In der Welt der Computerchips sind größere Zahlen im Allgemeinen besser. Mehr Kerne, höheres GHz, größere FLOPs von Ingenieuren und Anwendern. Aber es gibt eine Maßnahme, die derzeit eine heiße Nachricht ist, und je kleiner, desto besser. Aber was genau ist das und warum ist es so wichtig? Warum wird es in Nanometern gemessen und warum fahren wir durch die Sesamstraße und bringen Ihnen diesen Artikel mit den Nummern 10, 7 und 5? Machen wir eine Reise in die Welt der Rechenknoten ...

Bevor Sie etwas untersuchen, sollten Sie einige Zeit damit verbringen, unseren letzten Blick auf die CPU-Architektur zu werfen. Im ersten Teil, Grundarchitektur von Prozessoren und im zweiten Teil Ingenieure planen und entwerfen Sie.

Der Hauptteil dieses Artikels ist eine Erklärung, wie Computerchips sind physisch zusammengesetzt. Wenn Sie ein tiefgreifendes Verständnis des Herstellungsprozesses wünschen, sollten Sie den Abschnitt Fotolithografie sorgfältig lesen. Wir werden uns mehr auf diesen Punkt konzentrieren, der in dieser Funktion kurz erwähnt wird:

Einer der größten Marketingbegriffe im Zusammenhang mit der Chipherstellung ist die Feature-Größe.




In der Chipindustrie, Feature-Größe, Rechenknoten. Wie wir schon erwähnt haben Entwerfen von Prozessoren, Teil 3, Dies ist ein ziemlich loser Begriff, da verschiedene Hersteller den Ausdruck verwenden, um verschiedene Aspekte des Chips zu beschreiben, sich jedoch vor nicht allzu langer Zeit auf die kleinste Lücke zwischen zwei Abschnitten eines Transistors beziehen.




Heute ist es eher ein Marketingbegriff und nicht sehr nützlich für den Vergleich von Produktionsmethoden. Der Transistor ist jedoch ein kritisches Merkmal eines jeden Prozessors, da die Gruppen alle im Chip vorgenommenen Knistern und Datenspeicher verarbeiten und ein kleinerer Verarbeitungsknoten desselben Herstellers äußerst wünschenswert ist. Die offensichtliche Frage, die hier gestellt werden muss Warum?

In der Welt der Prozessoren geschieht nichts sofort und auch nicht, ohne dass eine elektrische Energiequelle erforderlich ist. Größere Komponenten brauchen länger, um ihren Zustand zu ändern, Signale brauchen länger, um sich zu bewegen, und es wird mehr Energie benötigt, um Strom zum Prozessor zu transportieren. Ohne zu versuchen, einen großen Klang zu erzeugen, nehmen größere Komponenten mehr Platz ein, sodass die Chips größer sind.







Im obigen Bild sehen wir uns drei ältere Intel-CPUs an. Von links ausgehend gibt es einen 2006er Celeron, einen 2004er Pentium M und einen wirklich alten Pentium von 1995. Es gibt einen Prozessknoten von 65, 90 bzw. 350 nm. Mit anderen Worten, kritische Teile im 24-jährigen Design sind fünfmal größer als im 13-jährigen Design. Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht darin, dass der neue Chip 290 Millionen Transistoren enthält, während der ursprüngliche Pentium etwas mehr als 3 Millionen beträgt. fast hunderte Male weniger.

Obwohl die Reduzierung des Verarbeitungsknotens ein Grund dafür ist, dass das neuere Design physisch kleiner ist und mehr Transistoren aufweist, spielt es eine wichtige Rolle für die Fähigkeit von Intel, es bereitzustellen.




Aber der wahre Hit: Der Celeron erzeugt nur etwa 30 W Wärme im Vergleich zu den 12 W des Pentium. Diese Wärme resultiert aus Energieverlusten aufgrund verschiedener Prozesse und Energie, wenn Elektrizität um Schaltkreise im Chip geschoben wird. Die überwiegende Mehrheit wird als Wärme freigesetzt. Ja, 30 ist eine größere Zahl als 12, aber denken Sie daran, dass der Chip etwa 100-mal mehr Transistoren hat.

Wenn die Vorteile eines kleineren Rechenknotens zu kleineren Chips führen, werden mehr Transistoren sichtbar, die schneller schalten können - was mehr Berechnungen pro Sekunde ermöglicht - und wenn weniger Energie als Wärme verloren geht, stellt sich eine andere Frage: Warum verwendet nicht jeder Chip der Welt den kleinstmöglichen Rechenknoten??

Es werde Licht!

An diesem Punkt, Fotolithografie: Licht, LichtmaskeLicht in einigen Bereichen blockieren und in anderen durchscheinend. Das Licht, durch das es hindurchgeht, wird dann auf einen kleinen Punkt fokussiert und reagiert dann mit einer speziellen Schicht, die bei der Herstellung des Chips verwendet wird, um zu bestimmen, wo sich die verschiedenen Teile befinden werden.




Stellen Sie sich das wie eine Röntgenaufnahme Ihrer Hand vor: Knochen blockieren Strahlen, wirken als Fotomaske und erzeugen ein Bild der inneren Struktur der Hand.

Bildquelle: Peellden, Wikimedia Commons

Licht wird eigentlich nicht verwendet - es ist sogar für Chips wie den alten Pentium zu groß. Sie fragen sich vielleicht, wie Licht in der Welt jede Größe haben kann, aber Wellenlänge. Licht, Elektromagnetische WelleEs ist eine kontinuierliche zyklische Mischung aus elektrischen und magnetischen Feldern.

Obwohl wir eine klassische Sinuswelle verwenden, um die Form zu visualisieren, haben elektromagnetische Wellen keine wirkliche Form. Dies ist eher eine Situation, in der der Effekt, den sie bei der Interaktion mit etwas erzeugen, diesem Muster folgt. Die Wellenlänge dieses zyklischen Musters ist der physikalische Abstand zwischen zwei identischen Punkten: Das Bild zeigt, wie weit die Wellenberge entfernt sind, während die Meereswellen in einen Strand rollen. Elektromagnetische Wellen haben einen weiten Bereich möglicher Wellenlängen, also bringen Sie sie zusammen und spektrum.

Klein kleiner Am kleinsten

Im Bild unten sehen wir, dass das, was wir Licht nennen, nur ein kleiner Teil dieses Spektrums ist. Es gibt andere bekannte Namen: Radiowellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlen usw. Wir können auch einige Zahlen für Wellenlängen sehen; Das Licht ist irgendwo um 10-7 Meter oder etwa 0,000004 Zoll!

Wissenschaftler und Ingenieure bevorzugen eine etwas andere Methode, um kleine Längen und Nanometer oder kurz nm zu beschreiben. Wenn wir uns den erweiterten Teil des Spektrums ansehen, können wir sehen, dass das Licht tatsächlich zwischen 380 nm und 750 nm liegt.

Bildquelle: Philip Ronan, Gringer

Werfen Sie einen Blick zurück auf diesen Artikel und lesen Sie den Teil über den alten Celeron-Chip erneut - er wurde in einem 65-nm-Prozessknoten hergestellt. Wie können also kleine Lichtstücke hergestellt werden? Einfach: Bei der Fotolithografie wurde kein Licht verwendet, sondern ultraviolettes Licht (auch bekannt als UV).

Im Spektraldiagramm beginnt UV bei etwa 380 nm (wo das Licht endet) und schrumpft auf etwa 10 nm. Hersteller wie Intel, TSMC und GlobalFoundries EUV (extrem UV) ist ungefähr 190 nm groß. Diese kleine Welle bedeutet nicht nur, dass die Komponenten selbst kleiner erstellt werden können, sondern dass ihre Gesamtqualität möglicherweise besser sein könnte. Dadurch können die verschiedenen Teile enger zusammengepackt werden und die Gesamtgröße des Chips wird verringert.

Verschiedene Unternehmen bieten verschiedene Namen für die von ihnen verwendete Rechenknotenskala an. TSMC sagt einfach "10FF", während Intel sagt, dass das neueste für die Öffentlichkeit P1274 oder "10 nm" ist. Prozessordesigner wie AMD Layouts und Strukturen erstellen Verlassen Sie sich bei kleineren Prozessknoten auf die Vorlieben von TSMC und rüsten Sie dann hochvolumige Produktionslinien mit "7 nm" auf früher in diesem Jahr. In diesem Produktionsmaßstab sind einige der kleinsten Merkmale nur 6 nm (aber die meisten sind größer als diese).

Um zu verstehen, wie klein 6 nm tatsächlich sind, sind die Siliziumatome, aus denen die Masse des Prozessors besteht, ungefähr 0,5 nm voneinander entfernt, wobei die Atome selbst einen Durchmesser von ungefähr 0,1 nm haben. Daher befassen sich die Fabriken von TSMC als Basketballplatz mit Aspekten eines Transistors, der weniger als 10 Siliziumatome breit ist.

Schwierigkeiten beim Targeting von Atomen

Abgesehen von der unvorstellbaren Tatsache, dass Chiphersteller auf Eigenschaften hinarbeiten, die nur eine Handvoll Atome sind, hat die EUV-Fotolithografie eine Reihe schwerwiegender technischer und Herstellungsprobleme verursacht.

Intel hatte besonders mit GlobalFoundries zu kämpfen, um die 10-nm-Produktion auf 14 nm zu bringen und das Niveau des Vorjahres zu erreichen. stoppte jede Entwicklung Während die Probleme von Intel und GF bei 7-nm- und kleineren Produktionssystemen nicht durch die inhärenten Schwierigkeiten der EUV-Fotolithografie verursacht werden, können sie nicht völlig unabhängig voneinander sein.

Je kürzer die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle ist, desto mehr Energie trägt sie, wodurch der erzeugte Chip möglicherweise stärker beschädigt wird. Die Herstellung in sehr kleinem Maßstab ist sehr anfällig für Verunreinigungen und Fehler in den verwendeten Materialien. Andere Probleme wie Beugungsgrenzen und statistisches Rauschen (natürliche Variation, bei der sich die von der EUV-Welle übertragene Energie in der Chipschicht ansammelt) widersprechen ebenfalls dem Ziel, 100% perfekte Chips zu erzielen.

Zwei Herstellungsfehler in einem Chip. Quelle: Festkörpertechnologie

Es besteht auch die Annahme, dass in der fremden Welt der Atome der Stromfluss und die Energieübertragung nicht mehr den klassischen Systemen und Regeln folgen können. Wenn Sie Elektrizität in Form von sich bewegenden Atomen (eines der drei Teilchen, aus denen die Atome bestehen) halten, können die Leiter auf der Skala, die wir gewohnt sind, relativ leicht dicht beieinander fließen - wickeln Sie die Leiter mit einer dicken Isolationsschicht um.

Auf der Ebene, auf der Intel und TSMC arbeiten, ist dies viel schwieriger zu erreichen, da die Isolierung nicht dick genug ist. Derzeit hängen die Herstellungsprobleme jedoch fast ausschließlich mit den inhärenten Problemen der EUV-Fotolithografie zusammen. Daher wird es einige Jahre dauern, bis wir das Quantenverhalten von Nvidia besser diskutieren können als AMD oder einen ähnlichen Unsinn!

Weil das eigentliche Problem der ultimative Grund für Herstellungsschwierigkeiten ist, haben Intel, TSMC und alle ihre Hersteller. Unternehmenund sie zielen nur auf die Atome für zukünftige Einnahmen. Im Job Research Paper MentorDie folgende Übersicht zeigt, wie viel mehr präsentiert wurde Wafer Kosten für kleinere Prozessknoten.

Unter der Annahme, dass der 28-nm-Prozessknoten derselbe ist, den Intel für die Herstellung von CPUs der Haswell-Serie verwendet (wie der Core i7-4790K), kostet das 10-nm-System fast doppelt so viel pro Wafer. Die Anzahl der Chips, die jeder Wafer produzieren kann hängt weitgehend von der Größe jedes Chips abEine kleinere Transaktionsskala bedeutet jedoch, dass ein Wafer möglicherweise mehr Chips zum Verkauf bringen kann und hilft, den Anstieg der Kosten auszugleichen. Letztendlich wird ein Großteil dieser Kosten für den Verbraucher reduziert, indem der Einzelhandelspreis für Produkte erhöht wird. Dies muss jedoch gegen die Nachfrage der Industrie abgewogen werden.

Der Anstieg der Smartphone-Verkäufe in den letzten Jahren mit einem fast exponentiellen Wachstum der intelligenten Technologie in Haushalten und Autos bedeutet, dass Chiphersteller den finanziellen Schlag von der Umstellung auf kleinere Rechenknoten bis zur Reifung des gesamten Systems auf sich nehmen mussten. Genug, um Wafer mit hohem Durchsatz (d. H. Solche mit so wenig Defekten wie möglich) bei hohen Volumina zu schneiden. Angesichts dessen, wovon wir sprechen Milliarden von Es ist ein riskantes Geschäft und ein guter Teil des Grundes, warum GlobalFoundries aus dem Rechenknotenrennen rettet.

Zukunftsausblick

Wenn all dies ein bisschen apokalyptisch klingt und wenn dies ein bisschen apokalypisch klingt, müssen wir uns daran erinnern, dass die nahe Zukunft positiv aussieht. Samsung und TSMC betreiben nicht nur ihre 7-nm-Produktionslinien mit einer guten Marge in Bezug auf Volumen und Umsatz, sondern ihre Chip-Designer planen auch, durch die Verwendung mehrerer Knoten in ihren Produkten voranzukommen. Das bemerkenswerteste Beispiel dafür war kürzlich das kürzlich veröffentlichte Chipdesign von AMD. 3. Generation Ryzen CPU'lar.

Dieser High-End-Desktop-PC-Prozessor besteht aus zwei Chips, die im 7-nm-Knoten von TSMC hergestellt werden, und einem 14-nm-Chip, der von GlobalFoundries hergestellt wird. Das erste sind die eigentlichen Prozessorteile, das zweite verarbeitet den DDR4-Speicher und die an die CPU angeschlossenen PCI Express-Geräte. Unter der Annahme, dass dieses Design wie beabsichtigt funktioniert (und es gibt keinen Grund zu bezweifeln, dass dies der Fall sein sollte), werden wir nach diesem Multi-Node-Setup fast mehr Unternehmen sehen.

Das obige Bild zeigt die Änderungen im Rechenknoten von Intel in den letzten 50 Jahren. Die vertikale Achse zeigt die Knotengröße um den Faktor 10, beginnend bei 10 000 nm von oben. Der Chipgigant folgte einer groben Knotenhalbwertszeit von 4,5 Jahren (die Zeit, die benötigt wurde, um die Knotengröße jedes Mal zu halbieren).

Bedeutet das also, dass wir bis 2025 5-nm-Intel sehen werden? Wahrscheinlich ja, trotz ihres letzten Stolperns mit 10 nm. Samsung und TSMC Fortschritte Dank 5-nm-Forschung ist es gut für jeden zukünftigen Prozessor.

Mit weniger Energie werden sie kleiner und schneller und bieten mehr Leistung. Sie werden zu völlig autonomen Autos, Smartwatches mit der Leistung und Akkulaufzeit aktueller Smartphones und Grafiken in Spielen führen, die über alles hinausgehen, was vor einem Jahrzehnt in Millionen-Dollar-Filmen zu sehen war.

Die Zukunft ist wirklich rosig, weil sie kommen wird klein.