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Processo tecnico (nm, micron) - tecnologia per la produzione di transistor, chip ed elementi semiconduttori. Cosa offre un processo tecnico più raffinato? Informazioni sul processo tecnico in un processore per computer Tecnologia di processo a 40 nm

: “Il numero di transistor su un chip di circuito integrato raddoppia ogni 24 mesi, determinando nuove tecnologie, aumenti di produttività e scoperte nel campo dell’elettronica”. Presentando questa legge al pubblico, uno dei padri di Intel non avrebbe potuto immaginare che gli ingegneri sarebbero stati in grado di rispettarla per cinquant'anni. Non poteva immaginare che nel 2014 sarebbero iniziate difficoltà nel rispetto di questa legge presso la stessa Intel. Dopotutto, per aumentare il numero di transistor in un processore, è necessario ridurre il processo tecnico di produzione. In poche parole, riduci le dimensioni fisiche dei transistor e aumenta la loro densità.

Al momento, la dimensione masterizzata può essere considerata di 22 nanometri, questa è la dimensione dei transistor nel processore. Sembrerebbe che la riduzione porti solo problemi: standard di pulizia delle stanze più severi, più difficile creare un modello per la litografia, gli effetti quantistici iniziano a influenzare e più difficile controllare la qualità. Ma nessun produttore di successo affronterà tali difficoltà se non si tratta di ridurre i costi di produzione e la concorrenza. Di conseguenza, si possono identificare diverse ragioni per il passaggio a processi tecnici più sottili.

Primo: effetti associati alla lunghezza d'onda della luce e alla frequenza dei segnali. Tutta l'elettronica (e non solo) è costruita su astrazioni e semplificazioni. Per poter combinare in modo sicuro gli elementi senza dover eseguire nuovamente un'analisi completa, gli elementi devono seguire il principio di sovrapposizione. Affinché il principio di sovrapposizione sia vero, la scala del segnale deve essere significativamente maggiore del ritardo di propagazione del segnale nel circuito. Cioè, a una frequenza di 3 GHz, conoscendo la velocità della luce, scopriamo che la dimensione del circuito dovrebbe essere significativamente inferiore a 10 cm. Significativamente, ciò significa 3-4 volte.

Secondo: consumo energetico e dissipazione del calore. Più piccolo è l'elemento, meno energia consuma e genera calore. Ciò consente di utilizzare processori potenti in dispositivi ultracompatti. È vero, man mano che la dimensione dei transistor diminuisce, aumentano le difficoltà con la rimozione del calore, quindi, a quanto pare, i pro e i contro vengono compensati.

Terzo: i transistor, che costituiscono più dell'intero processore moderno, non sono solo un interruttore controllato dalla tensione. A causa della sua struttura, è anche un piccolo condensatore, la cui capacità è calcolata in femtofarad, ma non è ancora zero. Ogni condensatore introduce un piccolo ritardo nella propagazione del segnale digitale, che si somma all'aumentare del numero di componenti collegati. Di conseguenza, in uscita, invece di un impulso rettangolare, otteniamo qualcosa del genere:

Quarto: ridurre i costi di produzione. Questo secondo me è un motivo importante. Ogni singolo processore viene coltivato su un wafer, dove ce ne sono molti. Quanto più piccola è l'area di un singolo chip (processore), tanto più se ne possono posizionare su un wafer e maggiore è il profitto. Ma questa è solo una conseguenza della riduzione del processo tecnico, quindi sarebbe sbagliato affermare che i produttori stanno cercando specificamente di adattare più processori su un substrato di silicio.

Mi sembra che i produttori concorderebbero subito sul fatto che la legge di Moore è una sciocchezza e smetterebbero di ridurre tutto. Dopotutto, una riduzione del processo tecnico porta a un gran numero di processori rifiutati. È difficile credere che solo piccole fluttuazioni della crosta terrestre, impercettibili per l’uomo, possano portare il numero di processori inutilizzabili all’80%! È qui che entra in gioco la comprensione di un prezzo così elevato per i processori. Materiali complessi, attrezzature all'avanguardia, un enorme staff di scienziati e altre difficoltà non fermano i produttori nel loro desiderio di ridurre il processo tecnico. Perché no? Dopotutto, è sicuramente conveniente. Intel promette da tempo di costruire un impianto sulla Luna, perché la gravità è debole, non ci sono terremoti e si può ridurre il processo tecnologico all'atomo!

Se non diversamente specificato.

Norme tecniche dei microcircuiti più complessi. Anche il loro prezzo scende, tuttavia, non della metà (basato su circa la metà dell'area del chip per un dato numero di transistor - ad eccezione dei processi tecnologici più recenti...), ma di circa 1,5 volte ad ogni transizione al processo tecnologico successivo (poiché è più complesso e più costoso per unità di superficie). Per quale motivo la lunghezza fisica del gate (non solo per le CPU Intel) è inferiore allo standard tecnico - leggi sotto.

Norma tecnica per CPU Intel. Secondo l'azienda, il processo a 15 nm potrebbe essere il primo a utilizzare l'ultravioletto "estremo" (EUV) se si dimostrerà economicamente fattibile. Finora i costi estremamente elevati (anche per gli standard della fotolitografia) hanno frenato la sua implementazione, prevista 10 anni fa per il processo a 45 nanometri. Le ragioni principali sono la necessità di una sorgente di radiazione completamente nuova, di nuove ottiche a specchio (anziché lenti) e di vuoto completo nell'area di lavoro.

Aree cristalline dei processori e dei chip di memoria più complessi per l'anno indicato. Negli anni '90 si è interrotta la tendenza ad aumentare la superficie del 14% all'anno (linea nera). Tuttavia, i cristalli delle GPU e delle CPU dei server più complessi raggiungono i 400-500 mm², ma questa cifra non cresce da cinque anni, sebbene quasi tutti i produttori siano già riusciti a passare ai wafer da 300 mm dagli anni '90, consentendo loro di produrre a livello stessa scala di massa e stesso prezzo anche per cristalli così grandi.

Il numero di transistor su un chip IC a seguito di una diminuzione della tecnologia e di un aumento dell'area del cristallo. Si può vedere che la tendenza iniziale di crescita doppia all'anno, su cui Gordon Moore ha basato il suo ragionamento, era piuttosto ripida in senso letterale. Ma dagli anni '70, sia i chip DRAM (ora anche flash) che i processori hanno continuato a farlo a un ritmo inferiore: 58% e 38% all'anno.

Il numero di livelli che richiedono una maschera. Prima dell'introduzione del doppio template, esso equivaleva al numero delle mascherine stesse. Ogni maschera richiede 7-8 operazioni di produzione, oltre a controllo, misurazione e trasporto. Circa il 20% degli strati di ciascun cristallo (elementi transistor e primi strati di piste e isolanti) sono "critici", ovvero sono realizzati con lo standard tecnico nominale per un determinato processo tecnico. Per il resto è sufficiente essere sempre più grossolani man mano che ci si allontana dai transistor (vedi illustrazione dei traferri), poiché i livelli superiori di metallo, di regola, forniscono energia e sincronizzazione, quindi non richiedono una densità speciale dei conduttori . Pertanto, le tecnologie di produzione più costose vengono utilizzate solo per una parte degli strati, ma anche questo non risparmia la crescente complessità dei processi tecnici, soprattutto a partire dagli anni 2000. Questo è già accaduto 20 anni fa con la tecnologia BiCMOS (un ibrido di bipolare e CMOS), motivo per cui è stata abbandonata (tuttavia, Intel è riuscita a rilasciare 486DX4, Pentium e P.Pro su di essa e Sun Microsystems - SuperSPARC). Oggi solo la memoria dinamica e (in misura minore) la memoria flash non soffrono della crescita esplosiva della complessità. I chip SiGe ultraveloci non sono fortemente ostacolati dai costi elevati perché sono prodotti in piccoli lotti per applicazioni militari e aerospaziali. In media, il numero di mascherine aumenta di 2 con ogni processo tecnico, ovvero in circa 2 anni.

Densità dei difetti per 1 cm² di area cristallina dei fab più avanzati durante i test finali. I numeri in grassetto indicano lo standard tecnico in micron, tra parentesi il diametro delle piastre.

Ancora una volta, densità dei difetti, ma specificatamente per i chip Intel. Secondo lei, è anche tracciato su scala logaritmica (come nel grafico sopra), solo senza scala. ;) I dati per i processi tecnici a 45 e 32 nanometri non sono mostrati per intero - apparentemente si tratta di un segreto commerciale.

Il costo di costruzione dell'impianto più moderno per un dato anno (o il suo costo dopo l'aggiornamento) è aumentato di 70 volte in 30 anni e il prezzo di ciascun transistor prodotto è diminuito di 2000 volte. I quadrati vuoti indicano numeri approssimativi. Ciò che manca qui è un grafico della capacità produttiva, ma non ci sono dati affidabili per l'intero periodo. Tuttavia, è noto che le fabbriche moderne producono da 10 a 60mila wafer al mese nel caso della logica e altre 2-3 volte di più per la memoria. La produzione delle lastre raddoppia ogni 5 anni circa, oltre ad aumentarne il diametro. E "il raddoppio del costo di una fabbrica ogni 4 anni" veniva addirittura chiamata "seconda legge di Moore" (altrimenti nota come legge di Rock), che doveva essere corretta anche alla fine degli anni '90 - ogni 5 anni. La macchina più costosa, la fotolitografia, sta aumentando di prezzo alla stessa velocità: il primo stepper di proiezione commerciale (1973) costava 210mila dollari e uno scanner moderno - 40-50 milioni.

Prezzi specifici di un wafer e di diversi tipi di microcircuiti per unità con le loro caratteristiche quantitative più preziose. La linea nera indica un calo annuo del prezzo medio del 35% ovvero 1,54 volte. Maggiori opportunità per lo stesso prezzo dei chip hanno permesso alle vendite di chip di crescere del 15% all'anno dal 1960 al 2000. Tuttavia, la bolla delle dot-com è scoppiata e 8 anni dopo è scoppiata la crisi globale, che ha fermato la crescita delle vendite (ma non parametri). Negli anni 2010, grazie alla popolarità di smartphone e tablet, è possibile una crescita di circa il 5% annuo, a meno che, ovviamente, non succeda di nuovo qualcosa...

Il costo di sviluppo di un microcircuito complesso dipende dallo standard tecnico (dati da IBS, GlobalFoundries). Si può vedere che fino a 45 nm raddoppia ogni volta, e a partire da 45 nm aumenta di circa 1,5 volte. I numeri assoluti sono già cresciuti così tanto che anche tra le aziende fabless i piccoli attori nel mercato delle CPU non hanno nulla da fare.

Il costo medio di produzione di un wafer per la logica CMOS nel 2003 negli stabilimenti Severnaya. America (in dollari):

Diametro piatto, mm	Tehnorma, mk	Numero di livelli mascherati
Diametro piatto, mm	Tehnorma, mk	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	0,8				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	0,13								2500	2690	2890
300	0,09									2860	3065

I prezzi sono arrotondati e non tengono conto delle operazioni di finitura (collaudo, taglio e confezionamento). I numeri mostrano perché è vantaggioso per i produttori passare a nuovi processi tecnologici e a diametri di wafer più grandi: l'aumento dei costi di produzione di ogni nuovo wafer è ripagato dal maggior numero di chip prodotti da esso. Tuttavia, passare a un diametro maggiore significa sostituire quasi tutte le attrezzature della camera bianca e aumentare il flusso di materiali di lavoro ultra-puliti (soprattutto acqua) forniti dal piano di servizio. E il passaggio a un nuovo processo tecnico, anche "obsoleto", inizialmente (fino a quando non verrà eseguito il debug) darà una resa inferiore di quelli adatti. Tuttavia, anche qui Intel si è distinta, utilizzando la tecnica Copy Exactly nei suoi stabilimenti in tutto il mondo: non appena il processo tecnico viene portato alla produzione di massa in uno degli stabilimenti sperimentali di Hillsboro (Oregon, USA), viene trasferito alla produzione fabbriche, copiando assolutamente tutto fin nei minimi dettagli: l'elenco e il tipo di macchine, i loro parametri ("ricette") e programmi, azioni del personale... Anche gli utensili manuali per i lavori di installazione e messa in servizio vengono utilizzati dello stesso tipo. Sembra un po' paranoico, ma Intel può trasferire il processo tecnico da una fabbrica all'altra senza i previsti danni in termini di costi in pochi mesi, e anche più velocemente, producendo un chip con un processo tecnico già pronto.

Nuovo passo

All'inizio dell'estate del 2011, Intel ha annunciato che in meno di un anno sarebbe stata pronta a produrre in serie processori con tecnologia a 22 nm (inizialmente si tratterà dell'architettura Ivy Bridge, basata sul moderno Sandy Bridge). Secondo il ciclo tick-tock biennale dell'azienda (alternando il rilascio annuale di una nuova microarchitettura e un nuovo processo tecnico), Ivy Bridge era originariamente previsto per essere rilasciato alla fine del 2011 (così come Sandy Bridge - nel 2010). Tuttavia, Intel è tormentata dai ritardi: la presentazione di Sandy Bridge è avvenuta solo a gennaio, e recentemente l'azienda ha deciso di ritardare il rilascio di Ivy Bridge almeno fino alla primavera del 2012. Non è chiaro se ciò sia dovuto a difficoltà con il processo tecnico. Questo nonostante Intel abbia introdotto i primi chip RAM con nuovi transistor da 22 nanometri già nel settembre 2009.

Non sono previste rivoluzioni tecnologiche in termini di metodi litografici, oltre al fatto che la lunghezza d'onda di 193 nm richiede non solo scanner ad immersione, ma anche almeno doppio stencil. Questo di per sé è curioso, perché anche 5 anni fa gli esperti affermavano all'unanimità che per tali lunghezze d'onda è necessario passare a nuovi tipi di litografia, il che aumenta notevolmente la complessità e il costo del processo tecnico.

Ma la sensazione più grande (ovviamente, su suggerimento degli esperti di marketing dell’azienda) è stata un cambiamento importante nella progettazione dei transistor, chiamandoli tridimensionali o a tre porte. Più precisamente, dovrebbero essere chiamati FinFET - transistor ad effetto di campo con gate "aletta". Tuttavia, assottigliando il canale e posizionandolo verticalmente, il loro numero può essere più di uno per aumentare l'area totale tra il cancello e i canali. Un tale transistor può essere chiamato multigate (multigate FET, MuGFET), sebbene ciascuno dei suoi canali sarà piuttosto controllato da una porta comune. Di conseguenza, sarà necessario applicare meno tensione per commutare il transistor, la velocità di commutazione sarà maggiore e la perdita sarà inferiore, poiché ora è possibile solo attraverso lo stretto bordo inferiore del canale.

Un transistor su un substrato solido (del tipo che Intel utilizza ancora) perde corrente dal canale quando in esso viene formato uno strato inverso dal campo di gate. Il substrato (anche se messo a terra) attira alcuni portatori di carica nello strato di esaurimento. ▼

La perdita può essere ridotta utilizzando la tecnologia SOI, in questo caso parzialmente esaurita (Partially Depleted, PD SOI). Qui l'isolante taglia il substrato, ma lo strato residuo sotto il canale ("corpo galleggiante") provoca ancora perdite, anche se non così grandi. Questa tecnologia è ampiamente utilizzata principalmente per la sua relativa economicità. ▼

Una versione più avanzata è Fully Depleted SOI (FD SOI). Qui l'area della sorgente, del drenaggio e del canale si assottiglia in modo tale che non rimanga più spazio per il corpo galleggiante. Il problema delle perdite viene risolto, ma (secondo Intel) con un aumento del prezzo del chip del 10%, quindi non è molto utilizzato. ▼

Ed ecco la soluzione di Intel (mostrata a lato, a differenza delle sezioni precedenti lungo il canale): posizionare il canale verticalmente e circondarlo con un cancello su tre dei quattro lati. Non c'è un corpo galleggiante, non ci sono perdite, l'area dello strato invertito è più grande e poiché non sono necessarie maschere aggiuntive, il prezzo è più alto solo del 2-3%. Ancora una volta, secondo Intel.

Un transistor "a tre porte" significa in realtà un transistor con un canale circondato da un gate (attraverso uno strato a forma di isolante sottile, indicato in giallo) su tre lati - rispetto ad uno planare, dove la superficie di accoppiamento è un unico piano.

I transistor planari da 32 nm sono mostrati in alto, quelli da 22 nm 2- (nell'angolo in basso a sinistra) e quelli "3D" a 6 porte sono mostrati sotto.

4 generazioni di transistor "fin" Intel: dimostrazione del design (2002), multi-gate (2003), celle SRAM (2006) e adattamento del "gate last" in metallo (2007).

Naturalmente, Intel si è subito vantata del fatto che, rispetto alla tecnologia di processo da 10 micron dell'i4004, il transistor da 22 nanometri è 4.000 volte più veloce, consuma 5.000 volte meno energia e costa 50.000 volte meno. Ancora più importante, ci sono voluti 5 anni per svilupparsi e altri 5 (come risulta ora...) per adattarsi alla produzione di massa. Allo stesso tempo, Intel sottolinea onestamente le difficoltà nell'implementazione della nuova tecnologia: la necessità di estremità per il gate, problemi con la capacità e la variabilità dei parametri, difficoltà nella lucidatura e incisione uniforme di strutture più spesse e trasmissione dello stress meccanico al gate tramite il canale, ecc.. Si deve presumere che tutti questi problemi siano stati risolti almeno in modo soddisfacente, altrimenti i chip mostrati non funzionerebbero. Restano ancora aperte le domande sul tasso di rendimento e sui costi effettivi. I concorrenti (TSMC e Global Foundries) hanno finora annunciato solo l'inizio dello sviluppo di FinFET per i loro processi a 14 nanometri, che saranno pronti nel 2014...

Caratteristiche corrente-tensione (caratteristiche CV) di un transistor a canale n planare (linea nera) e due tridimensionali (blu). La corrente zero al gate dovrebbe idealmente essere zero. Più è piccolo, meno consuma il processore, anche in idle. La tensione di soglia è quella alla quale commuta il transistor (in questo caso 0,33 V con una corrente pari al 10% della nominale). Dovrebbe essere il più piccolo possibile in modo che il transistor funzioni più velocemente e con una tensione di alimentazione inferiore (qui - 1 V). Il passaggio ad un gate tridimensionale consente, a parità di tensione, di ridurre le perdite quando il canale è chiuso (linea inferiore), oppure di aumentare la velocità della sua apertura (linea superiore), riducendo contemporaneamente la tensione.

Dipendenza del tempo di commutazione dalla tensione di alimentazione (idealmente un'iperbole) per transistor planari da 32 nm (linea nera) e 22 nm (grigio), nonché transistor bulk (blu) da 22 nm. Quest'ultimo consente, alla stessa velocità, di ridurre la tensione di alimentazione di 0,2 V, il che in teoria ridurrà i consumi di 1,56 volte e, secondo Intel, di oltre la metà. Se è necessario aumentare la frequenza, i nuovi transistor porteranno pochi vantaggi a un volt nominale (è promessa un'accelerazione del 18% rispetto a 32 nm), ma a 0,7 V (a quanto pare, questa sarà la tensione per i chip mobili) daranno un'accelerazione fino al 37%. Inoltre, a giudicare dai grafici della presentazione, le accelerazioni saranno del 22% e del 59% - cioè 1/(1−0,18) e 1/(1−0,37), come dovrebbe essere considerato. Abbiamo davvero sorpreso i tecnici Intel a commettere errori basilari nel calcolo delle percentuali?

Analisi dei nanometri

È tempo di capire cosa si intende per norme tecniche. Non per niente il tentativo di definire questo termine così importante è posto quasi alla fine dell'articolo. Un tempo per norma tecnica si intendeva il più piccolo elemento in lunghezza o larghezza formato da un dato procedimento tecnico. Quando lo standard tecnico divenne più piccolo della lunghezza d'onda, apparvero due definizioni separate - per i chip regolari (memoria, matrici programmabili, fotosensori - compresi quelli con blocchi logici incorporati) e irregolari (logica complessa, compresi quelli contenenti cache, buffer, ecc. . P.). Per il primo - il mezzo passo minimo di una struttura linearmente regolare, per il secondo - la larghezza minima della traccia del livello metallico inferiore (che è circa il doppio della lunghezza del gate del transistor).

Tuttavia, recentemente questo ha smesso di avere importanza. Il fatto è che il numero di fabbriche che producono microcircuiti utilizzando i processi tecnici più moderni è in costante calo. Allo stesso tempo, nessuna azienda che produce apparecchiature per la produzione di semiconduttori le produce da sola: tutti i produttori di chip acquistano macchine approssimativamente dalle stesse aziende (anche non molto numerose). Ovviamente, i processi tecnici assemblati dalle macchine e dalle impostazioni delle fabbriche sarebbero come due piselli in un baccello, ma questo ha senso solo per diverse fabbriche di un'azienda, e ci sono solo poche aziende del genere nel mondo. Quindi ogni azienda cerca di soddisfare i clienti con qualcosa di speciale, prodotto su attrezzature quasi standard. E qui quegli stessi nanometri sono finiti sotto i ferri...

¹ - Ottimizzazione per l'efficienza energetica
² - Con litografia ad immersione
³ - Con litografia ad immersione e dielettrici interstrato a bassa permeabilità

Questa tabella mostra l'area (in micron quadrati) di una cella SRAM a 6 transistor, che viene generalmente utilizzata per misurare la densità dei transistor per i chip logici. (Questo di per sé è curioso, dato che le SRAM sono utilizzate in una varietà di registri, buffer e cache, cioè circuiti regolari monodimensionali e più spesso anche bidimensionali, e non nella logica sintetizzata, che non ha quasi ripetizioni. Eppure... ) E la cosa più importante è che questi sono tutti processi a “45 nanometri” (come affermano queste aziende)!

Inoltre, l'ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors - un piano tecnologico internazionale per i [produttori] di semiconduttori, compilato da esperti delle più grandi aziende e delle loro associazioni) emette regolarmente raccomandazioni sui principali parametri dei processi tecnici per le aziende di microelettronica, cioè per se stesse. Vediamo ora come si seguono queste raccomandazioni:

La risposta breve è assolutamente no. Si è arrivati al punto che al recente forum IEDM si è ammesso di considerare la norma tecnica un concetto di marketing, cioè niente più che un numero per la pubblicità. In effetti, oggi non è più ragionevole confrontare i processi tecnici in nanometri rispetto a 10 anni fa (dopo l'uscita del Pentium 4) per continuare a confrontare le prestazioni della CPU (anche della stessa architettura software) in gigahertz.

La differenza nei processi tecnici con gli stessi standard tecnici influisce attivamente sul prezzo dei chip. Ad esempio, AMD ha utilizzato un processo a 65 nanometri sviluppato insieme a IBM con wafer SOI, ossidi a doppio gate, germanio impiantato in silicio, due tipi di strati di stress (compressione e trazione) e 10 strati di rame per le interconnessioni. La tecnologia di processo a 65 nm di Intel comprende un wafer di silicio solido relativamente economico, un dielettrico a spessore singolo, germanio impiantato nel silicio, uno strato elasticizzato e 8 strati di rame. Secondo stime approssimative, Intel avrà bisogno di 31 maschere per il suo processo e AMD - 42.

Di conseguenza, a causa della differenza significativa nelle tecnologie del silicio deformato e nel tipo di substrato (i wafer SOI costano circa 3,6 volte di più rispetto a quelli normali), il prezzo finale di un wafer da 300 mm per AMD sarà di ≈$ 4300, ovvero il 70% più costoso rispetto al prezzo per Intel - ≈2500 dollari. A proposito, le CPU Intel, di regola, hanno anche aree del die più piccole rispetto a quelle simili per numero di core e dimensioni della cache di AMD. Ora è chiaro il motivo per cui Intel sta mostrando profitti invidiabili, mentre AMD recentemente è riuscita a malapena a reggersi in piedi.

Dati IEDM sui processi tecnici entro il 2010. Fonte - .

Sulla base dei report di IEDM è possibile creare una tabella riepilogativa con i parametri degli ultimi processi tecnici delle aziende leader. Mostra che tutti i processi tecnici con una norma tecnica "fine" (nodo di processo) sono passati al doppio templating (DP) e alla litografia ad immersione, e la tensione di alimentazione (V dd) si è fermata da tempo a 1 volt (il consumo di energia del transistor continua a cadere anche senza questo, ma non così velocemente). È molto più interessante confrontare la lunghezza del gate (L Gate), il passo del gate di contatto (Contacted Gate Pitch) e l'area della cella SRAM (SRAM Cell Size).

Da notare qui che le cache di una CPU prodotta con lo stesso standard tecnico dalla stessa azienda hanno un'area di celle maggiore del 5–15% rispetto a quella indicata nel caso di L2 e L3, e del 50–70% maggiore per L1. Il fatto è che anche i dati relativi all'area riportati da IEDM sono alquanto promozionali. Sono validi solo per un singolo array di celle e non tengono conto di amplificatori, buffer I/O, decodificatori di indirizzi, riserve dimensionali per aumentare l'affidabilità e compromessi tra densità e velocità (per L1).

Per semplicità, prenderemo solo i processi Intel "ad alte prestazioni". A 130 nm la lunghezza del gate era pari al 46% della norma tecnica, mentre oggi è pari al 94%. Tuttavia, il passo dell'otturatore è diminuito di 4 volte rispetto alla norma tecnica. Tuttavia, se dividi l'area della cella SRAM per il quadrato della norma tecnica, le vecchie celle necessitano di ≈120 di tali quadrati e quelle nuove - già ≈170. AMD con le sue piastre SOI è più o meno la stessa cosa. In un processo a "65 nm", la dimensione minima effettiva del gate può essere ridotta a 25 nm, ma il passo del gate può superare i 130 nm e il passo minimo della pista metallica può essere superiore a 180 nm. Dal 2002 circa, le dimensioni dei transistor sono diminuite a un ritmo più lento rispetto agli standard tecnici. Nel linguaggio della moderna RuNet, i nanometri non sono più gli stessi...

E ora, armati di numeri su questo pasticcio di una complessa economia microelettronica, torniamo ai “22 nanometri” promessi da Intel. Secondo i dati preliminari sembra buono: la superficie della cella è di 0,092 mq. per "veloce" e 0,108 per la versione ad alta efficienza energetica del processo (dati 2009 per un chip di test SRAM da 22 nm). Per la versione veloce ciò equivale a 190 quadrati elementari, leggermente peggiore rispetto agli standard tecnici precedenti. Ma Intel continuerà a utilizzare la litografia ad immersione a 193 nm per quella a 14 nm, possibilmente con triplo template. E per 10 nm - con quintuplo (5 esposizioni e un arrotondamento degli spaziatori). Allo stesso tempo, per un processo a 10 nanometri, il costo delle fasi litografiche per unità di area sarà circa sei volte maggiore rispetto a un processo a 32 nanometri, ma se l’area sarà 10 volte più piccola (come con una riduzione lineare) è dubbio. Qui non importa nemmeno perché Intel abbia deciso che i suoi prossimi due processi avranno standard tecnologici di 14 e 10 nm, e non 16 e 11, come ci si potrebbe aspettare (ciascuno dei successivi è √2 volte più piccolo). Dopotutto, i nanometri significano poco ormai... Qual è il prossimo passo?

Se torniamo ai grafici generali, gli ultimi riguardano il prezzo o il costo per un motivo. Se proviamo a estrapolare da essi le tendenze per il futuro, si scoprirà che dopo qualche tempo rimarranno solo 2-3 aziende al mondo in grado di sviluppare e implementare i processi tecnologici più moderni. Ciò costerà loro somme a 11 cifre in dollari, che potranno essere recuperate solo se i prodotti saranno venduti in tutto il mondo, cosa possibile solo con una monopolizzazione completa: una piattaforma, un'architettura, un concetto... Non ci sarà spazio lasciato alla necessaria competizione di licenziamento - Siamo solo 7 miliardi, e questo numero non cresce così velocemente come i prezzi delle fabbriche e dei processi tecnici.

Inoltre, è probabile che il numero di aziende senza fabbriche diminuisca. Il punto non è che poche grandi aziende copriranno quasi tutte le esigenze di quasi tutti con i loro chip. Anche se hai sviluppato qualcosa di unico, il costo di implementazione potrebbe essere così elevato che non lo recupererai con tutte le vendite. E anche questa è una conseguenza della tecnologia di massa:

L'immagine formata dalla maschera prima di colpire la lastra viene ridotta otticamente di 4 volte a una striscia di esposizione standard di ≈24 mm di dimensione (per litografie moderne) e la dimensione della maschera stessa è di circa 18 × 12 cm. Tuttavia, OPC e i metodi PSM richiedono che abbia una risoluzione non peggiore di quella in formazione , che già per 65 nm aumenta il costo di un set di maschere a centinaia di migliaia di dollari, e per i processi tecnologici più recenti - fino a un paio di milioni .

Ora immaginiamo che noi, una piccola ma orgogliosa azienda, dobbiamo rilasciare un system-on-chip progettato per nuovi tablet e smartphone. Gli esperti di marketing affermano che, a causa della forte concorrenza di indovina quale azienda, 100.000 persone acquisteranno sicuramente dispositivi con la nostra CPU. Un processore basato su una tecnologia di processo a 28 nanometri (uno più vecchio perderà la corsa alla golosità) avrà un costo di circa 15 dollari, ma se si tiene conto del prezzo delle mascherine (anche diviso per 100.000), sarà già di 35 dollari. . E questo non tiene conto del rilascio di numerose revisioni per correggere errori e ottimizzare i parametri. Sono necessarie circa cinque revisioni per un nuovo chip complesso e per ciascuna (dopo la prima) è necessario aggiornare una parte significativa delle maschere dell'intero set.

Alla fine si scopre che, anche senza commettere un solo errore nella strategia di mercato, pagheremo il nostro chip solo contando sulla produzione e vendita di dispositivi con esso a milioni, altrimenti nessuno lo comprerà a causa del prezzo. Recentemente, un dipendente della Cadence (che produce sistemi CAD specializzati per la progettazione di chip) ha affermato che il costo del passaggio da 32-28 a 22-20 nm è aumentato in modo significativo rispetto ai passaggi precedenti. Le aziende microelettroniche hanno investito 1,2 miliardi di dollari in ricerca e sviluppo per 32–28 nm e 2–3 miliardi di dollari per 22–20 nm. La progettazione dei chip costa 50-90 milioni di dollari per 32 nm e 120-500 milioni di dollari per 22 nm. La compensazione per i costi di sviluppo e produzione richiederà la vendita di 30-40 milioni di cristalli da 32 nanometri e 60-100 milioni per quelli da 20 nm.

Tuttavia, anche le grandi aziende i cui prodotti vengono acquistati a milioni avranno difficoltà a spiegare perché dovrebbero acquistare un altro processore con teraflop e terabyte di memoria, dato che i modelli precedenti fanno tutto bene. Forse, da un certo punto in poi, anche il pagamento forzato per i nuovi prodotti non aiuterà più, ad esempio a causa della cancellazione prematura del supporto per i vecchi modelli o della loro usura e spegnimento programmati...

La microelettronica mondiale, seguendo la legge di Moore, ha sempre smentito i timori regolarmente sollevati dagli ingegneri secondo cui stiamo per imbatterci in limiti fisici insormontabili, dopo di che l'industria rimarrà bloccata per sempre o sarà costretta a passare a materiali ed effetti fondamentalmente nuovi. Ma non risulterebbe che il vero freno sarà l’effetto della saturazione globale: dopo una rapida crescita, non sarà più necessario cambiare processori e memoria ogni anno o due, così come scarpe e vestiti – con taglie nuove e adatte.

Un altro problema è che anche in quelle applicazioni dove prestazioni e memoria non saranno mai superflue, un salto di qualità (invece di un ulteriore raddoppio di registri, vettori, cache e core) può essere ottenuto solo passando a un nuovo tipo di base elementare: il grafene, fotonica, spintronica, quantistica o altra “magia”. Ma per svilupparlo, adattarlo alla produzione di massa e (soprattutto!) costruire la produzione stessa, sarà necessaria un'enorme quantità di denaro, molto più del prezzo di una fabbrica moderna. È del tutto possibile che tra 10 anni (quando non sarà più possibile allungare ulteriormente l'attuale litografia) nessuna azienda privata sarà in grado di gestirlo. E quale Stato, ancora oggi, vorrebbe finanziare le tecnologie microelettroniche ad alto rischio del futuro?

Intel ha confermato un ritardo nella produzione di massa di CPU utilizzando il processo a 10 nm fino alla seconda metà del 2017. Il produttore di chip sostiene che a causa delle difficoltà nel padroneggiare i nuovi standard di produzione, dovrà estendere il ciclo di vita del processo CPU da 14 nm di un altro anno. Pertanto, l'anno prossimo Intel introdurrà i processori Kaby Lake e Cannonlake verrà rilasciato solo nel 2017. Il management di Intel ha ammesso che, a causa della crescente complessità della produzione dei chip, la famosa legge di Moore potrebbe subire delle trasformazioni. Tuttavia, a differenza dei concorrenti, Intel non ha intenzione di semplificare le caratteristiche della nuova tecnologia di produzione per accelerarne il time to market. L'azienda è convinta che la sua tecnologia di processo a 10 nm sarà la migliore del settore.

La ciclicità della legge di Moore aumenta

Quando Gordon Moore fece per la prima volta la sua osservazione sul raddoppio del numero di transistor nei circuiti integrati nel 1965, notò che il numero raddoppiava ogni 12 mesi. Nel 1975 revisionò la sua osservazione e predisse che il numero di transistor nei microcircuiti sarebbe raddoppiato ogni due anni. Negli ultimi anni, le tecnologie di produzione e i circuiti integrati sono diventati così complessi da portare a cicli di cambio processo più lunghi. Di conseguenza, il numero di transistor sui chip ora raddoppia ogni due anni e mezzo o meno. Di conseguenza, Intel è di fatto costretta a produrre non due, ma tre famiglie di microprocessori utilizzando la stessa tecnologia.

“Le ultime due transizioni alle nuove tecnologie hanno dimostrato che la durata del ciclo oggi è di circa due anni e mezzo”, ha affermato Brian Krzanich, amministratore delegato di Intel, durante la teleconferenza trimestrale della società con investitori e analisti finanziari. « Secondo questo, nella seconda metà del 2016 prevediamo di introdurreLago Kaby,la terza generazione dei nostri prodotti a 14 nm, su cui si baserà fondamento dell'architetturaSkylake, ma presentano miglioramenti chiave delle prestazioni. Ci aspettiamo che questa innovazione nella nostra tabella di marcia introduca nuove funzionalità e aumenti la velocità di elaborazione, aprendo al contempo la strada a una transizione graduale ai 10 nm”.

Non tutti i processi sono uguali

Intel intende iniziare la produzione dei suoi chip, nome in codice Cannonlake, utilizzando la tecnologia di produzione a 10 nm solo nella seconda metà del 2017. A giudicare dai rapporti provenienti da fonti non ufficiali, Samsung prevede di iniziare la produzione di massa di chip utilizzando la tecnologia a 10 nm già nel 2016. Pertanto, Samsung può superare Intel nello sviluppo di processi tecnologici avanzati.

In teoria, il ritardo potrebbe rappresentare un problema per Intel, poiché ritmi di produzione più ridotti significano l'opportunità di ridurre il consumo energetico e aumentare le prestazioni. Sebbene i processori Intel non competano direttamente con i processori Apple A e Samsung Exynos (che sono ciò che Samsung produce utilizzando una tecnologia all'avanguardia), i dispositivi basati su Intel competono con quelli basati su quei chip. Di conseguenza, con l'aumento della popolarità di tali dispositivi, la popolarità dell'elettronica basata sui prodotti Intel diminuirà.

Tuttavia, vale la pena capire che 10 nm è solo il nome del processo tecnologico, che indica una delle sue caratteristiche. Tutti i processi produttivi di Intel sono generalmente superiori a quelli di altri produttori di semiconduttori. Pertanto, le tecnologie FinFET da 14 e 16 nm di Samsung, GlobalFoundries e TSMC, sebbene utilizzino transistor più piccoli, si basano su interconnessioni della tecnologia di processo da 20 nm. Pertanto, la dimensione dei chip prodotti utilizzando le tecnologie 14LPE e CLN16FF non differisce da quelle prodotte utilizzando processi meno avanzati, il che non consente di aumentare significativamente il budget dei transistor rispetto ai loro predecessori.

Rispetto alle tecnologie di produzione di chip di altri produttori di semiconduttori, i nuovi processi di produzione di Intel sono sempre superiori ai loro predecessori sotto tutti gli aspetti. Pertanto, la tecnologia di processo a 14 nm di Intel non solo aumenta il potenziale di frequenza e riduce il consumo energetico, ma aumenta anche la densità dei transistor, il che consente di integrare più blocchi funzionali nei microcircuiti.

Intel: rimarremo leader nel settore dei semiconduttori!

Il direttore esecutivo di Intel ha sottolineato che l'azienda non utilizzerà tutti i tipi di trucchi per dichiarare formalmente il passaggio alla tecnologia di processo a 10 nm. La nuova tecnologia di produzione ridurrà le dimensioni sia dei transistor che delle interconnessioni, massimizzando la densità degli elementi, riducendo il costo dei chip per transistor.

"Crediamo che se si guarda il ridimensionamento [10- tecnologia di processo a nm rispetto a 14 nm], allora sarà piuttosto serio rispetto al tipico passaggio da un processo all’altro”,- Ha detto il signor Krzanich. «Non ti darò i numeri esatti adesso. Ma crediamo che se mettiamo insieme tutte le [innovazioni tecnologiche a 10 nm], la nostra posizione di leadership [nel settore] non cambierà, anche con il ritardo [nelle spedizioni di chip]”.

Il capo di Intel non ha rivelato molti dettagli sul processo tecnologico a 10 nm, né le ragioni esatte del ritardo nell'inizio del suo utilizzo. Tuttavia, ha lasciato intendere che la nuova tecnologia di produzione utilizza transistor a gate verticale (FinFET) “migliorati” nonché litografia ad immersione multi-patterning.

"Ogni [processo tecnico] ha la propria ricetta per complessità e difficoltà",- Ha spiegato il signor Krzanich. “I problemi con la transizione da 14 nm a 10 nm sono più o meno gli stessi problemi con la transizione da 22 nm a 14 nm. La fotolitografia [ad immersione] sta diventando sempre più difficile da utilizzare poiché le dimensioni dei chip diventano più piccole. Il numero di passaggi quando si utilizza il multipatterning aumenta.

Intel: Rilasceremo milioni di Cannonlake nel primo anno

Non è un segreto che il processo di ingresso nel mercato dei chip Broadwell sia durato molti mesi e che i volumi di produzione iniziali del Core M (Broadwell) con tecnologia a 14 nm fossero scarsi. Intel promette che l'anno in più aiuterà i suoi ingegneri a perfezionare il processo a 10 nm per lanciare rapidamente i nuovi chip Cannonlake verso una vera produzione di massa.

“Nella seconda metà del 2017 inizieremo la produzione dei primi processori a 10 nm, nome in codice Cannonlake», - Ha detto il signor Krzanich. "Quando parliamo della seconda metà del 2017, parliamo di milioni di unità e grandi volumi."

Intel: il ciclo tick-tock potrebbe ancora ritornare

Intel afferma che, sebbene il tempo necessario per utilizzare un processo tecnologico per la produzione di microprocessori sia ormai esteso a due anni e mezzo o tre, l'azienda cercherà di tornare al suo modello "tick-tock", il cui ciclo è di circa due anni. È del tutto possibile che il ritorno del “tick-tac” richieda il passaggio all’uso della fotolitografia nell’ultravioletto profondo (litografia ultravioletta estrema, EUV). Se la tecnologia di processo a 10 nm verrà utilizzata per tre anni, entro il 2020 gli scanner EUV potrebbero diventare economicamente fattibili per la produzione di chip utilizzando la tecnologia di processo a 7 nm.

Va notato che allungare i cicli tecnologici significa anche allungare i cicli microarchitettonici: ora una microarchitettura fondamentale sarà utilizzata per tre generazioni di processori entro tre anni. Come Intel prevede di aumentare le prestazioni in ogni generazione e quanto significativo sarà l'aumento della velocità del processore ogni anno, solo il tempo lo dirà.

Nonostante il processo tecnico non influisca direttamente sulle prestazioni del processore, lo menzioneremo comunque come una caratteristica del processore, poiché è il processo tecnico che influenza l'aumento delle prestazioni del processore attraverso le modifiche alla progettazione. Vorrei sottolineare che il processo tecnico è un concetto generale sia per i processori centrali che per i processori grafici utilizzati nelle schede video.

L'elemento principale dei processori sono i transistor: milioni e miliardi di transistor. Da ciò segue il principio di funzionamento del processore. Un transistor può sia far passare che bloccare la corrente elettrica, il che consente ai circuiti logici di funzionare in due stati: acceso e spento, cioè nel noto sistema binario (0 e 1).

La tecnologia di processo dipende essenzialmente dalle dimensioni dei transistor. E la base delle prestazioni del processore risiede proprio nei transistor. Di conseguenza, più piccoli sono i transistor, maggiore è il numero che può essere posizionato sul chip del processore.

I nuovi processori Intel sono realizzati utilizzando la tecnologia di processo a 22 nm. Un nanometro (nm) è 10 elevato alla potenza di -9 di un metro, ovvero un miliardesimo di metro. Affinché tu possa immaginare meglio quanto siano in miniatura questi transistor, ti darò un fatto scientifico interessante: "Con l'aiuto della tecnologia moderna, è possibile posizionare 2000 porte di transistor sull'area della sezione trasversale di un capello umano!"

Se prendiamo in considerazione i processori moderni, il numero di transistor ha superato da tempo 1 miliardo.

Ebbene, il processo tecnico dei primi modelli non è iniziato affatto con i nanometri, ma con quantità volumetriche maggiori, ma non torneremo al passato.

Esempi di processi tecnici dei processori grafici e centrali

Ora esamineremo un paio degli ultimi processi tecnici utilizzati da noti produttori di grafica e processori centrali.

1. AMD (processori):

Processo tecnologico 32 nm. Questi includono Trinity, Bulldozer, Llano. Ad esempio, nei processori Bulldozer, il numero di transistor è di 1,2 miliardi, con un'area cristallina di 315 mm2.

Processo tecnologico 45 nm. Questi includono processori Phenom e Athlon. Un esempio in questo caso potrebbe essere Phemom, con un numero di transistor di 904 milioni e un'area del cristallo di 346 mm2.

2.Intelligence:

Processo tecnologico 22 nm. I processori Ivy Bridge (Intel Core ix - 3xxx) sono costruiti secondo gli standard a 22 nm. Ad esempio, il Core i7 – 3770K ha a bordo 1,4 miliardi di transistor, con un'area del cristallo di 160 mm2, vediamo un aumento significativo della densità di posizionamento.

Processo tecnologico 32 nm. Questi includono processori Intel Sandy Bridge (Intel Core ix – 2xxx). Qui se ne trovano 1,16 miliardi su una superficie di 216 mm2.

Qui puoi vedere chiaramente che secondo questo indicatore Intel è chiaramente in vantaggio rispetto al suo principale concorrente.

3. AMD (ATI) (schede video):

Processo tecnologico 28 nm. Scheda video Radeon HD7970

4.Nvidia:

Processo tecnologico 28 nm. GeForce GTX 690

Quindi abbiamo esaminato il concetto di processo tecnico nei processori centrali e grafici. Oggi gli sviluppatori intendono conquistare la tecnologia di processo a 14 nm, e poi a 9, utilizzando altri materiali e metodi. E questo è lontano dal limite!

we-it.net

Qual è il processo tecnologico del processore e cosa influenza?

Tutte le moderne tecnologie informatiche si basano sull'elettronica dei semiconduttori. Per la sua produzione vengono utilizzati cristalli di silicio, uno dei minerali più comuni sul nostro pianeta. Dopo la scomparsa degli ingombranti sistemi di tubi e lo sviluppo della tecnologia dei transistor, questo materiale ha occupato un posto importante nella produzione di apparecchiature informatiche.

Processori centrali e grafici, chip di memoria, vari controller: tutto questo è prodotto sulla base di cristalli di silicio. Per mezzo secolo, il principio di base non è cambiato, sono state migliorate solo le tecnologie per la creazione di chip. Stanno diventando sempre più sottili e in miniatura, efficienti dal punto di vista energetico e produttivi. Il parametro principale che verrà migliorato è il processo tecnico.

Che cos'è un processo tecnico

Quasi tutti i chip moderni sono costituiti da cristalli di silicio, che vengono lavorati mediante litografia per formare singoli transistor. Il transistor è l'elemento chiave di qualsiasi circuito integrato. A seconda dello stato del campo elettrico, può trasmettere un valore equivalente a quello logico (passa corrente) o zero (funge da isolante). Nei chip di memoria, i dati vengono scritti utilizzando combinazioni di zero e uno (posizioni dei transistor) e nei processori i calcoli vengono eseguiti durante la commutazione.

Nella tecnologia a 14 nm (rispetto a 22 nm), il numero di barriere è ridotto, la loro altezza è aumentata e la distanza tra le alette dielettriche è ridotta

Un processo tecnologico è una procedura e una procedura per la produzione di qualsiasi prodotto. Nell'industria elettronica, nel suo significato generalmente accettato, questo è un valore che indica la risoluzione dell'attrezzatura utilizzata nella produzione dei chip. Da esso dipende direttamente anche la dimensione degli elementi funzionali ottenuti dopo la lavorazione del silicio (ovvero i transistor). Quanto più sensibile e precisa è l'attrezzatura utilizzata per la lavorazione dei cristalli per i grezzi del processore, tanto più fine sarà il processo tecnico.

Cosa significa il valore numerico di un processo tecnico?

Nella moderna produzione di semiconduttori, il metodo più comune è la fotolitografia: incidere elementi su un chip rivestito con una pellicola dielettrica utilizzando la luce. È la risoluzione dell'attrezzatura ottica che emette luce per l'incisione che è il processo tecnico nell'interpretazione generalmente accettata della parola. Questo numero indica quanto sottile può essere la caratteristica sul chip.

Fotolitografia: incisione di elementi su un cristallo

Cosa influisce il processo tecnico?

Il processo tecnico influisce direttamente sul numero di elementi attivi di un chip semiconduttore. Più sottile è il processo tecnico, più transistor si adatteranno a una determinata area del chip. Innanzitutto, ciò significa aumentare il numero di prodotti da un unico pezzo. In secondo luogo, ridurre il consumo energetico: più sottile è il transistor, meno energia consuma. Di conseguenza, a parità di numero e disposizione dei transistor (e quindi di aumento di prestazioni), il processore consumerà meno energia.

Lo svantaggio del passaggio a un processo tecnico raffinato è che l’attrezzatura diventa più costosa. Le nuove unità industriali consentono di rendere i processori migliori e più economici, ma essi stessi aumentano di prezzo. Di conseguenza, solo le grandi aziende possono investire miliardi di dollari in nuove apparecchiature. Anche aziende famose come AMD, Nvidia, Mediatek, Qualcomm o Apple non producono processori da sole, affidando questo compito a giganti come TSMC.

Cosa offre la riduzione del processo tecnico?

Riducendo il processo tecnologico, il produttore ha l'opportunità di aumentare le prestazioni mantenendo le stesse dimensioni del chip. Ad esempio, il passaggio da 32 nm a 22 nm ha permesso di raddoppiare la densità dei transistor. Di conseguenza, sullo stesso chip di prima, è diventato possibile posizionare non 4, ma già 8 core del processore.

Per gli utenti, il vantaggio principale è la riduzione del consumo energetico. I chip che utilizzano una tecnologia di processo più sottile richiedono meno energia e generano meno calore. Grazie a ciò è possibile semplificare il sistema di alimentazione, ridurre il dispositivo di raffreddamento e prestare meno attenzione ai componenti di soffiaggio.

Previsione schematica dei cambiamenti di processo in futuro

Tecnologia del processore sugli smartphone

Gli smartphone richiedono risorse hardware e consumano rapidamente la carica della batteria. Pertanto, per rallentare il consumo di scarica, gli sviluppatori di processori per dispositivi mobili stanno cercando di introdurre nella produzione i processi tecnici più recenti. Ad esempio, il popolare dual-core MediaTek MT6577 è stato prodotto utilizzando una tecnologia di processo a 40 nm e le prime serie Qualcomm Snapdragon 200 sono state prodotte utilizzando la tecnologia a 45 nm.

Nel 2013-2015, 28 nm sono diventati il principale processo tecnologico per i chip utilizzati negli smartphone. MediaTek (fino a Helio X10 incluso), Qualcomm Snapdragon S4, serie 400, così come i modelli 600, 602, 610, 615, 616 e 617 sono tutti a 28 nm. È stato utilizzato anche nella produzione di Snapdragon 650, 652, 800, 801, 805. Il "caldo" Snapdragon 810, curiosamente, è stato realizzato utilizzando una tecnologia di processo più sottile di 20 nm, ma questo non è stato di grande aiuto.

Apple ha utilizzato la tecnologia a 20 nm anche nel suo A7 (iPhone 5S). L'Apple A8 per il sesto iPhone utilizzava 20 nm, mentre il modello A9 (per 6s e SE) utilizza già la nuova tecnologia di processo a 16 nm. Nel 2013-2014, Intel ha realizzato il suo Atom Z3xxx utilizzando la tecnologia a 22 nanometri. Dal 2015 sono entrati in produzione i chip da 14 nm.

Il prossimo passo nello sviluppo dei processori per smartphone è lo sviluppo diffuso dei processi tecnologici a 14 e 16 nm, quindi possiamo aspettarci 10 nm. Le prime copie potrebbero essere Qualcomm Snapdragon 825, 828 e 830.

mobcompany.info

Qual è il processo tecnico in un trasformatore: l'importanza della dimensione dei cristalli

09.07.2017
Blog di Dmitry Vassiyarov.

Buona giornata.

Solleviamo insieme il velo su una questione così complessa come la produzione di CPU per computer. In particolare, da questo articolo imparerai qual è il processo tecnico in un processore e perché ogni anno gli sviluppatori cercano di ridurlo.

Come sono fatti i processori?

Innanzitutto, dovresti conoscere la risposta a questa domanda in modo che ulteriori spiegazioni siano chiare. Qualsiasi apparecchiatura elettronica, inclusa la CPU, viene creata sulla base di uno dei minerali più comunemente usati: i cristalli di silicio. Inoltre, viene utilizzato per questi scopi da più di 50 anni.

I cristalli vengono elaborati tramite litografia per consentire la creazione di singoli transistor. Questi ultimi sono gli elementi fondamentali del chip, poiché è composto interamente da essi.

La funzione dei transistor è quella di bloccare o far passare la corrente, a seconda dello stato attuale del campo elettrico. Pertanto, i circuiti logici funzionano in un sistema binario, cioè in due posizioni: acceso e spento. Ciò significa che trasmettono energia (uno logico) o agiscono come isolanti (zero). Quando si commutano i transistor nella CPU, vengono eseguiti i calcoli.

Ora riguardo alla cosa principale

In generale, il processo tecnologico si riferisce alla dimensione dei transistor.

Cosa significa? Torniamo nuovamente alla produzione di processori.

Il metodo più comunemente utilizzato è la fotolitografia: il cristallo è ricoperto da una pellicola dielettrica e da esso vengono incisi i transistor utilizzando la luce. A tale scopo viene utilizzata l'attrezzatura ottica, la cui risoluzione, in sostanza, è un processo tecnico. La sottigliezza dei transistor sul cristallo dipende dal suo valore, dalla precisione e dalla sensibilità del dispositivo.

Cosa dà questo?

Come hai capito, più piccoli sono, più possono essere posizionati sul chip. Ciò influisce:

Dissipazione del calore e consumo energetico. Riducendo le dimensioni dell'elemento, richiede meno energia e quindi genera meno calore. Questo vantaggio consente di installare potenti CPU in piccoli dispositivi mobili. A proposito, grazie al basso consumo energetico dei moderni chip, tablet e smartphone mantengono la carica più a lungo. Per i PC, la minore dissipazione del calore consente di semplificare il sistema di raffreddamento.
Numero di spazi vuoti. Da un lato è vantaggioso per i produttori ridurre il processo tecnico, perché da un unico pezzo si ottiene una maggiore quantità di prodotti. È vero, questa è solo una conseguenza del perfezionamento del processo tecnico e non del perseguimento di benefici, perché d'altra parte, per ridurre le dimensioni dei transistor, sono necessarie apparecchiature più costose.

Prestazioni del chip. Più elementi avrà, più velocemente funzionerà, anche se le sue dimensioni fisiche rimarranno le stesse.

Il processo tecnologico in numeri ed esempi

Il processo tecnologico viene misurato in nanometri (nm). Questo è 10 alla -9 potenza di un metro, cioè un nanometro è un miliardesimo di esso. In media, i processori moderni vengono prodotti utilizzando una tecnologia di processo a 22 nm.

Puoi immaginare quanti transistor si adattano a un processore. Per essere più chiari, l’area tagliata di un capello umano può ospitare 2.000 elementi. Sebbene il chip sia in miniatura, è chiaramente più grande di un capello, quindi può includere miliardi di porte a transistor.

Vuoi sapere più precisamente? Lascia che ti faccia alcuni esempi:

I processori AMD, vale a dire Trinity, Llano, Bulldozer, hanno una tecnologia di processo a 32 nm. In particolare, l'area cristallina di quest'ultimo è di 315 mm2, dove si trovano 1,2 miliardi di transistor. Phenom e Athlon dello stesso produttore sono realizzati utilizzando la tecnologia di processo a 45 nm, ovvero ne hanno 904 milioni con una superficie di base di 346 mm2.

Intel dispone di chip basati sullo standard a 22 nm: questa è la famiglia Ivy Bridge (Intel Core ix - 3xxx). Per chiarezza: il Core i7 – 3770K ha 1,4 miliardi di elementi, nonostante la dimensione del die sia di soli 160 mm. Lo stesso marchio ha anche prodotti a 32 nm. Stiamo parlando di Intel Sandy Bridge (2xxx). Su una superficie di 216 mm2 si adattano 1,16 miliardi di transistor.

Del resto, tutto quello che avete imparato sui processi tecnici per i dispositivi del computer centrale vale anche per i dispositivi grafici. Ad esempio, questo valore nelle schede video AMD (ATI) e Nvidia è 28 nm.

Ora sai di più su un componente così importante del tuo computer come il processore. Torna per ulteriori informazioni.

Arrivederci.

Intel: Il nostro processo a 10 nm sarà il migliore del settore

La ciclicità della legge di Moore aumenta

"Le ultime due transizioni hanno dimostrato che la durata del ciclo oggi è di circa due anni e mezzo", ha affermato Brian Krzanich, amministratore delegato di Intel, durante la teleconferenza trimestrale della società con investitori e analisti finanziari. “Di conseguenza, nella seconda metà del 2016 prevediamo di introdurre Kaby Lake, la terza generazione dei nostri prodotti a 14 nm che sarà basata sulle fondamenta dell'architettura Skylake, ma con miglioramenti chiave delle prestazioni. Ci aspettiamo che questa innovazione nella nostra tabella di marcia introduca nuove funzionalità e aumenti la velocità di elaborazione, aprendo al contempo la strada a una transizione graduale ai 10 nm”.

Non tutti i processi sono uguali

Intel: rimarremo leader nel settore dei semiconduttori!

"Crediamo che, se si guarda alla scala, sarà piuttosto drammatica rispetto a ciò che è tipico quando si passa da un processo all'altro", ha detto Krzanich. «Non ti darò i numeri esatti adesso. Ma crediamo che se mettiamo insieme tutte le [innovazioni tecnologiche a 10 nm], la nostra posizione di leadership [nel settore] non cambierà, anche con il ritardo [nelle spedizioni di chip]”.

Presso il complesso produttivo Intel

"Ogni [processo tecnico] ha la propria ricetta per complessità e difficoltà", ha spiegato Krzanich. “I problemi con la transizione da 14 nm a 10 nm sono più o meno gli stessi problemi con la transizione da 22 nm a 14 nm. La fotolitografia [ad immersione] sta diventando sempre più difficile da utilizzare poiché le dimensioni dei chip diventano più piccole. Il numero di passaggi quando si utilizza il multipatterning aumenta.

Intel: Rilasceremo milioni di Cannonlake nel primo anno

"Nella seconda metà del 2017, inizieremo la produzione dei primi processori da 10 nm, nome in codice Cannonlake", ha affermato Krzanich. "Quando parliamo della seconda metà del 2017, parliamo di milioni di unità e grandi volumi."

Wafer da 300 mm con chip Intel

Intel: il ciclo tick-tock potrebbe ancora ritornare

Intel afferma che sebbene il tempo per utilizzare un processo tecnologico per la produzione di microprocessori sia ormai allungato da due anni e mezzo a tre, l'azienda cercherà di tornare al suo modello "tick-tock", il cui ciclo è di circa due anni. È del tutto possibile che il ritorno del “tick-tac” richieda il passaggio all’uso della fotolitografia nell’ultravioletto profondo (litografia ultravioletta estrema, EUV). Se la tecnologia di processo a 10 nm verrà utilizzata per tre anni, entro il 2020 gli scanner EUV potrebbero diventare economicamente fattibili per la produzione di chip utilizzando la tecnologia di processo a 7 nm.

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3dnews.ru

La battaglia per i nanometri: perché i produttori riducono il processo tecnico

Dal 1965 conosciamo la cosiddetta Legge di Moore: "Il numero di transistor posizionati su un chip di un circuito integrato raddoppia ogni 24 mesi, portando a nuove tecnologie, aumento della produttività e scoperte nel campo dell'elettronica". Presentando questa legge al pubblico, uno dei padri di Intel non avrebbe potuto immaginare che gli ingegneri sarebbero stati in grado di rispettarla per cinquant'anni. Non poteva immaginare che nel 2014 sarebbero iniziate difficoltà nel rispetto di questa legge presso la stessa Intel. Dopotutto, per aumentare il numero di transistor in un processore, è necessario ridurre il processo tecnico di produzione. In poche parole, riduci le dimensioni fisiche dei transistor e aumenta la loro densità. Al momento, la dimensione masterizzata può essere considerata 22 nanometri, questa è la dimensione dei transistor nel processore Intel Haswell. Sembrerebbe che la riduzione porti solo problemi: standard di pulizia delle stanze più severi, più difficile creare un modello per la litografia, gli effetti quantistici iniziano a influenzare e più difficile controllare la qualità. Ma nessun produttore di successo affronterà tali difficoltà se non si tratta di ridurre i costi di produzione e la concorrenza. Di conseguenza, si possono identificare diverse ragioni per il passaggio a processi tecnici più sottili.

Mi sembra che i produttori concorderebbero rapidamente sul fatto che la legge di Moore non ha senso e smetterebbero di ridurre tutto. Dopotutto, una riduzione del processo tecnico porta a un gran numero di processori rifiutati. È difficile credere che solo piccole fluttuazioni della crosta terrestre, impercettibili per l’uomo, possano portare il numero di processori inutilizzabili all’80%! È qui che entra in gioco la comprensione di un prezzo così elevato per i processori. Materiali complessi, attrezzature all'avanguardia, un enorme staff di scienziati e altre difficoltà non fermano i produttori nel loro desiderio di ridurre il processo tecnico. Perché no? Dopotutto, è sicuramente conveniente. Intel promette da tempo di costruire un impianto sulla Luna, perché la gravità è debole, non ci sono terremoti e si può ridurre il processo tecnologico all'atomo!

Come recuperare i dati da un disco rigido dopo la formattazione

Intel Corp. ha dedicato molto tempo lo scorso anno cercando di dimostrare agli investitori di essere leader nella tecnologia dei chip. L'azienda ha dichiarato in particolare che la sua futura tecnologia di processo a 10 nm potrebbe fornire il doppio della densità dei transistor rispetto agli standard concorrenti a 10 nm.

E mentre l’affermazione di Intel è probabilmente vera, la realtà è che i concorrenti hanno iniziato a produrre chip da 10 nm alla fine del 2016 o all’inizio del 2017, e il processo a 10 nm di Intel non è ancora utilizzato per la produzione di massa. L'enorme ritardo di Intel nel padroneggiare gli standard a 10 nm ha fatto sì che i confronti di Intel fossero inutili, poiché la sua tecnologia a 10 nm avrebbe dovuto competere con gli standard a 7 nm della concorrenza.

Alla recente Conferenza Internazionale sui Circuiti a Stato Solido (ISSCC), un ingegnere di Intel è apparso per riconoscere i problemi che il reparto marketing della sua azienda stava trascurando: la tecnologia a 10 nm di Intel è inferiore agli standard a 7 nm della concorrenza in un'area critica.

La maggior parte dei processori dei computer include un tipo di memoria estremamente veloce nota come SRAM. Poiché la SRAM è una struttura comune a quasi tutti i processori, è conveniente confrontare la densità relativa delle varie tecnologie di produzione dei chip. Soprattutto se le celle che memorizzano un bit richiedono lo stesso numero di transistor.

Quindi, secondo Intel, una cella SRAM a singolo bit e sei transistor prodotta secondo i suoi standard a 10 nm occupa 0,0312 micrometri quadrati di area del die. Le celle SRAM concorrenti a sei transistor a singolo bit prodotte con processo a 7 nm da Samsung, TSMC e GlobalFoundries occupano rispettivamente 0,026, 0,0272 e 0,0296 micrometri quadrati.

Come potete vedere, le tecnologie a 7 nanometri delle tre società citate sono molto diverse tra loro, ma gli standard a 10 nanometri di Intel sono significativamente inferiori a tutti loro. Pertanto, all'ultima conferenza, un rappresentante Intel ha concordato che le celle SRAM da 10 nm prodotte utilizzando il loro processo tecnico sono "solo" inferiori del 15% alle più piccole celle da 7 nm conosciute.

Considerando che Intel ha sempre rivendicato un vantaggio significativo rispetto ai suoi concorrenti in termini di densità di transistor su un chip, si tratta di un riconoscimento significativo. In definitiva, la perdita di leadership di Intel in quest'area è ancora un altro segno della sottoperformance della divisione manifatturiera dell'azienda. Un leggero ritardo nella densità dei transistor durante la stampa di SRAM non minerà l'equilibrio di potere, ma se la tendenza continua, in futuro Intel potrebbe perdere la sua leadership nel campo delle tecnologie di produzione dei cristalli semiconduttori.

I ritardi di Intel hanno già portato a ritardi nel lancio (e, in alcuni casi, cancellazioni) di prodotti importanti, danneggiando la posizione dell'azienda. Inoltre, solo Intel ha dovuto affrontare tali ritardi nel padroneggiare standard di produzione più sofisticati: TSMC e Samsung hanno costantemente rispettato i programmi stabiliti per la transizione verso nuovi processi tecnologici per diversi anni. E anche la GlobalFoundries, che storicamente non è stata una società di produzione particolarmente affidabile, sembra iniziare a cambiare direzione.

E se Intel ha ora perso la leadership nella densità dei transistor su un chip (un indicatore molto importante), in futuro potrebbe perdere altri vantaggi, ad esempio nel campo delle prestazioni e dell'efficienza energetica. Oggi Intel si trova di fronte a una scelta: raddoppiare gli sforzi per sviluppare e trasformare la propria divisione produttiva, cercando di riconquistare la leadership, oppure eliminare gradualmente la propria stampa di chip, esternalizzandola a terzi. Ma nel primo caso esiste la possibilità di fallimento e, di conseguenza, di ulteriore perdita di posizione per molti anni a venire.

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