In der Welt der Computerchips sind größere Zahlen oft besser. Mehr Kerne, höheres GHz, größere FLOPs von Ingenieuren und Benutzern. Aber es gibt eine Maßnahme, die derzeit heiße Nachrichten 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 gehen wir durch die ganze Sesamstraße und bringen Ihnen diesen Artikel mit den Nummern 10, 7 und 5? Machen wir eine Reise in die Welt der Transaktionsknoten...

Bevor wir uns näher mit den Dingen befassen, lohnt es sich, einige Zeit damit zu verbringen, unseren letzten Blick auf die CPU-Architektur zu überprüfen. Im ersten Teil, Grundarchitektur von Prozessoren und im zweiten Teil, Ingenieure planen und konstruieren Sie.

Der Schlüsselteil dieses Artikels ist die Beschreibung, wie Computerchips sind. körperlich zusammenbringen. Wenn Sie ein tiefes Verständnis des Herstellungsprozesses wünschen, sollten Sie den Abschnitt zur Fotolithografie sorgfältig lesen. Wir werden uns mehr auf diesen Punkt konzentrieren, der in dieser Funktion kurz angesprochen wird:

Einer der wichtigsten Marketingbegriffe im Zusammenhang mit der Chipherstellung ist die Funktionsgröße.




In der Chipindustrie, Feature-Größe, Transaktionsknoten. wie gesagt Wie man Prozessoren entwirft, Teil 3, Dies ist ein ziemlich weitläufiger Begriff, da verschiedene Hersteller den Begriff verwenden, um verschiedene Aspekte des Chips zu beschreiben, aber vor nicht allzu langer Zeit bezog er sich auf die kleinste Lücke zwischen zwei Abschnitten eines Transistors.



Heute ist es eher ein Marketingbegriff und für den Vergleich von Produktionsmethoden wenig brauchbar. Der Transistor ist jedoch ein kritisches Merkmal eines jeden Prozessors, da die Batches die gesamte Zahlenverarbeitung und Datenspeicherung innerhalb des Chips übernehmen und ein kleinerer Verarbeitungsknoten vom gleichen Hersteller sehr wünschenswert ist. Die offensichtliche Frage hier Warum das?

In der Welt der Prozessoren geschieht nichts augenblicklich, noch geschieht dies, ohne dass eine Stromquelle benötigt wird. Größere Komponenten brauchen länger, um den Zustand zu ändern, Signale brauchen länger, und es wird mehr Energie benötigt, um den prozessorbezogenen Strom zu transportieren. Ohne den Versuch zu machen, ausladend zu klingen, nehmen größere Komponenten mehr physischen Platz ein, sodass die Chips größer sind.






Im Bild oben betrachten wir drei alte Intel-CPUs. Von links beginnend gibt es einen 2006er Celeron, einen 2004er Pentium M und einen wirklich alten Pentium von 1995. Es verfügt über einen 65-, 90- und 350-nm-Prozessknoten. Mit anderen Worten, die kritischen Teile des 24 Jahre alten Designs sind fünfmal größer als das des 13 Jahre alten Designs. Ein weiterer großer Unterschied besteht darin, dass der neue Chip 290 Millionen Transistoren enthält, während der ursprüngliche Pentium etwas mehr als 3 Millionen hat. fast hundertmal weniger.

Obwohl die Reduzierung der Verarbeitungsknoten ein Grund dafür ist, dass das neuere Design physisch kleiner ist und mehr Transistoren hat, spielt es eine wichtige Rolle für die Fähigkeit von Intel, es zu liefern.




Aber der Knaller: Der Celeron erzeugt nur etwa 30W Wärme im Vergleich zu den 12W des Pentiums. Diese Wärme ist auf Energieverluste aufgrund verschiedener Prozesse und Energie zurückzuführen, da Strom durch die Schaltkreise im Chip geleitet wird. Das meiste davon wird als Wärme freigesetzt. Ja, 30 ist eine größere Zahl als 12, aber bedenken Sie, dass der Chip etwa 100-mal so viele Transistoren hat.

Wenn also die Vorteile eines kleineren Verarbeitungsknotens zu kleineren Chips führen, führt dies zu mehr Transistoren, die schneller schalten können – was mehr Berechnungen pro Sekunde bedeutet – und wenn weniger Energie als Wärme verloren geht, wirft eine andere Frage auf: Warum verwendet nicht jeder Chip der Welt den kleinstmöglichen Rechenknoten??

Es werde Licht!

An dieser Stelle, Fotolithografie: Licht, Lichtmaske, die in einigen Bereichen Licht blockiert und in anderen Licht durchlässt. Dort wird das Licht 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.




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

Bildquelle: Peellden, Wikimedia Commons

Das Licht ist eigentlich veraltet - selbst für Chips wie den alten Pentium zu groß. Sie fragen sich vielleicht, wie Licht auf der Erde eine beliebige Dimension haben kann, aber Wellenlänge. Licht, Elektromagnetische WelleEs ist ein kontinuierliches zyklisches Mischen von elektrischen und magnetischen Feldern.

Obwohl wir eine klassische Sinuswelle verwenden, um die Form zu visualisieren, haben elektromagnetische Wellen keine wirkliche Form. Es ist eher eine Situation, in der die Wirkung, die sie erzeugen, wenn sie mit etwas interagieren, diesem Muster folgt. Die Wellenlänge dieses zyklischen Musters ist der physikalische Abstand zwischen zwei identischen Punkten: Das Bild ist, wie weit die Wellenberge sind, wenn Meereswellen auf einen Strand rollen. Elektromagnetische Wellen haben einen großen Bereich möglicher Wellenlängen, daher können wir sie kombinieren 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 noch 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 verwenden lieber eine etwas andere Methode, um kleine Längen und den Nanometer oder kurz nm zu beschreiben. Wenn wir uns den erweiterten Teil des Spektrums ansehen, können wir sehen, dass das Licht tatsächlich von 380 nm bis 750 nm reicht.

Bildquelle: Philip Ronan, Gringer

Kehren Sie zu diesem Artikel zurück und lesen Sie den Teil über den alten Celeron-Chip erneut - er wurde auf einem 65-nm-Prozessknoten hergestellt. Wie können also kleinere Lichtstücke hergestellt werden? Ganz einfach: Der Photolithographie-Prozess verwendet kein Licht, sondern ultraviolettes Licht (auch bekannt als UV).

Im Spektraldiagramm beginnt das 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 etwa 190 nm groß. Diese kleine Welle bedeutet nicht nur, dass die Komponenten selbst kleiner hergestellt werden können, sondern ihre Gesamtqualität könnte möglicherweise besser sein. Dadurch können die verschiedenen Teile enger zusammengepackt werden und die Gesamtgröße des Chips reduziert werden.

Verschiedene Unternehmen bieten verschiedene Namen für die von ihnen verwendete Rechenknotenskalierung an. Intel sagt, dass das neueste für die Öffentlichkeit das P1274 oder "10 nm" ist, während TSMC nur "10FF" sagt. CPU-Designer wie AMD Erstellen von Layouts und Strukturen verlassen Sie sich auf TSMC für kleinere Prozessknoten und spätere Aufrüstung von "7-nm"-Großserien-Produktionslinien Anfang dieses Jahres. Bei diesem Produktionsmaßstab sind einige der kleinsten Merkmale nur 6 nm groß (aber die meisten sind größer).

Um wirklich zu verstehen, wie klein 6 nm wirklich ist, haben die Siliziumatome, aus denen die Masse des Prozessors besteht, einen Abstand von etwa 0,5 nm, wobei die Atome selbst einen Durchmesser von etwa 0,1 nm haben. Als Standardfigur beschäftigen sich die Fabriken von TSMC mit Aspekten eines Transistors, der weniger als 10 Siliziumatome über die Breite umfasst.

Schwierigkeiten beim Targeting von Atomen

Abgesehen von der unglaublichen Tatsache, dass Chiphersteller auf Merkmale hinarbeiten, die nur eine Handvoll Atome sind, hat die EUV-Photolithographie eine Vielzahl schwerwiegender Konstruktions- und Herstellungsprobleme geschaffen.

Intel hat sich besonders mit GlobalFoundries Mühe gegeben, seine 10-nm-Produktion auf das gleiche Niveau wie die 14-nm-Produktion und letztes Jahr zu bringen stoppte alle Entwicklung Obwohl die Probleme von Intel und GF mit 7-nm- und kleineren Fertigungssystemen nicht auf die inhärenten Schwierigkeiten der EUV-Photolithographie zurückzuführen sind, können sie nicht völlig unabhängig sein.

Je kürzer die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle ist, desto mehr Energie trägt sie, was ein größeres Schadenspotential für den erzeugten Chip bietet; Die Fertigung in sehr kleinem Maßstab ist sehr anfällig für Verunreinigungen und Defekte 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) stehen ebenfalls gegen das Ziel, einen 100% perfekten Chip zu erreichen.

Zwei Herstellungsfehler in einem Chip. Quelle: Halbleitertechnologie

Es gibt auch die Annahme, dass Stromfluss und Energieübertragung in der fremden Welt der Atome nicht mehr klassischen Systemen und Regeln folgen können. Elektrizität in Form von sich bewegenden Atomen (einem der drei Teilchen, aus denen Atome bestehen) zu halten, ist in dem gewohnten Maßstab relativ einfach – die Leiter mit einer dicken Isolationsschicht zu umhüllen.

Auf der Ebene, an der Intel und TSMC arbeiten, wird dies viel schwieriger zu erreichen, da die Isolierung nicht wirklich dick genug ist. Derzeit hängen die Herstellungsprobleme jedoch fast ausschließlich mit den Problemen der EUV-Photolithographie zusammen, daher wird es einige Jahre dauern, bis wir in den Foren darüber diskutieren können, in denen Nvidia das Quantenverhalten besser gehandhabt hat als AMD oder ähnlicher Mist!

Denn das eigentliche Problem ist der ultimative Grund für Fertigungsschwierigkeiten, Intel, TSMC und alle ihre Hersteller Unternehmenund sie zielen auf Atome mit dem einzigen Ziel, zukünftiges Einkommen zu generieren. Im Business Research Paper Mentor, wie viel mehr für die folgende Übersicht präsentiert Wafer Kosten für kleinere Prozessknoten.

Unter der Annahme, dass der 28-nm-Prozessknoten derselbe ist, den Intel zur Herstellung seiner CPUs der Haswell-Serie (wie dem Core i7-4790K) verwendet, würde das 10-nm-System pro Wafer fast doppelt so viel kosten. Die Anzahl der Chips, die jeder Wafer produzieren kann hängt weitgehend von der Größe jedes Chips abEin kleinerer Transaktionsumfang bedeutet jedoch, dass ein Wafer möglicherweise mehr Chips zum Verkauf bringen könnte, was dazu beiträgt, den Kostenanstieg auszugleichen. Letztendlich wird ein Großteil dieser Kosten für den Verbraucher durch die Erhöhung des Einzelhandelspreises des Produkts gesenkt, aber dies muss gegen die Nachfrage der Industrie abgewogen werden.

Der Anstieg der Smartphone-Verkäufe in den letzten Jahren zusammen mit einem fast exponentiellen Wachstum der intelligenten Technologie in Haushalten und Autos bedeutet, dass Chiphersteller den finanziellen Schlag durch den Umstieg auf kleinere Rechenknoten bis zur Reife des gesamten Systems auffangen mussten. genug, um High-Yield-Wafer (d. h. solche mit möglichst wenigen Defekten) in hohen Stückzahlen zu schneiden. Angesichts dessen, wovon wir sprechen Milliarden Es ist ein riskantes Geschäft und ein guter Teil der Gründe, warum GlobalFoundries vor dem Rennen um Transaktionsknoten gerettet wurde.

Zukunftsaussicht

Wenn das alles ein bisschen düster klingt, sollten wir nicht vergessen, dass die nahe Zukunft positiv aussieht. Samsung und TSMC betreiben nicht nur 7-nm-Produktionslinien mit einer gesunden Marge in Bezug auf Volumen und Umsatz, sondern die Chipdesigner planen auch, mehrere Knoten in ihren Produkten zu verwenden. Kürzlich war das bemerkenswerteste Beispiel dafür das kürzlich veröffentlichte Chipdesign von AMD. Ryzen der 3. Generation CPU'lar.

Dieser High-End-Desktop-PC-Prozessor besteht aus zwei Chips, die auf dem 7-nm-Knoten von TSMC hergestellt werden, und einem 14-nm-Chip, der von GlobalFoundries hergestellt wird. Der erste besteht aus eigentlichen Prozessorteilen, während der zweite DDR4-Speicher und PCI-Express-Geräte verarbeiten wird, die an die CPU angeschlossen sind. Angenommen, dieses Design funktioniert wie beabsichtigt (und es gibt keinen Grund, daran zu zweifeln), dann werden wir fast mehr Unternehmen sehen, die diesem Multi-Node-Setup folgen.

Das Bild oben zeigt die Veränderungen, die in Intels Compute Node in den letzten 50 Jahren stattgefunden haben. Die vertikale Achse zeigt die Knotengröße um den Faktor 10, beginnend bei 10 000 nm von oben. Der Chip-Gigant hat eine grobe Halbwertszeit von 4,5 Jahren (die Zeit, die benötigt wird, um die Knotengröße jedes Mal zu halbieren) verfolgt.

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

Sie verbrauchen weniger Energie, sind kleiner und schneller und bieten mehr Leistung. Sie werden zu vollständig autonomen Autos, Smartwatches mit der Leistung und Akkulaufzeit aktueller Smartphones und Grafiken in Spielen führen, die alles übertreffen, was man vor einem Jahrzehnt in millionenschweren Filmen gesehen hat.

Die Zukunft ist wirklich hell, denn die Zukunft ist klein.