1 нм процессор что дальше
Samsung и IBM создали технологию вертикального расположения транзисторов VTFET, способную резко увеличить производительность и энергоэффективность будущих процессоров, а также вывести их за пределы 1 нм. По сравнению с современными чипами FinFET потребление энергии чипами VTFET ниже на 85%, а производительность выше вдвое.
Перспективы VTFET
IBM и Samsung сравнили VTFET с технологией FinFET. Ее использует, в частности, компания Intel при производстве своих 10-нанометровых процессоров.
По оценке разработчиков, разница между FinFET-процессорами и их аналогами на VTFET будет колоссальной, и совершенно точно не в пользу первых. Прогнозы таковы, что переход на новую технологию позволит чуть ли не удвоить производительность.
Подобные возможности VTFET будут актуальны в первую очередь для настольных процессоров, поскольку автономность системным блокам, подключенным к розетке, не нужна. Другая особенность VTFET, позволяющая радикально снизить расход энергии, наоборот, будет интересная производителям мобильных чипов.
По части энергопотребления процессоры VTFET, уверяют создатели, лучше аналогов на FinFET на 85%. В теории, VTFET может увеличить время работы смартфона на одном заряде вплоть до семи дней.
IBM и Samsung, рекламируя свое новое изобретение, не смогли пройти двух модных тем – майнинга и экологии. Со слов создателей VTFET, данная технология позволяет сделать целый ряд энергоемких задач, включая добычу криптовалюты, гораздо менее вредными для окружающей среды.
Модуль «Управление уязвимостями» на платформе Security Vision: как выявить и устранить уязвимости в своей ИТ-инфраструктуре
Этого получится достичь именно за счет повышенной энергоэффективности процессоров с вертикально расположенными транзисторами. К слову, вопрос опасности, которую представляет майнинг для окружающей среды, действительно актуален. Еще в 2018 г. CNews писал, что он создает огромные нагрузки на энергосети и потребляет больше электричества, чем добыча многих металлов.
Улучшение упаковки и укладки
Поскольку к 2030 году использование более 50 миллиардов транзисторов, очевидно, станет де-факто стандартом для процессоров, ASML и TSMC хотят внедрить передовые технологии упаковки для объединения чипов и создания многокристальных модулей (MCM), в результате чего и будет создан процессор с более чем 300 миллиардами транзисторов.
Наряду с гетерогенной конструкцией процессора и многоуровневыми системами ввода-вывода, будет играть важную роль и трёхмерная логическая укладка . Например, TSMC и AMD находятся сейчас на пороге использования передовых технологий упаковки и укладки — они создали т.н. «структурный кремний» с памятью, уложенной поверх логики.
Выводы
Несмотря на то, что в последнее время понятия техпроцесс и нанометры превратились в маркетинг, они все еще позволяют оценить прогресс в рамках продукции одного производителя. Иными словами, в большинстве случаев чем меньший техпроцесс используется при производстве процессора, тем больше в нем транзисторов и тем больше его итоговая производительность.
Впрочем, важно понимать, что это в полной мере актуально лишь для максимальной производительности процессора, а скорость его работы на длинной дистанции зависит еще и от того, насколько удачна используемая в нем микроархитектура, не перегревается ли процессор, и не испытывает ли он проблемы с троттлингом.
Если говорить упрощенно и простым языком, то техпроцесс – это толщина одного слоя транзисторов. Естественно, чем меньше этот показатель, тем больше транзисторов можно разместить на одном квадратном миллиметре. Это в свою очередь ведет к росту производительности. За последние 20 лет этот показатель удалось уменьшить на два порядка, но постепенно человечество подходит к пределу. Или нет?
Немного теории
Любой процессор состоит из множества транзисторов — переключателей, которые могут находиться в одном из двух положений — 1 и 0. Когда через транзистор проходит ток, на выходе мы имеем единицу, когда тока нет — ноль. Отсюда взялись и все низкоуровневые языки программирования, которые напрямую оперируют нулями и единицами.
В пятидесятых годах прошлого тысячелетия роль транзистора играла обычная вакуумная лампочка, из-за чего первые слабенькие компьютеры с несколькими тысячами транзисторов занимали собой целые комнаты. Революция произошла в начале 60-х годов, когда на свет появились первые полевые транзисторы.
Основа любого транзистора — кремний. На него наносятся два удаленных друг от друга слоя проводника — вход и выход. Поскольку проводники находятся на некотором расстоянии друг от друга, при подаче напряжения на вход на выходе по-прежнему остается «0» (нет тока). Для того, чтобы ток мог пройти от одного проводника к другому, на кремниевую подложку наносится еще один на сей раз изолированный проводник, назовем его затвор. Сам по себе затвор не сможет передать ток от входа транзистора на выход (помним, что он изолирован), но при подаче на него тока, вокруг затвора создается электрическое поле, позволяющего току течь от входа проводника на выход. В этом случае транзистор переходит в положение «1» (ток есть).
С каждым годом размеры транзисторов становились все меньше, а плотность их размещения на кристалле увеличивалась. Но по мере уменьшения размеров транзисторов наступил момент, когда затвор уже не мог блокировать ток от входа к выходу — электроны просто проходили через него. И именно в этот момент в сфере полупроводников произошла еще одна революция — место планарных или плоских транзисторов заняли трехмерные, у которых проводящий канал оказался приподнят над кремниевой подложкой. Из-за этого затвор оборачивает его уже с трех сторон, в результате чего он может лучше управлять током. Такая структура транзисторов получила название FinFET, и именно ее использование помогло производителям продолжить уменьшать размеры транзисторов и увеличивать плотность их размещения до когда-то небывалых значений.
Заключение
В общем, пока техпроцесс продолжает достаточно уверенно уменьшаться, а предел может возникнуть только тогда, когда каналы транзисторов превратятся в цепочки атомов. А вот что станет следующим шагом микроминиатюризации? Что более мелкое и энергоэффективное можно использовать в качестве транзистора?
Свои ответы и предположения пишите в комментариях. Подписывайтесь на мой канал, ставьте лайки! Пока!
Разбираемся в том, что такое техпроцесс, и почему меньше нанометров – это не всегда лучше.
Для многих пользователей главными характеристиками любого процессора до сих пор остаются количество используемых в нем ядер и его тактовая частота. Конечно, отчасти это правда, от них действительно зависит очень многое. Но помимо этого на производительность и энергоэффективность процессора напрямую влияет еще однин не менее важный параметр — технологический процесс.
Сегодня мы расскажем о том, что понимается под техпроцессом, и развеем несколько ошибочных мифов, связанных с этим понятием. Но для лучшего понимания ситуации стоит начать немного издалека.
Проблемы масштабирования
Повышение плотности расположения транзисторов имеет ряд существенных проблем. Первая – тепловыделение. Самые «горячие» процессоры от Intel имеют TPD (уровень теплоотдачи) больше 250 Вт. Становится уже недостаточно даже воздушного охлаждения. Дальнейшее повышение плотности приведет к тому, что схемы будут просто выгорать.
Другая более существенная проблема – квантовые процессы. При переходе на единицы нанометров существенно возрастает ток утечки, и эта проблема распространяется на другие транзисторы. В итоге, критически страдает энергопотребление. Не стоит забывать и про эффект «туннелирования», который делает невозможным проектирование стабильно работающей архитектуры.
Каковы перспективы будущего? Пока есть запас в виде технологий 5, 3 и даже 2 нанометра. Не стоит забывать и про квантовые компьютеры. Пока они служат только для узкоспециализированных задач, но это временно.
Самые дальние перспективы – переход от кремния на другие материалы. Например, германий. И случится это в ближайшие 10-15 лет с учетом динамики развития отрасли в целом.
В ходе конференции Intel Accelerated компания сделала сразу несколько заявлений. Помимо анонса чипов с кардинально новой маркировкой, вендор изменил привычные названия техпроцессов с «абстрактных нанометров» на более наглядную классификацию. Кроме того, уже к 2025 году Intel намерена стать лидером всей отрасли.
Вслед за актуальной технологией SuperFIN компания представит новые поколения процессоров под маркировкой Intel 7, Intel 4, Intel 3, и Intel 20A. В последнем случае размер транзисторов чипов на архитектуре RibbonFET будет указываться не в нанометрах, а в ангстремах. При их производстве будет использоваться технология Intel PowerVia с подачей питания на заднюю часть кремниевого кристалла для улучшения трассировки сигналов. Такие новинки вендор намерен выпустить уже в 2024 году, а через год должны появиться и первые представители ещё более «тонкой» серии Intel 18A.
В ближайшем же будущем компания намерена представить процессоры с маркировкой Intel 7 (переименованные SuperFIN с прибавкой производительности на ватт 10-15%), Intel 4 (7-нм с приростом +20%), а также Intel 3 (техпроцесс неизвестен). Таким образом компания предположительно намерена подчеркнуть, что количество нанометров в названии процессора не отображает его фактической производительности.
«Мы ускоряем нашу дорожную карту инноваций, чтобы гарантировать, что мы находимся на чётком пути к лидерству в производительности к 2025 году. Мы используем наш беспрецедентный поток инноваций, чтобы обеспечить технологический прогресс от транзисторов до системного уровня. Пока таблица Менделеева не будет исчерпана, мы будем неустанно следовать закону Мура и стремиться к инновациям с помощью магии кремния», — заявил генеральный директор Intel Пэт Гелсингер.
В ближайшее время компания выпустит семейство чипов Alder Lake, а производство серии Sapphire Rapids для центров обработки данных начнётся в первом квартале 2022 года.
5 нанометров – предел?
Переход на новые уровень становится все сложнее. Используемые 7 нм обеспечивают должную производительность и компактность практически для всех существующих задач. Помимо этого проблема роста производительности успешно решается путем наращивания количества ядер. Причем этот показатель растет впечатляющими темпами.
Несмотря на то, что крупнейшее предприятие TSMC заявило об освоении технологии пяти нанометров, стоимость только создания производственной линии исчисляется в сотнях миллиардов долларов. О том, во сколько обойдется создание завода для более мелких техпроцессов, остается только догадываться.
Микросхемы на базе 3 нм уже существуют, но это только прототипы. Samsung в свою очередь заявила о планах по производству 3-нанометровой продукции уже к 2021 году. Это позволяет предположить, что предел в 3 нанометра будет покорен в ближайшие 2-3 года, но технологию необходимо дорабатывать. Возможно, потребуется еще до 5 лет перед массовым запуском процессоров на базе 3 нм. Однако что дальше, бесконечно уменьшать слой просто невозможно.
Ждать еще очень долго
На 13 декабря 2021 г. не было известно, на какой стадии находится разработка VTFET. Сроки коммерциализации технологии не установлены, а это означает, что первые процессоры, перешедшие барьер в 1 нм, могут появиться или через пару дней, или через несколько лет.
На конец 2021 г. самыми современными серийными процессорами были мобильные флагманские CPU с топологией 4 нм за авторством MediaTek (Dimensity 9000) и Qualcomm (Snapdragon 8 Gen 1). Они были представлены в ноябре и декабре 2021 г. соответственно, и первые устройства на их основе поступят в продажу в начале 2022 г.
В мае 2021 г. компания IBM показала первый в мире 2-нанометровый процессор. Его производительность на 75% выше семинанометровых, а потребление энергии ниже на 45%. IBM намерена начать их выпуск в IV квартале 2024 г.
Data Fusion Awards: синергия разнородных данных становится неотъемлемой частью бизнеса, науки и государства
Компании, занимающиеся непосредственно производством микросхем, тоже постепенно готовятся к переходу на новые техпроцессы. 4 нанометра освоили пока только Samsung и TSMC, но последняя уже смотрит в сторону 1 нм.
На 2022 г. у компании предварительно назначен запуск 3-нанометровой линии, а 2-нанометровый конвейер должен заработать в 2023 г., если все пойдет по намеченному плану. В мае 2021 г. TSMC добилась значительных успехов в создании 1-нанометровых микросхем, разработав технологию, упрощающую этот процесс. Она работала над ней вместе со специалистами Национального университета Тайваня (НУТ, National Taiwan University) и Массачусетского технологического института (МТИ, Massachusetts Institute of Technology, США).
Последние несколько лет я только и слышу, что «производители чипов упёрлись в технологический предел». Ещё пару лет назад я часто слышал, что чипы, произведённые по техпроцессу 5 нм и менее, будут нестабильны, и развалятся в течение месяцев. Год назад такое говорили про 3 нм. Теперь про 2.
Так вот, в документе, предназначенном для инвесторов, нидерландская компания ASML, которая производит передовые литографы для печати чипов (фабрика TSMC, где печатаются процессоры российской разработки, использует оборудование этого производителя), изложила своё видение перспектив создания процессоров.
Компания планирует достичь такого количества транзисторов, разделив процесс разработки на две фазы: первая — увеличение плотности транзисторов, а вторая — улучшение упаковки и укладки чипа.
Светлое будущее микросхем
Компания IBM совместно с Samsung разработала технологию вертикального размещения транзисторов в кристаллах кремния, при помощи которой основанные на ней процессоры смогут стать гораздо более производительными. Как пишет портал Engadget, в теории она может позволить преодолеть барьер в 1 нм и сделать компоновку будущих микросхем еще более плотной.
Совместное детище Samsung и IBM носит название Vertical Transport Field Effect Transistors (VTFET), его премьера прошла на Международной конференции электронных компонентов (IEDM). Актуальные технологии подразумевают горизонтальное размещение транзисторов, в то время как VTFET допускает их вертикальное расположение. По задумке разработчиков, ток тоже будет проходить вертикально.
Эксперты IBM и Samsung считают, что использование VTFET при разработке и производстве процессоров позволит решить как минимум две фундаментальные проблемы современной микроэлектроники. В первую очередь оно может позволить преодолеть барьер в 1 нм. Помимо этого, что намного более важно с потребительской точки зрения, VTFET, в теории, позволит нарастить производительность будущих CPU.
В качестве еще одного преимущества VTFET разработчики называют возможность радикального снижения потребления процессорами электроэнергии. Но данная технология не позволяет одновременно и повысить производительность, и улучшить энергопотребление. Разработчикам CPU каждый раз придется сделать выбор в пользу одной из этих возможностей.
Плотность транзисторов
Для техпроцессов менее 5 нм, таких как 3 нм и 2 нм , компания использует полевые транзисторы (FET) на основе двухмерных наноструктур (толщина двухмерных наноструктур обычно находится в районе 1 нм, хотя само определение подразумевает толщину до 100 нм) и экстремальную ультрафиолетовую (или мягкую рентгеновскую, кому как больше нравится, диапазоны пересекаются) литографию.
Путь к техпроцессу 1,5 нм будет ещё более сложным и потребует расщеплённых двумерных наноструктур для формирования полевых транзисторов.
Для достижения техпроцесса 1 нм потребуется использование химически чувствительных полевых транзисторов (CFET).
И, наконец, для техпроцессов менее 1 нм будут использоваться двухмерные транзисторы с каналами атомарной толщины.
Что такое техпроцесс
Когда-то давно под техпроцессом понимался размер затвора транзистора, т.е. при 32-нм техпроцессе длина затвора равнялась тем самым 32 нм. Но именно с 32 нм производители перестали придерживаться этого правила, а само понятие техпроцесса во многом превратилось в маркетинговый ход.
Конечно, бытует мнение, что не все так плохо. К примеру, часто можно встретить утверждение, что после разделения понятий «длина затвора» и «техпроцесс», последний оказался напрямую привязан к уже упоминавшемуся нами закону Мура. Раз количество транзисторов на кристалле удваивается каждые два года, то размеры транзистора уменьшаются вдвое, т.е сторона такого транзистора уменьшается в 0,7 раза.
Это была, наверное, последняя попытка производителей хоть как-то упорядочить понятие техпроцесса. Сейчас же он действительно превратился в своеобразный маркетинговый ход, который не имеет ничего общего с реальными цифрами. Более того, 10-нм техпроцесс у одного производителя может кардинально отличаться от того, что под ним понимает другой чипмейкер.
К примеру, 10-нм техпроцесс TSMC использует транзисторы размерами 66х42 нм против 54х44 нм у аналогичного техпроцесса Intel. И, по сути, 10-нм техпроцесс Intel сопоставим с 7-нм у TSMC. Точнее, он сопоставим с ним по размерам транзисторов. Поэтому прогресс по количеству нанометров, по сути, можно рассматривать лишь внутри продукции одной компании.
В то же время, логика «чем меньше, тем лучше» также может стать ошибочной. Все дело в том, что при повышении плотности кристалла на текущем уровне технологий может увеличиваться его нагрев. Следствием этого становятся троттлинг и серьезное снижение производительности. Такие кристаллы хороши в спринте, но не очень подходят для марафонов, т.е. длительных нагрузок. Именно это в полной мере справедливо для таких платформ, как 4-нм Snapdragon 888 и 5-нм Samsung Exynos 2100. Они бесспорно намного производительнее предшественников на коротких дистанциях, но при продолжительной нагрузке преимущество этих SoC тает из-за сильного перегрева и троттлинга.
Закон Мура и зачем уменьшать транзисторы
Еще в 1975 году основатель Intel Гордон Мур вывел одно эмпирическое наблюдение, получившее название закон Мура . Согласно ему, количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 24 месяца. Но зачем вообще нужно увеличивать плотность размещения транзисторов и уменьшать их размеры?
Очевидно, что процессор с несколькими тысячами транзисторов намного слабее, вмещающего в себя 11 миллионов. Но помимо очевидного роста производительности, уменьшение размера транзистора улучшает и его энергоэффективность: чем меньше транзистор, тем меньший ток, требуется для его работы. Уменьшение же размеров затвора снижает время необходимое для переключения транзистора из одного состояния в другое — он начинает работать быстрее.
Читайте также: