Что такое технологический процесс процессора и на что он влияет. Что такое техпроцесс в процессоре Техпроцесс 22

Рассказываем об одной из главной характеристик мобильных чипсетов.

Процессор современного смартфона - сложный механизм, включающий в себя тысячи компонентов. Такие показатели, как частота и количество ядер, постепенно теряют смысл, а на смену им приходит понятие техпроцесса, характеризующее производительность и энергоэффективность процессора.

Что такое техпроцесс?

Процессор включает в себя тысячи транзисторов, которые пропускают или блокируют электрический ток, что позволяет логическим схемам работать в двоичной системе. Благодаря уменьшению размер транзисторов и расстояния между ними производители добиваются от чипсета большей продуктивности.

Уменьшенные транзисторы потребляют меньше энергии, при этом не утрачивая и производительность. Несмотря на то, что размер транзисторов напрямую не влияет на мощность, этот параметр стоит рассматривать как одну из характеристик, оказывающих влияние на скорость выполнения задач за счет конструктивных изменений в работе устройства. Размер транзистора по сути и характеризует техпроцесс процессоров.

За счет уменьшения расстояния между компонентами процессора уменьшается и объем энергии, которая необходима для их взаимодействия. Благодаря этому чипы с меньшим техпроцессом показывают большую автономность по сравнению с чипами с большим показателем технологического процесса. В отличие от большинства параметров смартфона, чем меньше число, характеризующее техпроцесс, тем лучше. В нашем случае это нанометры (нм).

Развитие техпроцесса в смартфонах

В первом Android-смартфоне HTC Dream (2008 год) процессор работал на 65-нм чипсете. В сегодняшних среднебюджетных моделях этот параметр варьируется в пределах 28-14 нм. Флагманские и игровые смартфоны часто оснащены 14 и даже 10-нм процессорами, поэтому они мощные, энергоэффективные и в меньшей степени подвержены нагреванию. Учитывая, что развитие технологий нацелено на машинное обучение и искусственный интеллект, для достижения новых высот в производительности техпроцесс с большой вероятностью будет уменьшен до 5, а потом и до 1 нм.

Выбирая смартфон, важно отталкиваться не только от количества ядер и тактовой частоты, но и обращать внимание на техпроцесс. Именно этот параметр косвенно укажет на актуальность чипсета, производительность, склонность к перегреву и автономность. На сегодняшний день устройства в среднем ценовом сегменте уже оснащены 14-нм процессорами, что на данный момент можно назвать актуальным и сбалансированным решением для любого современного смартфона.

В преддверии выхода новых поколений процессов и видеокарт от AMD и NVIDIA стоит разобрать такую важную характеристику чипа, как технологический процесс его производства. Intel уже с 2015 года клепает процессоры на 14 нм техпроцессе, в то время, как AMD и NVIDA используют уже устаревший 28 нм техпроцесс. Из нашей статьи вы узнаете о том, что такое техпроцесс производства чипа и его влияние на основные характеристики CPU/GPU , а также узнаете ответ на вопрос: «Что лучше: купить сейчас или подождать нового поколения?»

Введение

AMD для своих GPU Polaris и CPU Zen выбрали 14 Нм производства GlobalFoundries и Samsung, что меньше, чем 16 нм от NVIDIA производства TSMC. А про технологии этих компаний можете прочесть по соответствующим ссылкам: , .

Надо заранее отметить, что здесь не будут затронуты всякие тонкости производства транзисторов, здесь вы просто узнаете о значении более тонкого техпроцесса.

Что такое техпроцесс?

Вообще техпроцесс производства полупроводниковых схем подразумевает последовательность различных технологических и контрольных операций. Но почему тогда в графе техпроцесс пишется цифра с обозначением в нанометрах? Просто у фотолитографического оборудования, при помощи которого получают транзисторы, есть разрешающая способность. Чтобы лучше понять это советуем вам посмотреть это видео:

Со временем происходит эволюционное совершенствование этого процесса, что позволяет до сих пор соблюдать Закон Мура.

Интересный факт: Intel Pentium имел техпроцесс в 800 нм, что по современным меркам кажется безумно большой цифрой! И всего лишь 3,1 млн. транзисторов. (У Intel Core i7-5960X 14 нм и 2.6 млрд. транзисторов)

На что влияет техпроцесс?

Недаром же производители гордятся новым достигнутым уровнем этого технологического процесса. Ведь он дает ощутимые преимущества:

• уменьшение самих транзисторов ведет к увеличению их количества на единице площади, а это увеличение позволяет или поместить на подложку большее число транзисторов, что увеличивает производительность за счет расширения количества вычислительных блоков или уменьшить площадь самой подложки при сохранении прежнего числа транзисторов.
• меньший размер транзисторов позволяет уменьшить их тепловыделение и энергопотребление. Это позволяет или увеличить частоту и количество вычислительных ядер без ущерба тепловыделению или просто уменьшить энергопотребление, что особо удобно для лэптопов.
• вместе с 14 нм техпроцессом часто применяют FinFET транзисторы. Это такие транзисторы, которые имеют трехмерный затвор в форме плавника, что позволяет уменьшить размер транзистора и уменьшить потери тока и задержки. Их бывает несколько видов, но здесь про них рассказано не будет, так что если интересно, то сходите сюда .
• переход на новый техпроцесс требует нового оборудования, что является недешевой операцией. Это сказывается в первую очередь на цене процессоров.
• переход на новую стадию происходит не сразу. Технологию надо обкатать, поэтому первые чипы на новом технологическом процессе могут получаться далеко не с первого раза (влияет на цену). Особенно эта сложность растет с увеличением площади чипа, что не позволяет сразу после презентации нового техпроцесса сразу «лепить» быстрые многоядерные чипы с огромной площадью кристалла. Это в большей степени касается топовых видеочипов, где может применяться до 12 млрд транзисторов!

Так чего следует ждать?

Если поразмыслить, то получается, что в этом-следующем году следует ожидать значительного скачка в энергоэффективности, что позволит поднять частоту у топовых чипов и снизить требования к охлаждению у дешевых.

По видеокартам

По процессорам

Что касается процессоров, то здесь AMD обещают нам 40% прирост производительность на такт, что сулит здоровую конкуренцию с Intel, которые последнее время что-то обленились, их 5% прирост в Skylake расстроил многих фанатов. Также с таким скачком в техпроцессе Zen наконец может дать реальное подспорье Intel в энергоэффективности. Старые 28 нм не могли составить никакой конкуренции по этому параметру.

Также на данный момент уже известно, что процессоры Zen не заменят собой FX и Opteron, эти чипы не будут выпускаться далее 2016 года.

На микроархитектуру Zen возлагаются достаточно большие надежды, ведь к ее разработке приложил свою руку Джим Келлер. Он известен, как разработчик, создавший DEC Alpha 64-bit RISC, что затем вылилось в AMD K7. Им была создана архитектура AMD K8 после чего он ушел из AMD в 1999 году. Теперь же после возвращения в 2012, он вновь покидает «красных».

Просим нас простить за такой небольшой экскурс в историю, может кто-нибудь заинтересуется этой темой.

Выводы

Техпроцесс производства чипа имеет очень большое влияние на такие параметры, как энергопотребление, количество транзисторов и косвенно влияет на производительность.

Кроме апгрейда техпроцесса AMD и NVIDIA демонстрируют и новые архитектуры, что в сумме позволит совершить скачок в энергоэффективности и производительности.

Так что если вас мучает вопрос, о том, стоит ли подождать до новых выхода новых видеокарт и процессоров или покупать здесь и сейчас, мы склоняемся ко второму варианту. Исключение, наверное будет составлять случай с самыми мощными видеокартами, так как из-за большой площади чипа их выпуск может задержаться.

: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца, что приводит к появлению новых технологий, росту производительности и прорывам в области электроники». Излагая этот закон общественности, один из отцов Intel не мог предположить, что инженеры на протяжении целых пятидесяти лет смогут придерживаться его. Не мог он и предположить, что в 2014 году сложности с соблюдением этого закона начнутся и в самой компании Intel. Ведь для увеличения количества транзисторов в процессоре нужно уменьшать технический процесс производства. По-простому, уменьшать физический размер транзисторов и увеличивать их плотность.

На данный момент освоенным размером можно считать 22 нанометра, такой размер транзисторов в процессоре . Казалось бы, от уменьшения одни проблемы: строже нормы чистоты помещения, сложнее изготавливать шаблон для литографии, начинают влиять квантовые эффекты, сложнее контролировать качество. Но ни один успешный производитель не пойдет на такие сложности, если речь не идет о снижении себестоимости производства и конкурентной борьбе. Соответственно, можно выделить несколько причин перехода к более тонким техпроцессам.

Первая: эффекты, связанные с длиной волны света и частотой сигналов. Вся электроника (и не только она) строится на абстракциях и упрощениях. Для того, чтобы можно было безбоязненно комбинировать элементы между собой, не выполняя заново полный анализ, для элементов должен выполняться принцип суперпозиции. Чтобы выполнялся принцип суперпозиции, должно выполняться требование, согласно которому масштаб сигнала должен быть значительно больше, чем задержка распространения сигнала в схеме. То есть, при частоте в 3 ГГц, зная скорость света, получаем, что размер схемы должен быть значительно меньше 10 см. Значительно — это значит раза в 3-4.

Вторая: энергопотребление и тепловыделение. Чем меньше элемент, тем меньше он потребляет энергии и выделяет тепла. Это дает возможность использовать мощные процессоры в ультракомпактных устройствах. Правда, с уменьшением размера транзисторов увеличиваются сложности с теплоотводом, так что, видимо, плюсы и минусы компенсируются.

Третья: транзисторы, из которых современный процессор состоит чуть более, чем полностью, представляют собой не просто переключатель, управляемый напряжением. Из-за своей структуры он также представляет собой маленький конденсатор, емкость которого исчисляется фемто-фарадами, но все-таки не нулевая. Каждый конденсатор вносит небольшую задержку в распространение цифрового сигнала, которая при увеличении количества связанных компонентов суммируется. В результате на выходе вместо прямоугольного импульса мы получаем примерно вот такое:

Четвертая: сокращение затрат на производство. Это, на мой взгляд, немаловажная причина. Каждый отдельный процессор выращивается на пластине, где их очень много. Чем меньше площадь отдельного кристалла (процессора), тем больше их помещается на одной пластине и тем больше прибыль. Но это лишь следствие уменьшения техпроцесса, поэтому говорить, что производители специально пытаются уместить на одной кремниевой подложке побольше процессоров, было бы неправильно.

Как мне кажется, производители быстрее бы согласились, что закон Мура — бред, и перестали бы все уменьшать. Ведь уменьшение техпроцесса ведет к большому количеству отбракованных процессоров. Сложно поверить, что лишь небольшие, незаметные человеку колебания земной коры могут довести количество негодных процессоров до 80%! Здесь и приходит понимание такой немаленькой цены за процессоры. Сложные материалы, суперсовременное оборудование, огромный штат научных сотрудников и другие сложности не останавливают производителей в их стремлении уменьшать техпроцесс. А почему бы и нет? Ведь это наверняка рентабельно. Intel давно уже обещает построить завод на Луне, ведь там слабая гравитация, нет землетрясений и можно уменьшать техпроцесс до атома!

Технологический процесс (электронная литографическая промышленность, техпроцесс ,мкм, nm /нм; tecnology node, process tecnology — eng . ) – свод норм для изготовления полупроводниковых (п /п ) микросхем. В частности, самой важной характеристикой является размер полупроводниковых элементов, которые состоят из , ключей, и других элементов.

Измеряются эти элементы в микронах (мкм , микрометр) и нанометрах (нм , nm ). Чем меньше базовые элементы, тем лучше их характеристики.

Преимущества более «тонкого» техпроцесса:

· Меньшее тепловыделение . Получается это за счёт уменьшения размеров дорожек, разводки, затворов и требуемых токов для нормального функционирования. Также из-за меньших токов утечки.

· Большее количество транзисторов , которые можно «упаковать» в одном и том же пространстве более компактно, и создавать чипы меньше. При этом более технологичные, с большим количеством элементов.

· Меньшее потребление энергии. Чем меньше элементы, тем меньшие токи нужны для управления ими.

· Меньшая стоимость производства. Чем меньше чипы по размеру, тем больше чипов можно разместить на полупроводниковых пластинах. Это увеличивает количество готовых продуктов при тех же затратах.

Этапы производства микрочипов:

1. Сначала выращивают кристаллический кремний и формируют его форму для распиливания на круглые пластины.

3. Далее следует эпитаксиальное нанесение равномерного слоя подобного подложке вещества на атомном уровне, которое служит как фундамент и выравнивающий, общий уровень . Так же применяется маскирующий слой , который защищает нанесённый слой атомов кремния от воздействий на следующих этапах.

4. Следующий шаг – фотолитография . Под действием специального излучения с разной длинной волн , на поверхности пластины, появляются химические маркеры, которые войдут в реакцию с последующими активными веществами.

5. Химическим методом и методом диффузии , под действием активных веществ (фосфор , бор ), образуются p — и n — области, микро-переходы и желобки , которые станут будущими элементами.

6. Следует фотолитографическая обработка в слое оксида определённых участков, которая даст маркеры (легированные участки) для нанесения металлических элементов (разводка, контакты), методом вакуумного металлизирования. Излишки металла удаляются, а тот который нанесён правильно, термически закрепляют (впаивают). Таким образом, образуются готовые элементы микрочипа.

7. Нанесение, нужного количества уровней диэлектрика и металла с последующей фотолитографией и обработкой (слоёв может быть сколько угодно, всё зависит от допустимой высоты). Над самым верхним слоем, наносятся несколько слоёв металла и диэлектрика для защиты и правильного рассеивания тепла.

8. Пассивация пластины, тесты, нарезка на микрочипы, монтаж на корпус процессора и соединение выводов, отбраковка.

Место производства, чистые комнаты.

Для производства микросхем, применяются специальные «чистые комнаты » с фильтрами и статическими механизмами для удержания мелких частиц пыли, волос, пуха & etc . Так как даже пылинка, попавшая на микрочип в процессе производства, может нарушить его работу , не говоря уже о волосах и пухе.

Перед входом, рабочие надевают специальные костюмы , очки и шапки, а также проходят специальные процедуры очистки .

К тому же все сотрудники дышат через специальные фильтры, чтобы полностью исключить источники инородных объектов.

Самые крупные мощности литографических производств имеются у крупнейших компаний подрядчиков: и . Крупную долю на мировом рынке производства микрочипов имеет Intel , но компания занимается производством чипов только для своих нужд. Возможно в будущем данный подход изменится. Дружественным компаниям, Intel всё же оказывает контрактные услуги, но в основном только акционерам.

Компания Intel , первой планирует запустить производство микрочипов с применением трёхмерных транзисторов (3G, FinFET ).

С переходом на всё более тонкий техпроцесс, производителям приходится вкладывать всё больше средств на разработку методов реализации нового техпроцесса. Также уходит больше времени на строительство новых фабрик для производства.

Поэтому, многие производители объединяются в группы и совместно вкладывают средства в разработку техпроцессов и строительство новых фабрик.

В сокращении издержек, также помог бы переход на более крупные пластины 450 мм , но это потребует строительства большинства фабрик с нуля и производства совершенно нового оборудования, что затратно. Переход планируется в 2012-13 году.

Если не указано иное.

Технорма наиболее сложных микросхем. Падает также их цена - правда, не вдвое (исходя из примерно половинной площади чипа для данного числа транзисторов - за исключением последних техпроцессов…), а примерно в 1,5 раза при каждом переходе на очередной техпроцесс (т. к. он сложнее и дороже на каждую единицу площади). По какой причине физическая длина затвора (не только для ЦП Intel) оказывается меньше технормы - читайте ниже.

Технорма для ЦП Intel. По мнению компании, 15-нанометровый техпроцесс, возможно, станет первым, где будет применяться «экстремальный» ультрафиолет (EUV), если он окажется экономически оправданным. До сих пор чрезвычайная дороговизна (даже по меркам фотолитографов) сдерживала его внедрение, которое 10 лет назад пророчили уже для 45-нанометрового процесса. Основные причины - необходимость в совершенно новом источнике излучения, новой зеркальной (а не линзовой) оптике и полном вакууме в рабочей зоне.

Площади кристаллов наиболее сложных микросхем процессоров и памяти на указанный год. В 1990-е годы тенденция увеличения площади на 14% в год (чёрная линия) остановлена. Впрочем, самые сложные кристаллы ГП и серверных ЦП достигают 400–500 мм², но и эта цифра не растёт уже лет пять, хотя почти все производители уже успели с 90-х перейти на 300-миллиметровые пластины, позволяющие производить с той же массовостью и ценой даже такие большие кристаллы.

Число транзисторов на кристалле ИС как следствие уменьшения технормы и увеличения площади кристалла. Видно, что первоначальная тенденция 2-кратного роста в год, по которой строил свои рассуждения Гордон Мур, была в прямом смысле весьма крутой. Но с 70-х и микросхемы ДОЗУ (теперь - и флэша), и процессоры продолжили её с меньшими темпами - 58% и 38% в год.

Число слоёв, требующих маски. До введения двойного шаблонирования равно числу самих масок. Каждая маска требует 7–8 производственных операций, а также контрольно-измерительные и транспортные. Примерно 20% слоёв в каждом кристалле (элементы транзисторов и первые слои дорожек и изоляторов) являются «критическими» - т. е. выполнены с номинальной технормой для данного техпроцесса. Остальным достаточно быть всё более грубыми по мере удаления вверх от транзисторов (см. иллюстрацию воздушных зазоров), т. к. верхние уровни металла, как правило, поставляют питание и синхронизацию, так что особой плотности проводников им не требуется. Таким образом наиболее дорогие технологии изготовления применяются только для части слоёв, но даже это не спасает от растущей сложности техпроцессов, особенно с 2000-х годов. 20 лет назад такое уже было с технологией БиКМОП (гибрид биполярной и КМОП), из-за чего от неё отказались (правда, Intel успела выпустить на ней 486DX4, Pentium и P.Pro, а Sun Microsystems - SuperSPARC). Сегодня от взрывного роста сложности не страдают пока только динамическая и (в меньшей степени) флеш-память. Сверхбыстрым SiGe-чипам высокая стоимость не сильно мешает, т. к. их изготавливают малыми партиями для военных и авиакосмических применений. В среднем число масок увеличивается на 2 с каждым техпроцессом, т. е. примерно за 2 года.

Плотность дефектов на 1 см² площади кристалла от наиболее продвинутых фабов при финальном тестировании. Жирными цифрами указана технорма в микронах, в скобках - диаметр пластин.

Снова плотность дефектов, но конкретно для чипов Intel. По её утверждению - также отложенная по логарифмической шкале (как и на графике выше), только без шкалы. ;) Данные для 45- и 32-нанометрового техпроцессов показаны не до конца - видимо, коммерческая тайна.

Стоимость постройки наиболее современного на указанный год завода (или его стоимость после обновления) возросла в 70 раз за 30 лет, а цена каждого выпускаемого ими транзистора упала в 2000 раз. Пустые квадраты означают примерные цифры. Тут не хватает графика производственной мощности, но надёжных данных по ней на весь период нет. Впрочем, известно, что современные фабы выпускают от 10 до 60 тыс. пластин в месяц в случае логики и ещё в 2–3 раза больше для памяти. Выпуск пластин удваивается примерно каждые 5 лет, помимо увеличения их диаметра. А «удвоение стоимости фаба каждые 4 года» даже было названо «вторым законом Мура» (иначе - законом Рока, Rock’s law), который в конце 90-х также пришлось поправить - каждые 5 лет. Наиболее дорогой станок - фотолитограф - дорожает с такой же скоростью: первый коммерческий проекционный степпер (1973 г.) стоил 210 тыс. долларов, а современный сканер - 40–50 млн..

Удельные цены пластины и разных видов микросхем за единицу их наиболее ценных количественных характеристик. Чёрная линия указывает ежегодное падение средней цены на 35% или в 1,54 раза. Больше возможностей за ту же цену чипов позволяли расти продажам микросхем на 15% в год с 1960 по 2000 гг.. Однако лопнул пузырь доткомов, а через 8 лет грянул мировой кризис, что прекратило рост продаж (но не параметров). В 2010-х за счёт популярности смартфонов и планшетников возможен рост примерно на 5% в год, если, конечно, опять что-то не стрясётся…

Стоимость разработки сложной микросхемы в зависимости от технормы (данные IBS, GlobalFoundries). Видно, что до 45 нм она каждый раз удваивалась, а начиная с 45 нм - увеличивается примерно в 1,5 раза. Абсолютные цифры уже выросли настолько, что и среди бесфабричных компаний мелким игрокам на рынке ЦП делать нечего.

Средняя стоимость производства пластины для КМОП-логики в 2003 г. на фабах Сев. Америки (в долларах): Диаметр пластины, мм Технорма, мк Число маскируемых слоёв 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 Цены округлены и не учитывают финишных операций (тестирования, резки и корпусировки). По цифрам видно, почему производителям выгодно переходить на новые техпроцессы и бо́льшие диаметры пластин - дорожание производства каждой новой пластины окупается бо́льшим числом получаемых с неё чипов. Впрочем, переход на больший диаметр означает замену почти всего оборудования в чистой комнате и усиление потока сверхчистых рабочих материалов (особенно воды), поставляемых с сервисного этажа. А переход на новый техпроцесс, даже «несвежий», поначалу (пока его не отладят) даст меньший выход годных. Впрочем, Intel и тут отличилась, применяя на своих фабах по всему миру методику точного копирования (Copy Exactly): как только техпроцесс доведён до массового производства на одном из экспериментальных фабов в Хиллсборо (штат Орегон, США), он переносится на производственные фабы, копируя абсолютно всё до мелочей - список и тип станков, их параметры («рецепты») и программы, действия персонала… Даже ручные инструменты для монтажных и пуско-наладочных работ используются тех же видов. Звучит несколько параноидально, но Intel может перенести техпроцесс с одной фабрики на другую без ожидаемого в таких случаях ущерба для себестоимости всего за несколько месяцев, и ещё быстрее - производство чипа при уже готовом техпроцессе.

Новый шаг

В начале лета 2011 г. Intel объявила, что менее чем через год будет готова массово выпускать процессоры с технормой 22 нм (сначала это будет архитектура Ivy Bridge , основанная на современной Sandy Bridge). Согласно принятому в компании 2-летнему циклу «тик-так» (попеременному ежегодному выпуску новой микроархитектуры и нового техпроцесса) изначально планировалось выпустить Ivy Bridge в конце 2011 г. (также как Sandy Bridge - в 2010-м). Однако Intel преследуют задержки: презентация Sandy Bridge состоялась только этим январём, а недавно компания решила задержать выход Ivy Bridge как минимум до весны 2012 г.. Являются ли тому причиной сложности с техпроцессом - неясно. Это при том, что первые микросхемы СОЗУ с новыми 22-нанометровыми транзисторами Intel представила ещё в сентябре 2009 г..

Никаких технологических революций по части литографических методов не предвидится - помимо того, что длина волны 193 нм требует иметь не только иммерсионные сканеры, но и как минимум двойное шаблонирование. Это само по себе является любопытным, ибо ещё 5 лет назад эксперты в один голос говорили, что для таких длин волн надо переходить на новые виды литографии, что скачкообразно увеличивает сложность и стоимость техпроцесса.

Но самую большую сенсацию (разумеется, с подачи маркетологов компании) назначили на серьёзное изменение конструкции транзисторов, назвав их трёхмерными или трёхзатворными. Точнее, их надо называть FinFET - полевой транзистор с затвором-«плавником». Впрочем, за счёт утончения канала и размещения его вертикально их число может быть более одного для увеличения общей площади между затвором и каналами. Такой транзистор можно назвать многозатворным (multigate FET, MuGFET), хотя каждый его канал скорее будет управляться общим затвором. В результате к нему нужно будет приложить меньшее напряжение, чтобы переключить транзистор, скорость переключения будет больше, а утечка - меньше, т. к. теперь она возможна лишь через узкую нижнюю грань канала.

Транзистор на цельной подложке (какую до сих пор использует Intel) имеет утечку тока из канала, когда в нём полем затвора формируется обращённый слой. Подложка (даже если она заземлена) вытягивает часть носителей заряда в обеднённый слой. ▼

Уменьшить утечки можно технологией КНИ, в данном случае - частично обеднённой (Partially Depleted, PD SOI). Тут изолятор отсекает подложку, но остаточный слой под каналом («плавающее тело») всё ещё приводит к утечкам, хоть и не таким большим. Эта технология широко используется прежде всего из-за относительной дешевизны. ▼

Более продвинутая версия - полностью обеднённый КНИ (Fully Depleted, FD SOI). Тут исток, сток и область канала истончаются так, что плавающему телу не остаётся места. Проблема утечки решается, но (по мнению Intel) с 10-процентным увеличением цены чипа, поэтому её не используют широко. ▼

А вот и решение Intel (показанное сбоку, в отличие от предыдущих сечений вдоль канала) - поставить канал вертикально и окружить его затвором с трёх сторон из четырёх. Плавающего тела нет, утечек нет, площадь обращённого слоя больше, а т. к. дополнительные маски не требуются, цена - всего на 2–3% выше. Опять же, со слов Intel.

«Трёхзатворный» транзистор на деле означает транзистор с каналом, окружённым затвором (через прослойку в виде тонкого изолятора, обозначенного жёлтым) с трёх сторон - по сравнению с планарным, где поверхность сопряжения представляет собой одну плоскость.

Вверху показаны 32-нанометровые планарные транзисторы, внизу - 22-нанометровые 2- (в левом нижнем углу) и 6-затворные «трёхмерные».

4 поколения «плавниковых» транзисторов Intel - демонстрация конструкции (2002 г.), многозатворность (2003), ячейки СОЗУ (2006) и адаптация металлического «затвора последним» (2007).

Конечно, Intel сразу похвасталась, что по сравнению с 10-микронным техпроцессом от i4004 22-нанометровый транзистор работает в 4000 раз быстрее, потребляя в 5000 меньше энергии и стоя в 50 000 меньше. Более важно, что потребовалось 5 лет для разработки и ещё 5 (как теперь выяснилось…) для адаптации к массовому производству. При этом Intel честно указывает на трудности реализации новой технологии: необходимость законцовок для затвора, проблемы с ёмкостью и изменчивостью параметров, трудности равномерной полировки и травления более толстых структур и передача каналом механического напряжения под затвор, и пр.. Надо полагать, все эти проблемы решены хотя бы удовлетворительно, иначе показанные чипы бы не работали. Вопросы о коэффициенте выхода годных и фактической себестоимости пока остаются открытыми. Конкуренты же (TSMC и Global Foundries) пока объявили лишь о начале разработки FinFET’ов для своих 14-нанометровых процессов, которые будут готовы где-то в 2014 г.…

Вольтамперные характеристики (ВАХ) планарного (чёрная линия) и двух трёхмерных (синие) n-канальных транзисторов. Ток при нуле на затворе в идеале должен быть нулевым. Чем он меньше - тем меньше потребляет процессор, в т. ч. при простое. Пороговое напряжение - такое, при котором транзистор переключается (в данном случае - 0,33 В с током в 10% от номинала). Оно должно быть как можно меньше, чтобы транзистор срабатывал быстрее и при меньшем напряжении питания (тут - 1 В). Переход на трёхмерный затвор позволяет либо при том же напряжении уменьшить утечку при закрытом канале (нижняя линия), либо увеличить скорость его открытия (верхняя линия), заодно снизив напряжение.

Зависимость времени переключения от напряжения питания (в идеале - гипербола) для 32-нанометровых (чёрная линия) и 22-нанометровых (серая) планарных, а также 22-нанометровых объёмного (синяя) транзисторов. Последний позволяет при той же скорости снизить напряжение питания на 0,2 В, что в теории уменьшит потребление в 1,56 раза, а по мнению Intel - более чем вдвое. Если же требуется повысить частоту, новые транзисторы принесут небольшую пользу при номинальном одном вольте (обещано ускорение на 18% относительно 32 нм), зато при 0,7 В (видимо, таково будет напряжение для мобильных чипов) дадут аж 37-процентное ускорение. Более того, если судить по этим графикам из презентации, то ускорения будут на 22% и 59% - т. е. 1/(1−0,18) и 1/(1−0,37) , как и следует считать. Неужели мы застукали технарей Intel на элементарных ошибках при расчётах с процентами?..

Разбор нанометров

Самое время разобраться, что понимается под технормой. Попытка дать определение этому важнейшему термину не зря поставлена почти в конец статьи. Когда-то под технормой понимался самый малый по длине или ширине элемент, формируемый данным техпроцессом. Когда технорма стала меньше длины волны, появилось два отдельных определения - для регулярных чипов (память, программируемые матрицы, фотодатчики - в т. ч. со встроенными логическими блоками) и нерегулярных (сложная логика, в т. ч. содержащая кэши, буферы и т. п.). Для первых - минимальный полушаг линейно-регулярной структуры, для вторых - минимальная ширина дорожки нижнего уровня металла (что примерно вдвое длиннее затвора транзистора).

Однако с недавних пор и это перестало иметь значение. Дело в том, что число фабрик, производящих микросхемы по самым современным техпроцессам, неуклонно снижается. При этом ни одна фирма, производящая оборудование для производства полупроводников, их самих не делает - все производители микросхем покупают станки у примерно одних (тоже не очень многочисленных) фирм. Очевидно, собираемые из станков и настроек техпроцессы на фабах получились бы как две капли воды похожи, но это имеет смысл лишь для нескольких фабов одной компании, а таких компаний в мире - единицы. Так что каждая фирма пытается удовлетворить заказчиков чем-то особенным, выпускаемым на почти стандартном оборудовании. И вот тут под нож пошли те самые нанометры…

¹ - Оптимизация по энергоэффективности
² - С иммерсионной литографией
³ - С иммерсионной литографией и низкопроницаемыми межслойными диэлектриками

В этой таблице указана площадь (в кв. микронах) 6-транзисторной ячейки СОЗУ, которой обычно меряют плотность размещения транзисторов для логических микросхем. (Это само по себе любопытно, учитывая, что СОЗУ используются в разнообразных регистрах, буферах и кэшах - т. е. одно-, а чаще даже двухмерно регулярных схемах, а не в синтезированной логике, почти не имеющей повторений. И тем не менее…) А самое главное, что это всё - «45-нанометровые» (как утверждают эти компании) процессы!

Более того, ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors - международный технологический план для [производителей] полупроводников, составляемый экспертами из крупнейших фирм и их ассоциаций) регулярно выпускает рекомендации по основным параметрам техпроцессов для микроэлектронных компаний, т. е. для самих себя. А теперь посмотрим, как эти рекомендации соблюдаются:

Краткий ответ - никак. Дело дошло до того, что на недавнем форуме IEDM технорму признались считать маркетинговым понятием - т. е. не более чем цифрой для рекламы. Фактически, сегодня сравнивать техпроцессы по нанометрам стало не более разумно, чем 10 лет назад (после выхода Pentium 4) продолжать сравнивать производительность ЦП (пусть даже и одной программной архитектуры) по гигагерцам.

Разница в техпроцессах при одинаковых технормах активно влияет и на цену чипов. Например, AMD использовала разработанный совместно с IBM 65-нанометровый процесс с SOI-пластинами, двойными подзатворными оксидами, имплантированным в кремний германием, двумя видами напряжённых слоёв (сжимающим и растягивающим) и 10 слоями меди для межсоединений. 65-нанометровый техпроцесс у Intel включает относительно дешёвую пластину из цельного кремния, диэлектрик одинарной толщины, имплантированный в кремний германий, один растягивающий слой и 8 слоёв меди. По примерным подсчётам Intel потребует для своего процесса 31 маску, а AMD - 42.

В результате из-за значительной разницы в технологиях напряжённого кремния и типа подложки (SOI-пластины стоят примерно в 3,6 раз дороже простых) конечная цена 300-миллиметровой пластины для AMD будет ≈4300 долларов, что на 70% дороже цены для Intel - ≈2500 долларов. Кстати, ЦП Intel как правило оказываются ещё и с меньшими площадями кристаллов, чем аналогичные по числу ядер и размеру кэшей от AMD. Теперь ясно, почему Intel показывает завидную прибыль, а AMD недавно едва держалась на ногах.

Данные с IEDM о техпроцессах к 2010 году. Источник - .

По докладам на IEDM можно составить сводную таблицу с параметрами последних техпроцессов ведущих компаний. Из неё видно, что все техпроцессы с «мелкой» технормой (process node) перешли на двойное шаблонирование (DP) и иммерсионную литографию, а напряжение питания (V dd) давно остановилось на 1 вольте (потребление транзистором энергии и без этого продолжает падать, но не так быстро). Куда интересней сравнить длину затвора (L Gate), шаг затвора с контактом (Contacted Gate Pitch) и площадь ячейки СОЗУ (SRAM Cell Size).

Тут надо указать, что кэши изготовленного с той же технормой ЦП той же фирмы имеют площадь ячейки на 5–15 % больше указанной в случае L2 и L3, и на 50–70 % больше для L1. Дело в том, что сообщаемые на IEDM цифры площади тоже являются несколько рекламными. Они верны лишь для одиночного массива ячеек и не учитывают усилители, буферы ввода-вывода, декодеры адреса, резервы размера для увеличения надёжности и размены плотности на скорость (для L1).

Для простоты возьмём только «скоростные» (High Performance) процессы Intel. Для 130 нм длина затвора составляла 46% технормы, а сегодня - 94%. Тем не менее, шаг затвора уменьшился в те же 4 раза, что и технорма. Однако если разделить площадь ячейки СОЗУ на квадрат технормы, то старым ячейкам нужно ≈120 таких квадратиков, а новым - уже ≈170. У AMD с её SOI-пластинами - примерно так же. На «65-нанометровом» техпроцессе фактический минимальный размер затвора может быть снижен до 25 нм, но шаг между затворами может превышать 130 нм, а минимальный шаг металлической дорожки - 180 нм. Начиная примерно с 2002 г. размеры транзисторов уменьшаются медленней технорм. Выражаясь языком современного рунета - нанометры уже не те…

А теперь, вооружившись цифрами об этом бардаке сложном микроэлектронном хозяйстве, вернёмся к обещанным Intel «22 нанометрам». По предварительным цифрам выглядит неплохо: площадь ячейки - 0,092 кв.мк. для «быстрой» и 0,108 для энергоэффективной версии процесса (данные 2009 г. для тестовой микросхемы СОЗУ на 22 нм). Для быстрой версии это эквивалентно 190 элементарным квадратам - чуть хуже, чем для прошлых технорм. Но Intel продолжит использовать 193-нанометровую иммерсионную литографию и для 14 нм, возможно - с тройным шаблонированием. А для 10 нм - с пятерным (5 экспозиций и одно скругление распорок). При этом для 10-нанометрового процесса стоимость стадий литографии на единицу площади будет примерно вшестеро больше, чем для 32-нанометрового, а вот окажется ли площадь меньше в 10 раз (как при линейном уменьшении) - сомнительно. Тут уже даже неважно, почему Intel решила, что следующие два её процесса будут иметь технормы 14 и 10 нм, а не 16 и 11, как можно ожидать (каждая следующая - в √2 раз меньше). Ведь нанометры теперь мало что значат… Что дальше?

Если вернуться к обзорным графикам, последние несколько из них не зря касаются цены или себестоимости. Если по ним попытаться экстраполировать тенденции на будущее, то окажется, что через некоторое время в мире останется лишь 2–3 компании, способные разрабатывать и внедрять самые современные техпроцессы. Им это будет влетать в 11-значные суммы в долларах, окупить которые можно, лишь если продукция будет продаваться по всему миру, что возможно только при полной монополизации - одна платформа, одна архитектура, одна концепция… Для необходимой конкуренции избыточности места уже не останется - нас всего 7 миллиардов, и это число растёт совсем не так быстро, как цены на фабы и техпроцессы.

Более того, наверняка будет уменьшаться и число бесфабричных компаний. Дело даже не в том, что немногие крупные фирмы покроют своими чипами почти все потребности почти для всех. Даже если вы разработали что-то уникальное - стоимость внедрения может оказаться такой высокой, что вы не окупите её всеми своими продажами. И это тоже есть следствие массовых технологий:

Формируемое маской изображение перед попаданием на пластину оптически уменьшается в 4 раза до стандартной полосы засвета размером ≈24 мм (для современных литографов), а размер самой маски составляет около 18×12 см. Однако методы OPC и PSM требуют от неё иметь разрешение не хуже формируемого, что уже для 65 нм поднимает стоимость набора масок до сотен тысяч долларов, а для самых новых техпроцессов - до пары миллионов.

Теперь представим, что нам - маленькой, но гордой фирме - надо выпустить систему-на-кристалле, разработанную для новых планшетов и смартфонов. Маркетологи говорят, что из-за сильной конкуренции со стороны угадайте-какой компании устройства с нашим ЦП точно купят 100 000 человек. Процессор на 28-нанометровом техпроцессе (более старый проиграет гонку прожорливости) будет иметь себестоимость около 15 долларов, но если учесть цену масок (пусть и разделённую на 100 000), то будет уже 35 долларов. И это не учитывая выпуск нескольких ревизий для исправления ошибок и оптимизации параметров. Ревизий для нового сложного чипа нужно штук пять - и для каждой (после первой) надо обновлять значительную долю масок из всего набора.

В итоге окажется, что даже не допуская ни одной ошибки в рыночной стратегии, мы окупим нашу микросхему, лишь рассчитывая на производство и сбыт устройств с ней миллионами, иначе её никто не купит из-за цены. Недавно сотрудник компании Cadence (выпускающей специализированные САПРы для разработки микросхем) рассказал, что стоимость перехода с 32–28 на 22–20 нм сильно выросла по сравнению с предыдущими шагами. Микроэлектронные компании инвестировали в НИОКР по 32–28 нм 1,2 млрд. долларов и 2–3 млрд. для 22–20 нм. Проектирование чипа стоит 50–90 млн. долларов для 32 нм и 120–500 млн. долларов для 22 нм. Компенсация затрат на разработку и производство потребует продать 30–40 млн. 32-нанометровых кристаллов и 60–100 млн. на 20 нм.

Впрочем, и крупным компаниям, товары которых покупают как раз миллионами, тоже придётся с трудом объяснять, зачем покупать очередной процессор с терафлопсами и память на терабайты - учитывая, что и прошлые модели делают всё как надо. Возможно, с некоторого момента не поможет и принудительная плата за новинки - например, как следствие досрочно отменённой поддержки старых моделей или их запрограммированного износа и отключения…

Мировая микроэлектроника, следуя закону Мура, всегда опровергала регулярно выдвигаемые инженерами опасения, что мы вот-вот упрёмся в непреодолимые физические ограничения, после которых отрасль либо застрянет навсегда, либо будет вынуждена перейти на принципиально новые материалы и эффекты. Но как бы не оказалось так, что реальным тормозом будет эффект глобального насыщения: после бурного роста менять каждые год-два процессоры и память как обувь и одежду - на новые, подходящие размеры - уже не потребуется.

Другая проблема в том, что даже в тех применениях, где производительность и память никогда не будут лишними, качественный скачок (вместо очередного удвоения регистров, векторов, кэшей и ядер) может быть лишь при переходе на новый вид элементной базы - графеновой, фотонной, спинтронной, квантовой или прочей «волшебной». Но для её разработки, адаптации к массовому производству и (особенно!) построению самого производства потребуется огромное количество денег - куда большее цены современного фаба. Вполне возможно, лет через 10 (когда нынешнюю литографию растягивать далее уже не получится) никакие частные фирмы это не потянут. А какое из государств даже сегодня захочет профинансировать высокорисковые технологии микроэлектроники будущего?