En el món dels xips d’ordinador, les xifres més grans solen ser millors. Més nuclis, GHz més alt, FLOP més grans per enginyers i usuaris. Però hi ha una mesura que són les notícies més actuals, i com més petita millor. Però, què és exactament i per què és tan important? Per què es mesura en nanòmetres i per què anem per tot Sesame Street i us presentem aquest article amb els números 10, 7 i 5? Fem un viatge al món dels nodes de càlcul ...

Abans d’explorar res, val la pena dedicar una estona a revisar la nostra mirada final sobre l’arquitectura de la CPU. A la primera part, arquitectura bàsica de processadors i a la segona part, els enginyers planifiquen i dissenyen ells.

La part clau d’aquest article és una explicació de com són els xips d’ordinador junts físicament. Si voleu conèixer millor el procés de fabricació, voldreu llegir atentament la secció de fotolitografia; ens centrarem més en aquest punt que esmenta breument en aquesta característica:

Un dels termes de màrqueting més grans associats a la fabricació de xips és la mida de les funcions.




A la indústria dels xips, mida de les funcions, node de càlcul. Com hem esmentat Com dissenyar processadors, part 3, Aquest és un terme bastant fluix, ja que diferents fabricants utilitzen la frase per descriure diferents aspectes del xip, però fa poc temps es refereixen a l’espai més petit entre dues seccions d’un transistor.




Avui és més aviat un terme de màrqueting i no és molt útil per comparar mètodes de producció. Tanmateix, el transistor és una característica fonamental de qualsevol processador, ja que els grups gestionen tots els crackles i emmagatzematge de dades realitzats dins del xip i és molt desitjable un node de processament més petit del mateix fabricant. La pregunta òbvia que s’ha de fer aquí Per què?

Res no passa instantàniament al món dels processadors, ni passa sense necessitar una font d’energia elèctrica. Els components més grans triguen més a canviar el seu estat, els senyals triguen a viatjar i es necessita més energia per transportar electricitat al processador. Sense intentar fer un so gran, els components més grans ocupen més espai físic, de manera que els xips són més grans.







A la imatge superior, estem veient tres CPU Intel heretades. Començant per l’esquerra hi ha un Celeron del 2006, un Pentium M del 2004 i un Pentium realment antic del 1995. Hi ha un node de procés de 65, 90 i 350 nm respectivament. En altres paraules, les peces crítiques del disseny de 24 anys són cinc vegades més grans que el de 13 anys. Una altra diferència clau és que el nou xip conté 290 milions de transistors, mentre que el Pentium original supera poc els 3 milions; gairebé centenars de vegades menys.

Tot i que la reducció del node de processament forma part de la raó per la qual el nou disseny és físicament més petit i té més transistors, té un paper important en la capacitat d’Intel de lliurar-lo.




Però el veritable èxit: el Celeron només genera uns 30 W de calor en comparació amb els 12 W del Pentium. Aquesta calor és el resultat de la pèrdua d’energia a causa de diversos processos i energia, ja que l’electricitat s’empeny al voltant dels circuits del xip. la gran majoria s’allibera com a calor. Sí, 30 és un nombre superior a 12, però recordeu que el xip té aproximadament 100 vegades més transistors.

Per tant, si els avantatges de tenir un node de càlcul més petit resulten en xips més petits, revela més transistors que poden canviar més ràpidament, cosa que fa més càlculs per segon, i si perd menys energia com a calor, es planteja una altra pregunta: Per què no tots els xips del món utilitzen el node de càlcul més petit possible??

Que es faci la llum!

En aquest punt, fotolitografi: llum, Màscara lleugerabloquejant la llum en algunes zones i translúcida en altres. La llum per on passa es concentra en un petit punt i després reacciona amb una capa especial utilitzada en la fabricació del xip per ajudar a determinar on seran les diverses parts.




Penseu-ho com una radiografia de la vostra mà: els ossos bloquegen els rajos, que actuen com a màscara fotogràfica, tot produint una imatge de l’estructura interna de la mà.

Font de la imatge: Peellden, Wikimedia Commons

La llum no s’utilitza, és massa gran fins i tot per a xips com l’antiga Pentium. Potser us preguntareu com la llum del món pot tenir qualsevol mida, però longitud d'ona. Lleuger, ona electromagnèticaés una barreja cíclica contínua de camps elèctrics i magnètics.

Tot i que fem servir una ona sinusoïdal clàssica per visualitzar la forma, les ones electromagnètiques realment no tenen forma. Es tracta més d’una situació en què l’efecte que produeixen en interactuar amb alguna cosa segueix aquest patró. La longitud d'ona d'aquest patró cíclic és la distància física entre dos punts idèntics: la imatge és a quina distància es troben les crestes d'aquestes ones, mentre que les ones del mar roden cap a una platja. Les ones electromagnètiques tenen una àmplia gamma de longituds d’ona possibles, per tant, ajunteu-les i espectre.

Petit més petit més petit

A la imatge següent, podem veure que el que anomenem llum és només una petita part d’aquest espectre. Hi ha altres noms coneguts: ones de ràdio, microones, rajos X, etc. També podem veure alguns números de longituds d'ona; la llum és cap a les deu-7 metres o aproximadament 0,000004 polzades

Els científics i els enginyers prefereixen utilitzar un mètode lleugerament diferent per descriure petites longituds i nanòmetres o nm en resum. Si observem la porció estesa de l’espectre, podem veure que la llum oscil·la realment entre 380 nm i 750 nm.

Font de la imatge: Philip Ronan, Gringer

Torneu a tocar aquest article i torneu a llegir la part sobre el vell xip Celeron: es va produir en un node de procés de 65 nm. Llavors, com es poden fer petites peces de llum? Senzill: el procés de fotolitografia no utilitzava llum, sinó que utilitzava llum ultraviolada (també coneguda com UV).

Al gràfic de l'espectre, els raigs UV comencen al voltant de 380 nm (on acaba la llum) i es redueix fins a uns 10 nm. Fabricants com Intel, TSMC i GlobalFoundries EUV (extrem UV) té una mida d’uns 190 nm. Aquesta petita ona no només significa que els components en si mateixos es poden crear més petits, sinó que la seva qualitat global podria ser millor. Això permet empaquetar les diverses parts i ajuda a reduir la mida global del xip.

Diferents empreses ofereixen diversos noms per a l’escala de node de càlcul que utilitzen. TSMC simplement diu "10FF", mentre que Intel diu que el més recent per al públic és P1274 o "10 nm". Dissenyadors de processadors com AMD Creació de dissenys i estructures confiant en els gustos de TSMC per a nodes de procés més petits i després actualitzant les línies de producció de gran volum "7 nm" a principis d’aquest any. A aquesta escala de producció, algunes de les característiques més petites són només de 6 nm (però la majoria són més grans que això).

De fet, per entendre el petit que són realment els 6 nm, els àtoms de silici que formen la massa del processador es situen aproximadament a 0,5 nm, amb els propis àtoms de 0,1 nm de diàmetre. Així, com a figura de la pista de bàsquet, les fàbriques de TSMC tracten aspectes d’un transistor amb una amplada inferior a 10 àtoms de silici.

Dificultat per orientar els àtoms

Deixant de banda el fet inconcebible que els fabricants de xips treballin cap a propietats que només siguin un grapat d’àtoms, la fotolitografia EUV ha creat una sèrie de greus problemes d’enginyeria i fabricació.

Intel ha lluitat especialment amb GlobalFoundries per aconseguir una producció de 10 nm a una producció de 14 nm i igualar-la amb la de l'any passat. va aturar tot el desenvolupament Tot i que els problemes d'Intel i GF, de 7 nm i sistemes de producció menors, no estan causats per les dificultats inherents a la fotolitografia EUV, no poden estar completament aliens.

Com més curta és la longitud d'ona d'una ona electromagnètica, més energia transporta, proporcionant un major potencial de dany al xip generat; la fabricació a petita escala és altament susceptible a la contaminació i a defectes en els materials utilitzats. Altres qüestions com ara els límits de la difracció i el soroll estadístic (variació natural on l’energia transferida per l’ona EUV s’acumula a la capa del xip) també conspiren contra l’objectiu d’aconseguir xips 100% perfectes.

Dos defectes de fabricació en un xip. Font: Tecnologia d’estat sòlid

També s’assumeix que, en l’estrany món dels àtoms, el flux d’electricitat i la transferència d’energia ja no poden seguir els sistemes i les regles clàssiques. Mantenir l’electricitat en forma d’àtoms en moviment (una de les tres partícules que formen els àtoms) és relativament fàcil fer circular els conductors junts, separats entre si, a l’escala que estem acostumats: embolicar els conductors amb una gruixuda capa d’aïllament.

Al nivell en què Intel i TSMC funcionen, això és molt més difícil d’aconseguir perquè l’aïllament no és prou espès. Tanmateix, ara com ara els problemes de fabricació estan gairebé totalment relacionats amb els problemes inherents a la fotolitografia EUV, de manera que passaran uns quants anys abans que puguem començar a discutir el comportament quàntic de Nvidia millor que AMD o altres ximpleries similars.

Perquè el problema real és la raó última de les dificultats de fabricació, Intel, TSMC i tots els seus fabricants. empresesi només apunten als àtoms per obtenir ingressos futurs. En treball d’investigació laboral MentorLa següent descripció general de quant s’ha presentat més hòstia cost per a nodes de procés més petits.

Per exemple, suposant que el node de procés de 28 nm és el mateix que Intel utilitza per fabricar CPU de la sèrie Haswell (com el Core i7-4790K), el sistema de 10 nm costa gairebé el doble per hòstia. El nombre de fitxes que pot produir cada hòstia depèn en gran mesura de la mida de cada xipPerò anar amb una escala de transaccions més petita significa que una hòstia pot portar més fitxes per vendre i ajuda a compensar l’augment de costos. En última instància, gran part d’aquest cost es reduirà al consumidor augmentant el preu al detall del producte, però cal equilibrar-lo amb la demanda de la indústria.

L’augment de les vendes de telèfons intel·ligents en els darrers anys, amb un creixement gairebé exponencial de la tecnologia intel·ligent a les llars i els cotxes, fa que els fabricants de xips hagin d’absorbir el cop financer d’anar a nodes de càlcul més petits fins que maduri tot el sistema. Suficient per tallar hòsties d’alt rendiment (és a dir, aquelles amb el mínim de defectes possible) a grans volums. Tenint en compte de què parlem milers de milions És un negoci arriscat i una bona part del motiu pel qual GlobalFoundries està rescatant de la cursa de nodes de càlcul.

Perspectives de futur

Si tot això sona una mica apocalíptic i si sembla una mica d’apocalipsi, hem de recordar que el futur proper sembla positiu. Samsung i TSMC no només executen les seves línies de producció de 7 nm amb un marge saludable en termes de volum i ingressos, sinó que els seus dissenyadors de xips també tenen previst avançar utilitzant diversos nodes als seus productes. Recentment, l'exemple més notable d'això ha estat el disseny de xips recentment llançat per AMD. Ryzen de 3a generació CPU'lar.

Aquest processador de PC d’escriptori de gamma alta serà de dos xips fabricats al node de 7 nm de TSMC i un xip de 14 nm fabricat per GlobalFoundries. El primer serà el processador real, el segon processarà la memòria DDR4 i els dispositius PCI Express connectats a la CPU. Suposant que aquest disseny funcioni de la manera prevista (i no hi ha cap motiu per dubtar que hauria de ser-ho), veurem gairebé més empreses seguint aquesta configuració de diversos nodes.

La imatge superior mostra els canvis en el node de càlcul d'Intel durant els darrers 50 anys. L'eix vertical mostra la mida del node en un factor de 10, començant a 10.000 nm des de la part superior. El gegant xip va seguir una vida mitjana de 4,5 anys (el temps que es va prendre per reduir a la meitat la mida del node cada vegada).

Vol dir, doncs, que veurem Intel de 5 nm el 2025? Probablement sí, tot i la seva última ensopegada amb 10 nm. Samsung i TSMC progressant Gràcies a la investigació de 5 nm, és bo per a qualsevol processador futur.

En consumir menys energia, es fan més petits i més ràpids i ofereixen més rendiment. Portaran a cotxes totalment autònoms, rellotges intel·ligents amb la potència i la durada de la bateria dels telèfons intel·ligents actuals i gràfics en jocs més enllà de tot el que es veia en milions de pel·lícules en dòlars fa una dècada.

El futur és realment brillant perquè arribarà petit.