают» в оставшихся «проходах» — в результате этого гальванического процесса образуются проводящие области, создающие соединения между отдельными частями процессорной «логики». Излишки проводящего покрытия убираются полировкой.
Финишная прямая
Ура – самое сложное позади. Осталось хитрым способом соединить «остатки» транзисторов — принцип и последовательность всех этих соединений (шин) и называется процессорной архитектурой. Для каждого процессора эти соединения различны – хоть схемы и кажутся абсолютно плоскими, в некоторых случаях может использоваться до 30 уровней таких «проводов». Отдаленно (при очень большом увеличении) все это похоже на футуристическую дорожную развязку – и ведь кто-то же эти клубки проектирует!
Когда обработка пластин завершена, пластины передаются из производства в монтажно-испытательный цех. Там кристаллы проходят первые испытания, и те, которые проходят тест (а это подавляющее большинство), вырезаются из подложки специальным устройством.
На следующем этапе процессор упаковывается в подложку (на рисунке – процессор Intel Core i5, состоящий из CPU и чипа HD-графики).
Привет, сокет!
Подложка, кристалл и теплораспределительная крышка соединяются вместе – именно этот продукт мы будем иметь ввиду, говоря слово «процессор». Зеленая подложка создает электрический и механический интерфейс (для электрического соединения кремниевой микросхемы с корпусом используется золото), благодаря которому станет возможным установка процессора в сокет материнской платы – по сути, это просто площадка, на которой разведены контакты от маленького чипа. Теплораспределительная крышка является термоинтерфейсом, охлаждающим процессор во время работы – именно к этой крышке будут примыкать система охлаждения, будь то радиатор кулера или здоровый водоблок.
Сокет (разъём центрального процессора) — гнездовой или щелевой разъём, предназначенный для установки центрального процессора. Использование разъёма вместо прямого распаивания процессора на материнской плате упрощает замену процессора для модернизации или ремонта компьютера. Разъём может быть предназначен для установки собственно процессора или CPU-карты (например, в Pegasos). Каждый разъём допускает установку только определённого типа процессора или CPU-карты.
На завершающем этапе производства готовые процессоры проходят финальные испытания на предмет соответствия основным характеристикам – если все в порядке, то процессоры сортируются в нужном порядке в специальные лотки – в таком виде процессоры уйдут производителям или поступят в OEM-продажу. Еще какая-то партия пойдет на продажу в виде BOX-версий – в красивой коробке вместе со стоковой системой охлаждения.
The end
Теперь представьте себе, что компания анонсирует, например, 20 новых процессоров. Все они различны между собой – количество ядер, объемы кэша, поддерживаемые технологии… В каждой модели процессора используется определенное количество транзисторов (исчисляемое миллионами и даже миллиардами), свой принцип соединения элементов… И все это надо спроектировать и создать/автоматизировать – шаблоны, линзы, литографии, сотни параметров для каждого процесса, тестирование… И все это должно работать круглосуточно, сразу на нескольких фабриках… В результате чего должны появляться устройства, не имеющие права на ошибку в работе… А стоимость этих технологических шедевров должна быть в рамках приличия… Почти уверен в том, что вы, как и я, тоже не можете представить себе всего объема проделываемой работы, о которой я и постарался сегодня рассказать.
Ну и еще кое-что более удивительное. Представьте, что вы без пяти минут великий ученый — аккуратно сняли теплораспределительную крышку процессора и в огромный микроскоп смогли увидеть структуру процессора – все эти соединения, транзисторы… даже что-то на бумажке зарисовали, чтобы не забыть. Как думаете, легко ли изучить принципы работы процессора, располагая только этими данными и данными о том, какие задачи с помощью этого процессора можно решать? Мне кажется, примерно такая картина сейчас видна ученым, которые пытаются на подобном уровне изучить работу человеческого мозга. Только если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре. Интересно, правда?
BONUS
Хватило сил дочитать до этого абзаца? ) Поздравляю – приятно, что я постарался не зря. Тогда предлагаю откинуться на спинку кресла и посмотреть всё описанное выше, но в виде более наглядного видеоролика – без него статья была бы не полной.
Эту статью я писал сам, пытаясь вникнуть в тонкости процесса процессоростроения. Я к тому, что в статье могут быть какие-то неточности или ошибки — если найдете что-то, дайте знать. А вообще, чтобы окончательно закрепить весь прочитанный материал и наглядно понять то, что было недопонято в моей статье, пройдите по этой ссылке. Теперь точно всё.
Успехов!