Proceso técnico (nm, micrones): tecnología para la producción de transistores, chips y elementos semiconductores. ¿Qué aporta un proceso técnico más refinado? Acerca del proceso técnico en un procesador de computadora Tecnología de proceso de 40 nm

: "La cantidad de transistores en un chip de circuito integrado se duplica cada 24 meses, lo que genera nuevas tecnologías, ganancias de productividad y avances en la electrónica". Al presentar esta ley al público, uno de los padres de Intel no podía imaginar que los ingenieros podrían respetarla durante cincuenta años. No podía imaginar que en 2014 las dificultades para el cumplimiento de esta ley comenzarían en la propia Intel. Después de todo, para aumentar la cantidad de transistores en un procesador, es necesario reducir el proceso técnico de producción. En pocas palabras, reduzca el tamaño físico de los transistores y aumente su densidad.

Por el momento, el tamaño dominado puede considerarse 22 nanómetros, este es el tamaño de los transistores en el procesador. Parecería que la reducción sólo trae problemas: normas más estrictas de limpieza de las habitaciones, más difícil hacer una plantilla para la litografía, los efectos cuánticos comienzan a influir y más difícil controlar la calidad. Pero ningún fabricante de éxito atravesará tales dificultades si no se trata de reducir los costes de producción y la competencia. En consecuencia, se pueden identificar varias razones para la transición a procesos técnicos más sutiles.

Primero: efectos asociados con la longitud de onda de la luz y la frecuencia de las señales. Toda la electrónica (y no sólo ella) se basa en abstracciones y simplificaciones. Para poder combinar elementos entre sí de forma segura sin tener que volver a realizar un análisis completo, se debe cumplir el principio de superposición para los elementos. Para que el principio de superposición sea verdadero, la escala de la señal debe ser significativamente mayor que el retardo de propagación de la señal en el circuito. Es decir, a una frecuencia de 3 GHz, conociendo la velocidad de la luz, encontramos que el tamaño del circuito debe ser significativamente menor que 10 cm, es decir, 3-4 veces.

Segundo: consumo de energía y disipación de calor. Cuanto más pequeño es el elemento, menos energía consume y genera calor. Esto hace posible utilizar potentes procesadores en dispositivos ultracompactos. Es cierto que a medida que disminuye el tamaño de los transistores, aumentan las dificultades para eliminar el calor, por lo que, aparentemente, los pros y los contras se compensan.

Tercero: los transistores, que constituyen la mayor parte de un procesador moderno, no son simplemente un interruptor controlado por voltaje. Debido a su estructura, también es un condensador pequeño, cuya capacitancia se calcula en femtofaradios, pero aún no es cero. Cada condensador introduce un pequeño retraso en la propagación de la señal digital, que se va acumulando a medida que aumenta el número de componentes conectados. Como resultado, en la salida, en lugar de un pulso rectangular, obtenemos algo como esto:

Cuarto: reducir los costos de producción. Ésta, en mi opinión, es una razón importante. Cada procesador individual se cultiva en una oblea, donde hay muchos. Cuanto más pequeña sea el área de un chip individual (procesador), más caben en una oblea y mayor será el beneficio. Pero esto es sólo una consecuencia de una reducción en el proceso técnico, por lo que sería un error decir que los fabricantes están tratando específicamente de colocar más procesadores en un sustrato de silicio.

Me parece que los fabricantes rápidamente aceptarían que la Ley de Moore es una tontería y dejarían de reducirlo todo. Al fin y al cabo, una reducción del proceso técnico provoca el rechazo de un gran número de procesadores. ¡Cuesta creer que sólo pequeñas fluctuaciones en la corteza terrestre, imperceptibles para los humanos, puedan llevar el número de procesadores inutilizables al 80%! Aquí entra en juego la comprensión de un precio tan elevado para los procesadores. Materiales complejos, equipos de última generación, una enorme plantilla de científicos y otras dificultades no detienen a los fabricantes en su deseo de reducir el proceso técnico. ¿Por qué no? Después de todo, es ciertamente rentable. Intel lleva mucho tiempo prometiendo construir una planta en la Luna, porque hay una gravedad débil, no hay terremotos y ¡se puede reducir el proceso tecnológico al átomo!

A menos que se indique lo contrario.

Normas técnicas de los microcircuitos más complejos. Su precio también baja, aunque no a la mitad (basado en aproximadamente la mitad del área del chip para un número determinado de transistores, con la excepción de los últimos procesos tecnológicos...), sino aproximadamente 1,5 veces con cada transición. al siguiente proceso tecnológico (porque es más complicado y más caro por unidad de superficie). ¿Por qué la longitud física de la puerta (no solo para las CPU Intel) resulta ser menor que el estándar técnico? Lea a continuación.

Norma técnica para CPU Intel. Según la empresa, el proceso de 15 nanómetros puede ser el primero en utilizar ultravioleta "extremo" (EUV) si resulta económicamente viable. Hasta ahora, el coste extremadamente elevado (incluso para los estándares de las fotolitografías) ha frenado su implementación, que se predijo hace 10 años para el proceso de 45 nanómetros. Las razones principales son la necesidad de una fuente de radiación completamente nueva, una nueva óptica de espejo (en lugar de lentes) y un vacío total en el área de trabajo.

Áreas cristalinas de los procesadores y chips de memoria más complejos para el año indicado. En la década de 1990, se detuvo la tendencia de aumentar la superficie en un 14% anual (línea negra). Sin embargo, los cristales de GPU y CPU de servidor más complejos alcanzan los 400-500 mm², pero esta cifra no ha aumentado desde hace cinco años, aunque casi todos los fabricantes ya han logrado pasar a las obleas de 300 mm desde los años 90, lo que les permite producir al mismo tiempo. misma escala masiva y precio incluso cristales tan grandes.

La cantidad de transistores en un chip IC como resultado de una disminución en la tecnología y un aumento en el área del cristal. Se puede observar que la tendencia inicial de crecimiento del doble por año, en la que Gordon Moore basó su razonamiento, era bastante pronunciada en el sentido literal. Pero desde los años 70, tanto los chips DRAM (ahora también flash) como los procesadores lo han continuado a un ritmo más bajo: 58% y 38% anual.

El número de capas que requieren una máscara. Antes de la introducción de la plantilla doble, era igual al número de máscaras. Cada mascarilla requiere de 7 a 8 operaciones de producción, además de control, medición y transporte. Aproximadamente el 20% de las capas de cada cristal (elementos de transistores y las primeras capas de pistas y aislantes) son "críticas", es decir, están fabricadas con el estándar técnico nominal para un proceso técnico determinado. Por lo demás, basta con que sean cada vez más gruesos a medida que se sube desde los transistores (ver ilustración de los espacios de aire), ya que los niveles superiores de metal, por regla general, suministran energía y sincronización, por lo que no requieren una densidad especial de conductores. . Así, las tecnologías de fabricación más caras se utilizan sólo para una parte de las capas, pero ni siquiera esto salva de la creciente complejidad de los procesos técnicos, especialmente desde los años 2000. Hace 20 años, esto ya sucedió con la tecnología BiCMOS (un híbrido de bipolar y CMOS), por lo que se abandonó (sin embargo, Intel logró lanzar 486DX4, Pentium y P.Pro, y Sun Microsystems - SuperSPARC). Hoy en día, sólo las memorias dinámicas y (en menor medida) flash no sufren el crecimiento explosivo de la complejidad. Los chips SiGe ultrarrápidos no se ven obstaculizados por el alto costo porque se fabrican en pequeños lotes para aplicaciones militares y aeroespaciales. De media, el número de mascarillas aumenta a 2 con cada proceso técnico, es decir, en unos 2 años.

Densidad de defectos por 1 cm² de área de viruta de las fábricas más avanzadas durante las pruebas finales. Los números en negrita indican la norma técnica en micras, entre paréntesis el diámetro de las placas.

Nuevamente, densidad de defectos, pero específicamente para chips Intel. Según ella, también está trazado en escala logarítmica (como en el gráfico de arriba), solo que sin escala. ;) Los datos de los procesos técnicos de 45 y 32 nanómetros no se muestran completos; aparentemente se trata de un secreto comercial.

El coste de construir la planta más moderna para un año determinado (o su coste después de la actualización) se ha multiplicado por 70 en 30 años, y el precio de cada transistor que producen se ha reducido 2.000 veces. Los cuadrados vacíos indican números aproximados. Lo que falta aquí es un gráfico de la capacidad de producción, pero no hay datos fiables sobre el mismo para todo el período. Sin embargo, se sabe que las fábricas modernas producen entre 10.000 y 60.000 obleas al mes en el caso de la lógica y entre 2 y 3 veces más en el caso de la memoria. La producción de placas se duplica aproximadamente cada 5 años, además de aumentar su diámetro. Y "la duplicación del coste de una fábrica cada 4 años" incluso se llamó "segunda ley de Moore" (también conocida como ley de Rock), que también tuvo que corregirse a finales de los años 90, cada 5 años. La máquina más cara, la fotolitografía, está subiendo de precio al mismo ritmo: la primera máquina de proyección comercial (1973) costó 210.000 dólares y un escáner moderno, entre 40 y 50 millones.

Precios específicos de una oblea y diferentes tipos de microcircuitos por unidad de sus características cuantitativas más valiosas. La línea negra indica una caída anual del precio medio del 35% o 1,54 veces. Más oportunidades por el mismo precio de chips permitieron que las ventas de chips crecieran un 15% anual entre 1960 y 2000. Sin embargo, la burbuja de las puntocom estalló y 8 años después estalló la crisis mundial, que detuvo el crecimiento de las ventas (pero no parámetros). En la década de 2010, debido a la popularidad de los teléfonos inteligentes y las tabletas, es posible un crecimiento de alrededor del 5% anual, a menos, por supuesto, que algo vuelva a suceder...

El costo de desarrollar un microcircuito complejo según el estándar técnico (datos de IBS, GlobalFoundries). Se puede ver que hasta 45 nm se duplicó cada vez y, a partir de 45 nm, aumentó aproximadamente 1,5 veces. Las cifras absolutas ya han crecido tanto que incluso entre las empresas sin fábrica, los pequeños actores del mercado de CPU no tienen nada que hacer.

El coste medio de producir una oblea para lógica CMOS en 2003 en las fábricas de Severnaya. América (en dólares): Diámetro de la placa, mm Tehnorma, mk Número de capas enmascaradas 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 100 2 145 180 210 125 165 200 230 150 190 230 270 1,2 260 300 340 0,8 375 420 465 200 450 500 560 0,5 560 615 675 0,35 700 760 830 0,25 890 980 1070 1155 0,18 1320 1440 1565 0,13 1815 1970 2130 300 2500 2690 2890 0,09 2860 3065 Los precios están redondeados y no tienen en cuenta las operaciones de acabado (prueba, corte y embalaje). Las cifras muestran por qué es rentable para los fabricantes cambiar a nuevos procesos tecnológicos y a obleas de mayor diámetro: el mayor coste de producción de cada nueva oblea se compensa con el mayor número de chips producidos a partir de ella. Sin embargo, pasar a un diámetro mayor significa reemplazar casi todo el equipo de la sala blanca y aumentar el flujo de materiales de trabajo ultralimpios (especialmente agua) suministrados desde el piso de servicio. Y la transición a un nuevo proceso técnico, incluso uno "obsoleto", inicialmente (hasta que se depure) dará un rendimiento menor de los adecuados. Sin embargo, Intel también se distinguió aquí al utilizar la técnica Copy Exactly en sus fábricas de todo el mundo: tan pronto como el proceso técnico se lleva a producción en masa en una de las fábricas experimentales en Hillsboro (Oregón, EE. UU.), se transfiere a producción. fábricas, copiando absolutamente todo hasta el más mínimo detalle: la lista y el tipo de máquinas, sus parámetros (“recetas”) y programas, acciones del personal... Incluso se utilizan herramientas manuales del mismo tipo para los trabajos de instalación y puesta en servicio. Suena un poco paranoico, pero Intel puede transferir el proceso técnico de una fábrica a otra sin el daño esperado en sólo unos meses, e incluso más rápido, produciendo un chip con un proceso técnico ya preparado.

Nuevo paso

A principios del verano de 2011, Intel anunció que en menos de un año estaría lista para producir en masa procesadores con tecnología de 22 nm (en un principio será la arquitectura Ivy Bridge, basada en el moderno Sandy Bridge). Según el ciclo de tic-tac de 2 años de la compañía (alternando el lanzamiento anual de una nueva microarquitectura y un nuevo proceso técnico), inicialmente se planeó lanzar Ivy Bridge a finales de 2011 (al igual que Sandy Bridge en 2010). Sin embargo, Intel está plagada de retrasos: la presentación de Sandy Bridge tuvo lugar recién en enero, y recientemente la compañía decidió retrasar el lanzamiento de Ivy Bridge al menos hasta la primavera de 2012. No está claro si esto se debe a dificultades con el proceso técnico. Esto a pesar de que Intel presentó los primeros chips de RAM con nuevos transistores de 22 nanómetros en septiembre de 2009.

En cuanto a los métodos litográficos no se esperan revoluciones tecnológicas, aparte de que la longitud de onda de 193 nm requiere no sólo escáneres de inmersión, sino también al menos un doble estarcido. Esto en sí mismo es curioso, porque hace 5 años los expertos dijeron unánimemente que para tales longitudes de onda es necesario cambiar a nuevos tipos de litografía, lo que aumenta dramáticamente la complejidad y el costo del proceso técnico.

Pero la mayor sensación (por supuesto, por sugerencia de los especialistas en marketing de la empresa) fue un cambio importante en el diseño de los transistores, llamándolos tridimensionales o de tres puertas. Más precisamente, deberían llamarse FinFET: transistor de efecto de campo con puerta de "aleta". Sin embargo, al adelgazar el canal y colocarlo verticalmente, su número puede ser más de uno para aumentar el área total entre la puerta y los canales. Un transistor de este tipo puede denominarse multipuerta (multigate FET, MuGFET), aunque cada uno de sus canales estará controlado por una puerta común. Como resultado, será necesario aplicarle menos voltaje para cambiar el transistor, la velocidad de conmutación será mayor y la fuga será menor, ya que ahora solo es posible a través del estrecho borde inferior del canal.

Un transistor sobre un sustrato sólido (del tipo que todavía usa Intel) pierde corriente del canal cuando el campo de puerta forma una capa inversa en él. El sustrato (incluso si está conectado a tierra) atrae algunos de los portadores de carga hacia la capa de agotamiento. ▼

Las fugas se pueden reducir utilizando la tecnología SOI, en este caso parcialmente agotada (Partially Depleted, PD SOI). En este caso el aislante corta el sustrato, pero la capa residual debajo del canal (“cuerpo flotante”) sigue provocando fugas, aunque no tan grandes. Esta tecnología se utiliza ampliamente principalmente debido a su costo relativamente bajo. ▼

Una versión más avanzada es SOI completamente agotado (FD SOI). Aquí el área de la fuente, el drenaje y el canal se vuelven más delgados, de modo que no queda espacio para el cuerpo flotante. El problema de las fugas está solucionado, pero (según Intel) con un aumento del 10% en el precio del chip, por lo que no se utiliza mucho. ▼

Y aquí está la solución de Intel (que se muestra en el lateral, a diferencia de las secciones transversales anteriores a lo largo del canal): colocar el canal verticalmente y rodearlo con una contraventana en tres de los cuatro lados. No hay cuerpo flotante, no hay fugas, el área de la capa invertida es mayor y, como no se requieren máscaras adicionales, el precio es sólo entre un 2% y un 3% más alto. De nuevo, según Intel.

Un transistor de “tres puertas” en realidad significa un transistor con un canal rodeado por una puerta (a través de una capa en forma de un aislante delgado, indicada en amarillo) en tres lados, en comparación con uno plano, donde la superficie de contacto es una plano único.

Los transistores planos de 32 nm se muestran en la parte superior, los de 22 nm de 2 (en la esquina inferior izquierda) y los de 6 puertas “3D” se muestran a continuación.

4 generaciones de transistores Intel "fin": demostración de diseño (2002), multipuerta (2003), celdas SRAM (2006) y adaptación de la "última puerta" metálica (2007).

Por supuesto, Intel inmediatamente se jactó de que, en comparación con la tecnología de proceso de 10 micrones del i4004, el transistor de 22 nanómetros es 4.000 veces más rápido, consume 5.000 veces menos energía y cuesta 50.000 veces menos. Más importante aún, tomó 5 años desarrollarlo y otros 5 (como resulta ahora...) adaptarse a la producción en masa. Al mismo tiempo, Intel honestamente señala las dificultades en la implementación de la nueva tecnología: la necesidad de extremos para la puerta, problemas con la capacitancia y la variabilidad de los parámetros, dificultades en el pulido y grabado uniforme de estructuras más gruesas y la transmisión de tensión mecánica a la puerta. por el canal, etc. Hay que asumir que todos estos problemas se han solucionado al menos satisfactoriamente, de lo contrario los chips mostrados no funcionarían. Las preguntas sobre el ratio de rendimiento y el coste real siguen abiertas. Los competidores (TSMC y Global Foundries) hasta ahora sólo han anunciado el inicio del desarrollo de FinFET para sus procesos de 14 nanómetros, que estarán listos en algún momento de 2014...

Características corriente-voltaje (características CV) de un transistor de canal n plano (línea negra) y dos tridimensionales (azul). Lo ideal es que la corriente cero en la puerta sea cero. Cuanto más pequeño es, menos consume el procesador, incluso en reposo. La tensión umbral es aquella a la que conmuta el transistor (en este caso, 0,33 V con una corriente del 10% de la nominal). Debe ser lo más pequeño posible para que el transistor funcione más rápido y con una tensión de alimentación más baja (aquí, 1 V). La transición a una puerta tridimensional permite, con el mismo voltaje, reducir las fugas cuando el canal está cerrado (línea inferior) o aumentar la velocidad de su apertura (línea superior), reduciendo al mismo tiempo el voltaje.

Dependencia del tiempo de conmutación de la tensión de alimentación (idealmente una hipérbola) para transistores planos de 32 nm (línea negra) y 22 nm (gris), así como para transistores masivos (azules) de 22 nm. Este último permite, a la misma velocidad, reducir la tensión de alimentación en 0,2 V, lo que en teoría reducirá el consumo 1,56 veces, y según Intel, más de la mitad. Si es necesario aumentar la frecuencia, los nuevos transistores traerán pocos beneficios a un voltio nominal (se promete una aceleración del 18% en relación con 32 nm), pero a 0,7 V (aparentemente, este será el voltaje para los chips móviles) darán hasta un 37% de aceleración. Además, a juzgar por estos gráficos de la presentación, las aceleraciones serán del 22% y del 59%, es decir, 1/(1−0,18) y 1/(1−0,37), como se debe considerar. ¿Realmente hemos pillado a los técnicos de Intel cometiendo errores básicos al calcular porcentajes?

Análisis de nanómetros.

Es hora de descubrir qué se entiende por normas técnicas. No en vano, casi al final del artículo se intenta definir este término tan importante. Antiguamente se entendía por norma técnica el elemento más pequeño en longitud o anchura formado por un determinado proceso técnico. Cuando el estándar técnico se volvió más pequeño que la longitud de onda, aparecieron dos definiciones separadas: para chips regulares (memoria, matrices programables, fotosensores, incluso con bloques lógicos incorporados) e irregulares (lógica compleja, incluidos los que contienen cachés, buffers, etc.). pag.). Para el primero, el medio paso mínimo de una estructura linealmente regular, para el segundo, el ancho mínimo de la pista del nivel metálico inferior (que es aproximadamente el doble de largo que la puerta del transistor).

Sin embargo, últimamente esto ha dejado de importar. El hecho es que el número de fábricas que producen microcircuitos utilizando los procesos técnicos más modernos está disminuyendo constantemente. Al mismo tiempo, ni una sola empresa que produce equipos para la producción de semiconductores los fabrica por sí misma: todos los fabricantes de chips compran máquinas aproximadamente de las mismas empresas (tampoco muy numerosas). Obviamente, los procesos técnicos ensamblados a partir de máquinas y configuraciones en las fábricas resultarían como dos gotas de agua, pero esto sólo tiene sentido para varias fábricas de una empresa, y en el mundo hay pocas empresas de este tipo. Por eso, cada empresa intenta satisfacer a los clientes con algo especial, producido con equipos casi estándar. Y aquí esos mismos nanómetros pasaron por el quirófano...

¹ - Optimización de la eficiencia energética
² - Con litografía de inmersión
³ - Con litografía de inmersión y dieléctricos de capa intermedia de baja permeabilidad

Esta tabla muestra el área (en micrones cuadrados) de una celda SRAM de 6 transistores, que normalmente se usa para medir la densidad de transistores para chips lógicos. (Esto en sí mismo es curioso, dado que las SRAM se utilizan en una variedad de registros, buffers y cachés, es decir, circuitos regulares unidimensionales y, más a menudo, incluso bidimensionales, y no en lógica sintetizada, que casi no tiene repeticiones. Y sin embargo... ) ¡Y lo más importante es que todos estos son procesos de “45 nanómetros” (como afirman estas empresas)!

Además, ITRS (Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores, un plan tecnológico internacional para [fabricantes] de semiconductores, elaborado por expertos de las empresas más grandes y sus asociaciones) publica periódicamente recomendaciones sobre los principales parámetros de los procesos técnicos para las empresas de microelectrónica, es decir, para ellas mismas. Ahora veamos cómo se siguen estas recomendaciones:

La respuesta corta es de ninguna manera. Llegó al punto que en el reciente foro IEDM admitieron que consideraban la norma técnica como un concepto de marketing, es decir, nada más que un número para publicidad. De hecho, hoy en día no es más razonable comparar procesos técnicos en nanómetros que hace 10 años (después del lanzamiento del Pentium 4) y seguir comparando el rendimiento de la CPU (incluso de la misma arquitectura de software) en gigahercios.

La diferencia en los procesos técnicos con los mismos estándares técnicos afecta activamente el precio de los chips. Por ejemplo, AMD utilizó un proceso de 65 nanómetros desarrollado conjuntamente con IBM con obleas SOI, óxidos de doble puerta, germanio implantado en silicio, dos tipos de capas de tensión (compresión y tracción) y 10 capas de cobre para las interconexiones. La tecnología de proceso de 65 nm de Intel incluye una oblea de silicio sólido relativamente barata, un dieléctrico de espesor único, germanio implantado en el silicio, una capa elástica y 8 capas de cobre. Según estimaciones aproximadas, Intel necesitará 31 máscaras para su proceso y AMD, 42.

Como resultado, debido a la diferencia significativa en las tecnologías de silicio tensado y el tipo de sustrato (las obleas SOI cuestan aproximadamente 3,6 veces más que las normales), el precio final de una oblea de 300 mm para AMD será ≈$4300, lo que es un 70% más caro. que el precio de Intel: ≈2500 dólares. Por cierto, las CPU Intel, por regla general, también tienen áreas de matriz más pequeñas que las de AMD similares en número de núcleos y tamaño de caché. Ahora está claro por qué Intel está mostrando beneficios envidiables, mientras que AMD últimamente apenas ha podido mantenerse en pie.

Datos del IEDM sobre procesos técnicos al año 2010. Fuente - .

A partir de los informes del IEDM se puede crear un cuadro resumen con los parámetros de los últimos procesos técnicos de las empresas líderes. Muestra que todos los procesos técnicos con una norma técnica "fina" (nodo de proceso) han cambiado a doble plantilla (DP) y litografía de inmersión, y el voltaje de suministro (V dd) se ha detenido durante mucho tiempo en 1 voltio (el consumo de energía del transistor). sigue cayendo incluso sin esto, pero no tan rápido). Es mucho más interesante comparar la longitud de la puerta (L Gate), el paso de la puerta de contacto (Contacted Gate Pitch) y el área de la celda SRAM (SRAM Cell Size).

Aquí cabe destacar que las cachés de una CPU fabricada con el mismo estándar técnico de la misma empresa tienen un área de celda entre un 5 y un 15% mayor que la indicada en el caso de L2 y L3, y entre un 50 y un 70% mayor para L1. El hecho es que las cifras de superficie reportadas en IEDM también son algo promocionales. Sólo son válidos para una única matriz de celdas y no tienen en cuenta amplificadores, buffers de E/S, decodificadores de direcciones, reservas de tamaño para aumentar la confiabilidad ni compensaciones de densidad por velocidad (para L1).

Para simplificar, tomaremos sólo procesos Intel de “alto rendimiento”. A 130 nm, la longitud de la puerta era el 46% de la norma técnica y hoy es el 94%. Sin embargo, el tono del obturador se ha reducido 4 veces más que la norma técnica. Sin embargo, si se divide el área de la celda SRAM por el cuadrado de la norma técnica, entonces las celdas antiguas necesitan ≈120 de esos cuadrados, y las nuevas, ya ≈170. AMD con sus placas SOI es más o menos lo mismo. En un proceso de "65 nm", el tamaño mínimo real de la puerta se puede reducir a 25 nm, pero el paso de la puerta puede exceder los 130 nm y el paso mínimo de la pista metálica puede ser superior a los 180 nm. Desde aproximadamente 2002, el tamaño de los transistores ha ido disminuyendo a un ritmo más lento que los estándares técnicos. En el lenguaje de la RuNet moderna, los nanómetros ya no son lo mismo...

Y ahora, armados con cifras sobre este desastre de una economía microelectrónica compleja, volvamos a los “22 nanómetros” prometidos por Intel. Según las cifras preliminares, la situación es buena: la superficie de la celda es de 0,092 m2. para "rápido" y 0,108 para la versión energéticamente eficiente del proceso (datos de 2009 para un chip de prueba SRAM de 22 nm). En la versión rápida, esto equivale a 190 cuadrados elementales, un poco peor que en los estándares técnicos anteriores. Pero Intel seguirá usando litografía de inmersión de 193 nm por 14 nm, posiblemente con triple plantilla. Y durante 10 nm, con quíntuple (5 exposiciones y un redondeo de espaciadores). Al mismo tiempo, para un proceso de 10 nanómetros, el costo de las etapas de litografía por unidad de área será aproximadamente seis veces mayor que para un proceso de 32 nanómetros, pero si el área será 10 veces menor (como en una reducción lineal) es dudoso. Aquí ni siquiera importa por qué Intel decidió que sus dos próximos procesos tendrán estándares tecnológicos de 14 y 10 nm, y no 16 y 11, como cabría esperar (cada uno de los siguientes es √2 veces más pequeño). Después de todo, los nanómetros ahora significan poco... ¿Qué sigue?

Si volvemos a los gráficos generales, los últimos tratan sobre el precio o el coste por una razón. Si intentamos extrapolar a partir de ellos las tendencias para el futuro, resultará que después de un tiempo en el mundo solo quedarán 2 o 3 empresas capaces de desarrollar e implementar los procesos tecnológicos más modernos. Esto les costará sumas de 11 cifras en dólares, que sólo podrán recuperar si los productos se venden en todo el mundo, lo que sólo es posible con una monopolización total: una plataforma, una arquitectura, un concepto... No habrá lugar Sólo somos 7 mil millones de personas y este número no crece tan rápidamente como los precios de las fábricas y los procesos técnicos.

Además, es probable que disminuya el número de empresas sin fábricas. La cuestión no es que unas pocas grandes empresas cubran casi todas las necesidades de casi todo el mundo con sus chips. Incluso si ha desarrollado algo único, el costo de implementación puede ser tan alto que no lo recuperará con todas sus ventas. Y esto también es consecuencia de la tecnología de masas:

La imagen formada por la máscara antes de golpear la placa se reduce ópticamente 4 veces a una tira de exposición estándar de ≈24 mm de tamaño (para litógrafos modernos), y el tamaño de la máscara en sí es de aproximadamente 18 × 12 cm. y los métodos PSM requieren que tenga una resolución no peor que la que se está formando, lo que ya para 65 nm eleva el costo de un juego de máscaras a cientos de miles de dólares, y para los procesos tecnológicos más nuevos, hasta un par de millones. .

Ahora imagine que nosotros, una empresa pequeña pero orgullosa, necesitamos lanzar un sistema en chip diseñado para nuevas tabletas y teléfonos inteligentes. Los especialistas en marketing dicen que debido a la fuerte competencia de adivina qué empresa, 100.000 personas definitivamente comprarán dispositivos con nuestra CPU. Un procesador basado en una tecnología de proceso de 28 nanómetros (uno más antiguo perderá la carrera de la glotonería) costará unos 15 dólares, pero si se tiene en cuenta el precio de las mascarillas (aunque se divida entre 100.000), ya será $35. Y esto sin tener en cuenta el lanzamiento de varias revisiones para corregir errores y optimizar parámetros. Se necesitan unas cinco revisiones para un nuevo chip complejo, y para cada una (después de la primera) es necesario actualizar una proporción significativa de las máscaras de todo el conjunto.

Al final, resulta que incluso sin cometer un solo error en la estrategia de mercado, pagaremos por nuestro chip solo contando con la producción y venta de dispositivos con él por millones, de lo contrario nadie lo comprará debido a la precio. Recientemente, un empleado de Cadence (que produce sistemas CAD especializados para el diseño de chips) dijo que el costo de pasar de 32-28 a 22-20 nm ha aumentado significativamente en comparación con los pasos anteriores. Las empresas de microelectrónica invirtieron entre 1.200 y 3.000 millones de dólares en investigación y desarrollo para 32-28 nm y entre 2.000 y 3.000 millones de dólares para 22-20 nm. El diseño de chips cuesta entre 50 y 90 millones de dólares para 32 nm y entre 120 y 500 millones de dólares para 22 nm. Para compensar los costos de desarrollo y producción será necesario vender entre 30 y 40 millones de cristales de 32 nanómetros y entre 60 y 100 millones de cristales de 20 nm.

Sin embargo, las grandes empresas cuyos productos se compran por millones también tendrán dificultades para explicar por qué deberían comprar otro procesador con teraflops y terabytes de memoria, dado que los modelos anteriores hacen todo bien. Quizás, en algún momento, el pago forzoso por nuevos productos tampoco ayude, por ejemplo, como resultado de la cancelación prematura del soporte para modelos antiguos o su desgaste y parada programados...

La microelectrónica mundial, siguiendo la ley de Moore, siempre ha refutado los temores planteados regularmente por los ingenieros de que estamos a punto de encontrarnos con limitaciones físicas insuperables, después de lo cual la industria se quedará estancada para siempre o se verá obligada a cambiar a materiales y efectos fundamentalmente nuevos. Pero puede resultar que el verdadero freno sea el efecto de la saturación global: después de un rápido crecimiento, ya no será necesario cambiar los procesadores y la memoria cada uno o dos años, como los zapatos y la ropa, con tallas nuevas y adecuadas.

Otro problema es que incluso en aquellas aplicaciones donde el rendimiento y la memoria nunca serán superfluos, un salto cualitativo (en lugar de otra duplicación de registros, vectores, cachés y núcleos) sólo se puede lograr cambiando a un nuevo tipo de base elemental: el grafeno. fotónica, espintrónica, cuántica u otra “magia”. Pero para desarrollarlo, adaptarlo a la producción en masa y (¡especialmente!) construir la propia producción, se necesitará una enorme cantidad de dinero, mucho más que el precio de una fábrica moderna. Es muy posible que dentro de 10 años (cuando ya no sea posible estirar la litografía actual) ninguna empresa privada pueda hacerse cargo de esto. ¿Y qué Estado, incluso hoy, querría financiar las tecnologías microelectrónicas de alto riesgo del futuro?

Intel ha confirmado un retraso en la producción en masa de CPU que utilizan el proceso de 10 nm hasta la segunda mitad de 2017. El fabricante de chips afirma que debido a las dificultades para dominar los nuevos estándares de producción, tendrá que extender el ciclo de vida del proceso de CPU de 14 nm un año más. Así, el próximo año Intel presentará los procesadores Kaby Lake y Cannonlake no se lanzará hasta 2017. La dirección de Intel admitió que debido a la creciente complejidad de la producción de chips, la famosa ley de Moore puede sufrir una transformación. Sin embargo, a diferencia de sus competidores, Intel no tiene planes de simplificar las características de la nueva tecnología de fabricación para acelerar su tiempo de comercialización. La corporación confía en que su tecnología de proceso de 10 nm será la mejor de la industria.

La ciclicidad de la ley de Moore aumenta

Cuando Gordon Moore hizo por primera vez su observación sobre la duplicación del número de transistores en los circuitos integrados en 1965, observó que el número se duplicaba cada 12 meses. En 1975, revisó su observación e hizo una predicción de que el número de transistores en los microcircuitos se duplicaría cada dos años. En los últimos años, las tecnologías de fabricación y los circuitos integrados se han vuelto tan complejos que han dado lugar a ciclos de cambio de procesos más largos. Como consecuencia, el número de transistores en los chips ahora se duplica cada dos años y medio o menos. Como resultado, Intel se ve efectivamente obligada a producir no dos, sino tres familias de microprocesadores que utilizan la misma tecnología.

"Las dos últimas transiciones a nuevas tecnologías han demostrado que la duración del ciclo actual es de aproximadamente dos años y medio". dijo Brian Krzanich, director ejecutivo de Intel, durante la conferencia telefónica trimestral de la compañía con inversores y analistas financieros. « De acuerdo con esto, en la segunda mitad de 2016 planeamos introducirlago kaby,la tercera generación de nuestros productos de 14 nm, que se basará en fundamento de la arquitecturaSkylake, pero tiene mejoras clave de rendimiento. Esperamos que esta innovación en nuestra hoja de ruta introduzca nuevas capacidades y aumente la velocidad informática, al tiempo que allana el camino para una transición fluida a 10 nm”.

No todos los procesos son iguales

Intel tiene la intención de comenzar la producción de sus chips, con el nombre en código Cannonlake, utilizando tecnología de producción de 10 nm solo en la segunda mitad de 2017. A juzgar por informes de fuentes no oficiales, Samsung planea comenzar la producción en masa de chips con tecnología de 10 nm ya en 2016. De esta forma, Samsung puede adelantarse a Intel en el desarrollo de procesos tecnológicos avanzados.

En teoría, el retraso podría representar un problema para Intel, ya que las normas de producción más delgadas significan una oportunidad para reducir el consumo de energía y aumentar el rendimiento. Si bien los procesadores Intel no compiten directamente con los procesadores Apple A y Samsung Exynos (que son los que Samsung produce utilizando tecnología de punta), los dispositivos basados ​​en Intel compiten con los basados ​​en esos chips. Como resultado, a medida que aumente la popularidad de dichos dispositivos, disminuirá la popularidad de los productos electrónicos basados ​​​​en productos Intel.

Sin embargo, vale la pena entender que 10 nm es solo el nombre del proceso tecnológico, lo que indica una de sus características. Todos los procesos de fabricación de Intel son generalmente superiores a los de otros fabricantes de semiconductores. Así, las tecnologías FinFET de 14 nm y 16 nm de Samsung, GlobalFoundries y TSMC, aunque utilizan transistores más pequeños, se basan en interconexiones de tecnología de proceso de 20 nm. Así, el tamaño de los chips producidos con tecnologías 14LPE y CLN16FF no difiere de los fabricados con procesos menos avanzados, lo que no permite aumentar significativamente su presupuesto de transistores en comparación con sus predecesores.

En comparación con las tecnologías de fabricación de chips de otros fabricantes de semiconductores, los nuevos procesos de fabricación de Intel son siempre superiores a sus predecesores en todos los aspectos. Así, la tecnología de proceso de 14 nm de Intel no sólo aumenta el potencial de frecuencia y reduce el consumo de energía, sino que también aumenta la densidad de los transistores, lo que permite integrar más bloques funcionales en los microcircuitos.

Intel: ¡Seguiremos siendo líderes en la industria de semiconductores!

El director ejecutivo de Intel destacó que la empresa no utilizará todo tipo de trucos para declarar formalmente la transición a la tecnología de proceso de 10 nm. La nueva tecnología de fabricación reducirá el tamaño tanto de los transistores como de las interconexiones, lo que maximiza la densidad de elementos y reduce el coste de los chips por transistor.

“Creemos que si nos fijamos en la escala [10- nm en comparación con 14 nm], entonces será bastante grave en comparación con lo típico al pasar de un proceso a otro”.- dijo el señor Krzanich. “No les daré números exactos ahora. Pero creemos que si juntamos todas [las innovaciones tecnológicas de 10 nm], nuestra posición de liderazgo [en la industria] no cambiará, incluso con el retraso [en los envíos de chips]”.

El jefe de Intel no reveló muchos detalles sobre el proceso tecnológico de 10 nm, así como las razones exactas del retraso en el inicio de su uso. Sin embargo, insinuó que la nueva tecnología de fabricación utiliza transistores de puerta vertical "mejorados" (FinFET), así como litografía de inmersión de patrones múltiples.

"Cada [proceso técnico] tiene su propia receta de complejidad y dificultad".- explicó el señor Krzanich. “Los problemas con la transición de 14 nm a 10 nm son aproximadamente los mismos que los problemas con la transición de 22 nm a 14 nm. La fotolitografía [de inmersión] se está volviendo cada vez más difícil de utilizar a medida que los tamaños de las características de los chips se vuelven más pequeños. El número de pasadas cuando se utiliza multipatrón aumenta”.

Intel: lanzaremos millones de Cannonlake en el primer año

No es ningún secreto que el proceso de entrada al mercado de chips Broadwell duró muchos meses y que los volúmenes de producción iniciales de Core M (Broadwell) con tecnología de 14 nm fueron escasos. Intel promete que el año adicional ayudará a sus ingenieros a pulir el proceso de 10 nm para lanzar rápidamente nuevos chips Cannonlake a una producción verdaderamente en masa.

“En la segunda mitad de 2017, comenzaremos la producción de los primeros procesadores de 10 nm, cuyo nombre en código es Cannonlake.», - dijo el señor Krzanich. "Cuando hablamos del segundo semestre de 2017, hablamos de millones de unidades y grandes volúmenes".

Intel: el ciclo tic-tac aún puede regresar

Intel dice que aunque el tiempo para utilizar un proceso tecnológico para la fabricación de microprocesadores se ha extendido a dos años y medio o tres, la compañía intentará volver a su modelo "tic-tac", cuyo ciclo es de aproximadamente dos años. años. Es muy posible que el regreso del “tic-tac” requiera una transición al uso de la fotolitografía en ultravioleta profundo (litografía ultravioleta extrema, EUV). Si se utiliza la tecnología de proceso de 10 nm durante tres años, en 2020 los escáneres EUV podrían ser económicamente viables para la producción de chips utilizando la tecnología de proceso de 7 nm.

Cabe señalar que alargar los ciclos tecnológicos también significa alargar los ciclos de microarquitectura: ahora se utilizará una microarquitectura fundamental para tres generaciones de procesadores en tres años. Cómo Intel planea aumentar el rendimiento en cada generación y qué tan significativo será el aumento en la velocidad del procesador cada año, solo el tiempo lo dirá.

A pesar de que el proceso técnico no afecta directamente el rendimiento del procesador, aún lo mencionaremos como una característica del procesador, ya que es el proceso técnico el que influye en el aumento del rendimiento del procesador a través de cambios de diseño. Me gustaría señalar que el proceso técnico es un concepto general tanto para los procesadores centrales como para los procesadores gráficos que se utilizan en las tarjetas de video.

El elemento principal de los procesadores son los transistores: millones y miles de millones de transistores. De esto se desprende el principio de funcionamiento del procesador. Un transistor puede pasar y bloquear corriente eléctrica, lo que permite que los circuitos lógicos funcionen en dos estados: encendido y apagado, es decir, en el conocido sistema binario (0 y 1).

La tecnología del proceso depende esencialmente del tamaño de los transistores. Y la base del rendimiento del procesador está precisamente en los transistores. En consecuencia, cuanto más pequeños sean los transistores, más se podrán colocar en el chip del procesador.

Los nuevos procesadores Intel se fabrican utilizando la tecnología de proceso de 22 nm. Un nanómetro (nm) es 10 elevado a -9 de un metro, que es una milmillonésima parte de un metro. Para que puedas imaginar mejor cuán pequeños son estos transistores, te daré un dato científico interesante: “¡Con la ayuda de la tecnología moderna, se pueden colocar 2000 puertas de transistores en el área de un corte de cabello humano! "

Si tenemos en cuenta los procesadores modernos, el número de transistores hace tiempo que supera los mil millones.

Bueno, el proceso técnico de los primeros modelos no comenzó en absoluto con nanómetros, sino con cantidades volumétricas mayores, pero no volveremos al pasado.

Ejemplos de procesos técnicos de procesadores gráficos y centrales.

Ahora veremos un par de los últimos procesos técnicos utilizados por conocidos fabricantes de gráficos y procesadores centrales.

1. AMD (procesadores):

Proceso tecnológico 32 nm. Estos incluyen Trinity, Bulldozer, Llano. Por ejemplo, en los procesadores Bulldozer, el número de transistores es de 1.200 millones, con un área de cristal de 315 mm2.

Proceso tecnológico 45 nm. Estos incluyen procesadores Phenom y Athlon. Un ejemplo en este caso sería Phemom, con un número de transistores de 904 millones y una superficie cristalina de 346 mm2.

2. Información:

Proceso tecnológico 22 nm. Los procesadores Ivy Bridge (Intel Core ix - 3xxx) están construidos según los estándares de 22 nm. Por ejemplo, el Core i7 – 3770K, tiene 1,4 mil millones de transistores a bordo, con un área de cristal de 160 mm2, vemos un aumento significativo en la densidad de colocación.

Proceso tecnológico 32 nm. Estos incluyen los procesadores Intel Sandy Bridge (Intel Core ix – 2xxx). Aquí se encuentran 1,16 mil millones en una superficie de 216 mm2.

Aquí se puede ver claramente que según este indicador, Intel está claramente por delante de su principal competidor.

3. AMD (ATI) (tarjetas de video):

Proceso tecnológico 28 nm. Tarjeta de video Radeon HD 7970

4. NVIDIA:

Proceso tecnológico 28 nm. GeForce GTX 690

Entonces analizamos el concepto de proceso técnico en procesadores centrales y gráficos. Hoy en día, los desarrolladores planean conquistar la tecnología de proceso de 14 nm, y luego 9, utilizando otros materiales y métodos. ¡Y esto está lejos del límite!

nosotros-it.net

¿Qué es el proceso de tecnología del procesador y a qué afecta?

Todas las tecnologías informáticas modernas se basan en la electrónica semiconductora. Para su producción se utilizan cristales de silicio, uno de los minerales más comunes en nuestro planeta. Desde la desaparición de los voluminosos sistemas de tubos y el desarrollo de la tecnología de transistores, este material ha ocupado un lugar importante en la producción de equipos informáticos.

Procesadores centrales y gráficos, chips de memoria, varios controladores: todo esto se produce a base de cristales de silicio. Durante medio siglo, el principio básico no ha cambiado, sólo se están mejorando las tecnologías de creación de chips. Se están volviendo más delgados y en miniatura, energéticamente eficientes y productivos. El principal parámetro que se mejorará es el proceso técnico.

¿Qué es un proceso técnico?

Casi todos los chips modernos están formados por cristales de silicio, que se procesan mediante litografía para formar transistores individuales. El transistor es el elemento clave de cualquier circuito integrado. Dependiendo del estado del campo eléctrico, puede transmitir un valor equivalente a uno lógico (pasa corriente) o cero (actúa como aislante). En los chips de memoria, los datos se escriben mediante combinaciones de ceros y unos (posiciones de transistores), y en los procesadores, los cálculos se realizan al cambiar.

En la tecnología de 14 nm (en comparación con la de 22 nm), se reduce el número de barreras, se aumenta su altura y se reduce la distancia entre las aletas dieléctricas.

Un proceso tecnológico es un procedimiento y procedimiento para fabricar cualquier producto. En la industria electrónica, en su significado generalmente aceptado, este es un valor que indica la resolución del equipo utilizado en la producción de chips. De ello también depende directamente el tamaño de los elementos funcionales obtenidos después del procesamiento del silicio (es decir, los transistores). Cuanto más sensible y preciso sea el equipo utilizado para procesar cristales para las piezas en bruto del procesador, más fino será el proceso técnico.

¿Qué significa el valor numérico de un proceso técnico?

En la fabricación moderna de semiconductores, el método más común es la fotolitografía: grabar elementos en un chip recubierto con una película dieléctrica utilizando luz. Es la resolución del equipo óptico que emite luz para el grabado el proceso técnico en la interpretación generalmente aceptada de la palabra. Este número indica qué tan delgada puede ser la característica del chip.

Fotolitografía: grabado de elementos en un cristal.

¿A qué afecta el proceso técnico?

El proceso técnico afecta directamente a la cantidad de elementos activos de un chip semiconductor. Cuanto más delgado sea el proceso técnico, más transistores cabrán en un área determinada del chip. En primer lugar, esto significa aumentar la cantidad de productos de una sola pieza. En segundo lugar, reducir el consumo de energía: cuanto más delgado es el transistor, menos energía consume. Como resultado, con el mismo número y disposición de transistores (y, por tanto, un aumento en el rendimiento), el procesador consumirá menos energía.

La desventaja de pasar a un proceso técnico fino es el aumento del coste del equipo. Las nuevas unidades industriales permiten fabricar procesadores mejores y más baratos, pero ellos mismos aumentan de precio. Como resultado, sólo las grandes corporaciones pueden invertir miles de millones de dólares en nuevos equipos. Incluso empresas tan conocidas como AMD, Nvidia, Mediatek, Qualcomm o Apple no fabrican procesadores por sí mismas y confían esta tarea a gigantes como TSMC.

¿Qué aporta la reducción del proceso técnico?

Al reducir el proceso tecnológico, el fabricante tiene la oportunidad de aumentar el rendimiento manteniendo las mismas dimensiones del chip. Por ejemplo, la transición de 32 nm a 22 nm permitió duplicar la densidad del transistor. Como resultado, en el mismo chip que antes, fue posible colocar no 4, sino 8 núcleos de procesador.

Para los usuarios, el principal beneficio es la reducción del consumo energético. Los chips que utilizan una tecnología de proceso más delgada requieren menos energía y generan menos calor. Gracias a esto, puede simplificar el sistema de energía, reducir el enfriador y prestar menos atención a los componentes que soplan.

Previsión esquemática de cambios de proceso en el futuro.

Tecnología de procesador en teléfonos inteligentes

Los teléfonos inteligentes exigen recursos de hardware y agotan rápidamente la energía de la batería. Por lo tanto, para ralentizar el consumo de energía, los desarrolladores de procesadores para dispositivos móviles están intentando introducir en producción los últimos procesos técnicos. Por ejemplo, el alguna vez popular MediaTek MT6577 de doble núcleo se produjo utilizando una tecnología de proceso de 40 nm, y las primeras series de Qualcomm Snapdragon 200 se fabricaron utilizando tecnología de 45 nm.

En 2013-2015, 28 nm se convirtió en el principal proceso tecnológico para los chips utilizados en los teléfonos inteligentes. MediaTek (hasta Helio X10 inclusive), Qualcomm Snapdragon S4, serie 400, así como los modelos 600, 602, 610, 615, 616 y 617 son todos de 28 nm. También se utilizó en la fabricación de Snapdragon 650, 652, 800, 801, 805. Curiosamente, el Snapdragon 810 "caliente" se fabricó utilizando una tecnología de proceso más delgada de 20 nm, pero esto no le ayudó mucho.

Apple también utilizó tecnología de 20 nm en su A7 (iPhone 5S). El Apple A8 para el sexto iPhone utilizó 20 nm, y el modelo A9 (para 6s y SE) ya utiliza la nueva tecnología de proceso de 16 nm. En 2013-2014, Intel fabricó su Atom Z3xxx utilizando tecnología de 22 nanómetros. Desde 2015 se han puesto en producción chips de 14 nm.

El siguiente paso en el desarrollo de procesadores para teléfonos inteligentes es el desarrollo generalizado de procesos tecnológicos de 14 y 16 nm, y luego podemos esperar 10 nm. Las primeras copias pueden ser Qualcomm Snapdragon 825, 828 y 830.

mobcompany.info

Cuál es el proceso técnico en un procesador: la importancia del tamaño del cristal

09.07.2017
Blog de Dmitry Vassiyarov.

Buen día.

Levantemos juntos el velo de un asunto tan complejo como es la producción de CPU para ordenadores. En particular, en este artículo aprenderá cuál es el proceso técnico en un procesador y por qué cada año los desarrolladores intentan reducirlo.

¿Cómo se fabrican los procesadores?

En primer lugar, debe conocer la respuesta a esta pregunta para que las explicaciones adicionales sean claras. Cualquier equipo electrónico, incluida la CPU, se crea a partir de uno de los minerales más utilizados: los cristales de silicio. Además, se utiliza para estos fines desde hace más de 50 años.

Los cristales se procesan mediante litografía para permitir la creación de transistores individuales. Estos últimos son los elementos fundamentales del chip, ya que está formado íntegramente por ellos.

La función de los transistores es bloquear o pasar corriente, dependiendo del estado actual del campo eléctrico. Por tanto, los circuitos lógicos funcionan en un sistema binario, es decir, en dos posiciones: encendido y apagado. Esto significa que transmiten energía (uno lógico) o actúan como aislantes (cero). Al cambiar transistores en la CPU, se realizan cálculos.

Ahora sobre lo principal

En términos generales, el proceso tecnológico se refiere al tamaño de los transistores.

¿Qué significa? Volvamos de nuevo a la producción de procesadores.

El método más utilizado es la fotolitografía: el cristal se cubre con una película dieléctrica y los transistores se graban con luz. Para ello se utilizan equipos ópticos, cuya resolución es, en esencia, un proceso técnico. La delgadez de los transistores en el cristal depende de su valor, de la precisión y sensibilidad del dispositivo.

¿Qué aporta esto?

Como comprenderá, cuanto más pequeños sean, más se podrán colocar en el chip. Esto afecta:

• Disipación de calor y consumo de energía. Al reducir el tamaño del elemento, éste requiere menos energía y por tanto produce menos calor. Esta ventaja le permite instalar CPU potentes en dispositivos móviles pequeños. Por cierto, gracias al bajo consumo de energía de los chips modernos, las tabletas y los teléfonos inteligentes mantienen la carga por más tiempo. En el caso de las PC, una menor disipación de calor permite simplificar el sistema de refrigeración.
• Número de espacios en blanco. Por un lado, a los fabricantes les resulta beneficioso reducir el proceso técnico, ya que de una pieza se obtiene una mayor cantidad de producto. Es cierto que esto es sólo una consecuencia del perfeccionamiento del proceso técnico y no de la búsqueda de beneficios, porque, por otro lado, para reducir el tamaño de los transistores se necesitan equipos más caros.

• Rendimiento de los chips. Cuantos más elementos tenga, más rápido funcionará, aunque su tamaño físico seguirá siendo el mismo.

Proceso tecnológico en números y ejemplos.

El proceso tecnológico se mide en nanómetros (nm). Esto es 10 elevado a la -9ª potencia de un metro, es decir, un nanómetro es una milmillonésima parte. En promedio, los procesadores modernos se fabrican utilizando una tecnología de proceso de 22 nm.

Puedes imaginar cuántos transistores caben en un procesador. Para que quede más claro, un área cortada de un cabello humano puede albergar 2.000 elementos. Aunque el chip es en miniatura, es claramente más grande que un cabello, por lo que puede incluir miles de millones de puertas de transistores.

¿Quieres saberlo con mayor precisión? Déjame darte algunos ejemplos:

• Los procesadores AMD, a saber, Trinity, Llano, Bulldozer, tienen una tecnología de proceso de 32 nm. En particular, el área del cristal de este último es de 315 mm2, donde se ubican 1.200 millones de transistores. Phenom y Athlon del mismo fabricante se fabrican mediante una tecnología de proceso de 45 nm, es decir, tienen 904 millones con un área base de 346 mm2.

• Intel tiene chips basados ​​​​en el estándar de 22 nm: esta es la familia Ivy Bridge (Intel Core ix - 3xxx). Para mayor claridad: Core i7 – 3770K tiene 1.400 millones de elementos, a pesar de que el tamaño de su matriz es de sólo 160 mm. La misma marca también tiene productos de 32 nm. Estamos hablando de Intel Sandy Bridge (2xxx). En una superficie de 216 mm2 caben 1,16 mil millones de transistores.

Por cierto, todo lo que has aprendido sobre los procesos técnicos de los dispositivos informáticos centrales también se aplica a los dispositivos gráficos. Por ejemplo, este valor en las tarjetas de video AMD (ATI) y Nvidia es de 28 nm.

Ahora sabes más sobre un componente tan importante de tu computadora como es el procesador. Vuelve para obtener más información.

Nos vemos pronto.

Intel: Nuestro proceso de 10 nm será el mejor de la industria

Intel ha confirmado un retraso en la producción en masa de CPU que utilizan el proceso de 10 nm hasta la segunda mitad de 2017. El fabricante de chips afirma que debido a las dificultades para dominar los nuevos estándares de producción, tendrá que extender el ciclo de vida del proceso de CPU de 14 nm un año más. Así, el próximo año Intel presentará los procesadores Kaby Lake y Cannonlake no se lanzará hasta 2017. La dirección de Intel admitió que debido a la creciente complejidad de la producción de chips, la famosa ley de Moore puede sufrir una transformación. Sin embargo, a diferencia de sus competidores, Intel no tiene planes de simplificar las características de la nueva tecnología de fabricación para acelerar su tiempo de comercialización. La corporación confía en que su tecnología de proceso de 10 nm será la mejor de la industria.

La ciclicidad de la ley de Moore aumenta

Cuando Gordon Moore hizo por primera vez su observación sobre la duplicación del número de transistores en los circuitos integrados en 1965, observó que el número se duplicaba cada 12 meses. En 1975, revisó su observación e hizo una predicción de que el número de transistores en los microcircuitos se duplicaría cada dos años. En los últimos años, las tecnologías de fabricación y los circuitos integrados se han vuelto tan complejos que han dado lugar a ciclos de cambio de procesos más largos. Como consecuencia, el número de transistores en los chips ahora se duplica cada dos años y medio o menos. Como resultado, Intel se ve efectivamente obligada a producir no dos, sino tres familias de microprocesadores que utilizan la misma tecnología.

"Las dos últimas transiciones han demostrado que la duración del ciclo actual es de aproximadamente dos años y medio", dijo Brian Krzanich, director ejecutivo de Intel, durante la conferencia telefónica trimestral de la compañía con inversores y analistas financieros. “De acuerdo con esto, en la segunda mitad de 2016 planeamos presentar Kaby Lake, la tercera generación de nuestros productos de 14 nm que se basará en la arquitectura Skylake, pero con mejoras clave de rendimiento. Esperamos que esta innovación en nuestra hoja de ruta introduzca nuevas capacidades y aumente la velocidad informática, al tiempo que allana el camino para una transición fluida a 10 nm”.

No todos los procesos son iguales

Intel tiene la intención de comenzar la producción de sus chips, con el nombre en código Cannonlake, utilizando tecnología de producción de 10 nm solo en la segunda mitad de 2017. A juzgar por informes de fuentes no oficiales, Samsung planea comenzar la producción en masa de chips con tecnología de 10 nm ya en 2016. De esta forma, Samsung puede adelantarse a Intel en el desarrollo de procesos tecnológicos avanzados.

En teoría, el retraso podría representar un problema para Intel, ya que las normas de producción más delgadas significan una oportunidad para reducir el consumo de energía y aumentar el rendimiento. Si bien los procesadores Intel no compiten directamente con los procesadores Apple A y Samsung Exynos (que son los que Samsung produce utilizando tecnología de punta), los dispositivos basados ​​en Intel compiten con los basados ​​en esos chips. Como resultado, a medida que aumente la popularidad de dichos dispositivos, disminuirá la popularidad de los productos electrónicos basados ​​​​en productos Intel.

Sin embargo, vale la pena entender que 10 nm es solo el nombre del proceso tecnológico, lo que indica una de sus características. Todos los procesos de fabricación de Intel son generalmente superiores a los de otros fabricantes de semiconductores. Así, las tecnologías FinFET de 14 nm y 16 nm de Samsung, GlobalFoundries y TSMC, aunque utilizan transistores más pequeños, se basan en interconexiones de tecnología de proceso de 20 nm. Así, el tamaño de los chips producidos con tecnologías 14LPE y CLN16FF no difiere de los fabricados con procesos menos avanzados, lo que no permite aumentar significativamente su presupuesto de transistores en comparación con sus predecesores.

En comparación con las tecnologías de fabricación de chips de otros fabricantes de semiconductores, los nuevos procesos de fabricación de Intel son siempre superiores a sus predecesores en todos los aspectos. Así, la tecnología de proceso de 14 nm de Intel no sólo aumenta el potencial de frecuencia y reduce el consumo de energía, sino que también aumenta la densidad de los transistores, lo que permite integrar más bloques funcionales en los microcircuitos.

Intel: ¡Seguiremos siendo líderes en la industria de semiconductores!

El director ejecutivo de Intel destacó que la empresa no utilizará todo tipo de trucos para declarar formalmente la transición a la tecnología de proceso de 10 nm. La nueva tecnología de fabricación reducirá el tamaño tanto de los transistores como de las interconexiones, lo que maximiza la densidad de elementos y reduce el coste de los chips por transistor.

"Creemos que si nos fijamos en la escala, será bastante dramática en comparación con lo que es típico cuando se pasa de un proceso a otro", dijo Krzanich. “No les daré números exactos ahora. Pero creemos que si juntamos todas [las innovaciones tecnológicas de 10 nm], nuestra posición de liderazgo [en la industria] no cambiará, incluso con el retraso [en los envíos de chips]”.

En el complejo de fabricación de Intel

El jefe de Intel no reveló muchos detalles sobre el proceso tecnológico de 10 nm, así como las razones exactas del retraso en el inicio de su uso. Sin embargo, insinuó que la nueva tecnología de fabricación utiliza transistores de puerta vertical "mejorados" (FinFET), así como litografía de inmersión de patrones múltiples.

“Cada [proceso técnico] tiene su propia receta de complejidad y dificultad”, explicó Krzanich. “Los problemas con la transición de 14 nm a 10 nm son aproximadamente los mismos que los problemas con la transición de 22 nm a 14 nm. La fotolitografía [de inmersión] se está volviendo cada vez más difícil de utilizar a medida que los tamaños de las características de los chips se vuelven más pequeños. El número de pasadas cuando se utiliza multipatrón aumenta”.

Intel: lanzaremos millones de Cannonlake en el primer año

No es ningún secreto que el proceso de entrada al mercado de chips Broadwell duró muchos meses y que los volúmenes de producción iniciales de Core M (Broadwell) con tecnología de 14 nm fueron escasos. Intel promete que el año adicional ayudará a sus ingenieros a pulir el proceso de 10 nm para lanzar rápidamente nuevos chips Cannonlake a una producción verdaderamente en masa.

"En la segunda mitad de 2017 comenzaremos la producción de los primeros procesadores de 10 nm, con el nombre en código Cannonlake", dijo Krzanich. "Cuando hablamos del segundo semestre de 2017, hablamos de millones de unidades y grandes volúmenes".

Oblea de 300 mm con chips Intel

Intel: el ciclo tic-tac aún puede regresar

Intel dice que aunque el tiempo de utilización de un proceso tecnológico para la fabricación de microprocesadores se ha extendido a dos años y medio o tres, la compañía intentará volver a su modelo "tic-tac", cuyo ciclo es de aproximadamente dos años. años. Es muy posible que el regreso del “tic-tac” requiera una transición al uso de la fotolitografía en ultravioleta profundo (litografía ultravioleta extrema, EUV). Si se utiliza la tecnología de proceso de 10 nm durante tres años, en 2020 los escáneres EUV podrían ser económicamente viables para la producción de chips utilizando la tecnología de proceso de 7 nm.

Cabe señalar que alargar los ciclos tecnológicos también significa alargar los ciclos de microarquitectura: ahora se utilizará una microarquitectura fundamental para tres generaciones de procesadores en tres años. Cómo Intel planea aumentar el rendimiento en cada generación y qué tan significativo será el aumento en la velocidad del procesador cada año, solo el tiempo lo dirá.

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3dnews.ru

La batalla por los nanómetros: por qué los fabricantes están reduciendo el proceso técnico

Desde 1965 conocemos la llamada Ley de Moore: "El número de transistores colocados en un chip de circuito integrado se duplica cada 24 meses, lo que lleva a nuevas tecnologías, mayor productividad y avances en la electrónica". Al presentar esta ley al público, uno de los padres de Intel no podía imaginar que los ingenieros podrían respetarla durante cincuenta años. No podía imaginar que en 2014 las dificultades para el cumplimiento de esta ley comenzarían en la propia Intel. Después de todo, para aumentar la cantidad de transistores en un procesador, es necesario reducir el proceso técnico de producción. En pocas palabras, reduzca el tamaño físico de los transistores y aumente su densidad. Por el momento, el tamaño dominado puede considerarse 22 nanómetros, este es el tamaño de los transistores en el procesador Intel Haswell. Parecería que la reducción sólo trae problemas: normas más estrictas de limpieza de las habitaciones, más difícil hacer una plantilla para la litografía, los efectos cuánticos comienzan a influir y más difícil controlar la calidad. Pero ningún fabricante de éxito atravesará tales dificultades si no se trata de reducir los costes de producción y la competencia. En consecuencia, se pueden identificar varias razones para la transición a procesos técnicos más sutiles.

Primero: efectos asociados con la longitud de onda de la luz y la frecuencia de las señales. Toda la electrónica (y no sólo ella) se basa en abstracciones y simplificaciones. Para poder combinar elementos entre sí de forma segura sin tener que volver a realizar un análisis completo, se debe cumplir el principio de superposición para los elementos. Para que el principio de superposición sea verdadero, la escala de la señal debe ser significativamente mayor que el retardo de propagación de la señal en el circuito. Es decir, a una frecuencia de 3 GHz, conociendo la velocidad de la luz, encontramos que el tamaño del circuito debe ser significativamente menor que 10 cm, es decir, 3-4 veces.

Segundo: consumo de energía y disipación de calor. Cuanto más pequeño es el elemento, menos energía consume y genera calor. Esto hace posible utilizar potentes procesadores en dispositivos ultracompactos. Es cierto que a medida que disminuye el tamaño de los transistores, aumentan las dificultades para eliminar el calor, por lo que, aparentemente, los pros y los contras se compensan.

Tercero: los transistores, que constituyen la mayor parte de un procesador moderno, no son simplemente un interruptor controlado por voltaje. Debido a su estructura, también es un condensador pequeño, cuya capacitancia se calcula en femtofaradios, pero aún no es cero. Cada condensador introduce un pequeño retraso en la propagación de la señal digital, que se va acumulando a medida que aumenta el número de componentes conectados. Como resultado, en la salida, en lugar de un pulso rectangular, obtenemos algo como esto:

Cuarto: reducir los costos de producción. Ésta, en mi opinión, es una razón importante. Cada procesador individual se cultiva en una oblea, donde hay muchos. Cuanto más pequeña sea el área de un chip individual (procesador), más caben en una oblea y mayor será el beneficio. Pero esto es sólo una consecuencia de una reducción en el proceso técnico, por lo que sería un error decir que los fabricantes están tratando específicamente de colocar más procesadores en un sustrato de silicio.

Me parece que los fabricantes rápidamente aceptarían que la ley de Moore es una tontería y dejarían de reducirlo todo. Al fin y al cabo, una reducción del proceso técnico provoca el rechazo de un gran número de procesadores. ¡Cuesta creer que sólo pequeñas fluctuaciones en la corteza terrestre, imperceptibles para los humanos, puedan llevar el número de procesadores inutilizables al 80%! Aquí entra en juego la comprensión de un precio tan elevado para los procesadores. Materiales complejos, equipos de última generación, una enorme plantilla de científicos y otras dificultades no detienen a los fabricantes en su deseo de reducir el proceso técnico. ¿Por qué no? Después de todo, es ciertamente rentable. Intel lleva mucho tiempo prometiendo construir una planta en la Luna, porque hay una gravedad débil, no hay terremotos y ¡se puede reducir el proceso tecnológico al átomo!

Cómo recuperar datos de un disco duro después de formatear

Intel Corp. dedicó mucho tiempo el año pasado a intentar demostrar a los inversores que es líder en tecnología de chips. La compañía afirmó en particular que su futura tecnología de proceso de 10 nm podría proporcionar el doble de densidad de transistores en comparación con los estándares de 10 nm de la competencia.

Y si bien la afirmación de Intel probablemente sea cierta, la realidad es que los competidores comenzaron a producir chips de 10 nm a finales de 2016 o principios de 2017, y el propio proceso de 10 nm de Intel todavía no se utiliza para la producción en masa. El enorme retraso de Intel en dominar los estándares de 10 nm significó que las comparaciones de Intel fueran inútiles, ya que su tecnología de 10 nm tendría que competir con los estándares de 7 nm de la competencia.

En la reciente Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido (ISSCC), un ingeniero de Intel pareció reconocer problemas que el departamento de marketing de su corporación estaba pasando por alto: la tecnología de 10 nm de Intel es inferior a los estándares de 7 nm de la competencia en un área crítica.

La mayoría de los procesadores de computadora incluyen un tipo de memoria extremadamente rápida conocida como SRAM. Dado que SRAM es una estructura común a casi todos los procesadores, es conveniente comparar la densidad relativa de varias tecnologías de producción de chips. Especialmente si las celdas que almacenan un bit requieren la misma cantidad de transistores.

Entonces, según Intel, una celda SRAM de seis transistores y un bit fabricada según sus estándares de 10 nm ocupa 0,0312 micrómetros cuadrados de área del troquel. Las celdas SRAM de seis transistores de un solo bit producidas en el proceso de 7 nm por Samsung, TSMC y GlobalFoundries ocupan 0,026, 0,0272 y 0,0296 micrómetros cuadrados, respectivamente.

Como puede ver, las tecnologías de 7 nanómetros de las tres empresas mencionadas son muy diferentes entre sí, pero los estándares de 10 nanómetros de Intel son significativamente inferiores a todas ellas. Así, en la última conferencia, un representante de Intel estuvo de acuerdo en que las células SRAM de 10 nm producidas mediante su proceso técnico son "sólo" un 15% inferiores a las células más pequeñas conocidas de 7 nm.

Teniendo en cuenta que Intel siempre ha afirmado que tiene una ventaja significativa sobre sus competidores en términos de densidad de transistores en un chip, este es un reconocimiento significativo. En última instancia, la pérdida de liderazgo de Intel en esta área es otra señal más de que la división de fabricación de la compañía está teniendo un desempeño deficiente. Un ligero retraso en la densidad de los transistores al imprimir SRAM no socavará el equilibrio de poder, pero si la tendencia continúa, en el futuro Intel podría perder su liderazgo en el campo de las tecnologías de producción de cristales semiconductores.

Los retrasos de Intel ya han provocado retrasos en los lanzamientos (y, en algunos casos, cancelaciones) de productos importantes, perjudicando la posición de la empresa. Además, solo Intel enfrentó tales retrasos en el dominio de estándares de producción más sofisticados: TSMC y Samsung cumplieron consistentemente los cronogramas establecidos para la transición a nuevos procesos tecnológicos durante varios años. E incluso GlobalFoundries, que históricamente no ha sido una productora particularmente confiable, parece estar comenzando a mejorar.

Y si Intel ha perdido ahora su liderazgo en densidad de transistores en un chip (un indicador muy importante), en el futuro puede perder otras ventajas, por ejemplo, en el campo del rendimiento y la eficiencia energética. Hoy, Intel se enfrenta a una elección: o redoblar sus esfuerzos para desarrollar y transformar su división de fabricación, intentando recuperar el liderazgo, o eliminar gradualmente su propia impresión de chips, subcontratándola a terceros. Pero en el primer caso existe la posibilidad de fracaso y, en consecuencia, de una mayor pérdida de posición durante muchos años.