Как разрабатываются и производятся процессоры: изготовление чипа
Это третья статья из серии о проектировании ЦП. В первой статье мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй статье говорилось о проектировании и реализации некоторых компонентов чипа. В третьей части мы узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.
Как превратить кучу песка в современный процессор? Давайте разберёмся.
Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)
Как говорилось ранее, процессоры и вся другая цифровая логика составлены из транзисторов. Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который может включаться и отключаться подачей или отключением напряжения на затворе. Мы сказали, что существует два вида транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток, когда затвор включён, а pMOS-устройства пропускают ток при выключенном затворе. Базовая структура процессора — это транзисторы, созданные из кремния. Кремний — это полупроводник, потому что он занимает промежуточное положение — не проводит ток полностью, но и не является изолятором.
Чтобы превратить кремниевую пластину в практическую электрическую схему добавлением транзисторов, производственные инженеры используют процесс под названием «легирование«. Легирование — это процесс добавления в базовый субстрат кремния тщательно выбранных примесей для изменения его проводимости. Цель заключается в том, чтобы изменить поведение электронов так, чтобы мы могли ими управлять. Существует два вида транзисторов, а значит, и два основных вида легирования.
Процесс изготовления пластины до размещения чипов в корпусе.
Если мы добавим точно контролируемое количество элементов-доноров электронов, например, мышьяка, сурьмы или фосфора, то можем создать область n-типа. Поскольку область пластины, на которую нанесены эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она становится отрицательно заряженной. Отсюда взялось название типа (n — negative) и буква «n» в nMOS. Добавляя на кремний такие элементы-акцепторы электронов, как бор, индий или галлий, мы можем создавать область p-типа, заряженную положительно. Отсюда взялась буква «p» в p-типе и pMOS (p — positive). Конкретные процессы добавления этих примесей к кремнию называются ионной имплантацией и диффузией; их мы в статье рассматривать не будем.
Теперь, когда мы можем управлять электропроводимостью отдельных частей кремниевой пластины, можно скомбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов. Транзисторы, используемые в интегральных схемах и называющиеся MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, МОП-структуры, структуры «металл-оксид-проводник»), имеют четыре соединения. Контролируемый нами ток течёт между истоком (Source) и стоком (Drain). В n-канальном устройстве ток обычно входит в сток и выходит из истока, а в p-канальном устройстве он обычно течёт из истока и выходит из стока. Затвор (Gate) — это переключатель, используемый для включения и отключения транзистора. Наконец, у устройства есть тело транзистора (Body), которое не относится к процессору, поэтому мы не будем его рассматривать.
Физическая структура инвертора в кремнии. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Заметьте, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа
Технические подробности работы транзисторов и взаимодействия отдельных областей — это содержание целого курса колледжа, поэтому мы коснёмся только основ. Хорошая аналогия их работы — это разводной мост над рекой. Автомобили — электроны в транзисторе — хотят перетечь с одной стороны реки на другую, это исток и сток транзистора. Возьмём для примера nMOS-устройство: когда затвор не заряжен, разводной мост поднят и электроны не могут течь по каналу. Когда мы опускаем мост, то образуем дорогу над рекой и автомобили могут свободно перемещаться. То же самое происходит в транзисторе. Зарядка затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий току течь.
Для точного контроля над расположением на кремнии разных областей p и n производители, например Intel и TSMC используют процесс под названием фотолитография. Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс и компании тратят миллиарды долларов на его усовершенствование для того, чтобы создавать более мелкие, быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте сверхточный принтер, который можно использовать для рисования на кремнии паттернов для каждой области.
Процесс изготовления транзисторов на чипе начинается с чистой кремниевой пластины (подложки). Она нагревается в печи для создания на поверхности пластины тонкого слоя диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный фоторезистивный полимер. Освещая полимер светом определённых частот, мы можем обнажать полимер в тех областях, где хотим выполнять легирование. Это этап литографии, и он схож с тем, как принтеры наносят чернила на определённые области страницы, только в меньшем масштабе.
Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в местах, где был удалён полимер. Затем фоторезист убирается, оставляя только находящийся под ним оксидный слой. Теперь на пластину можно нанести легирующие ионы, которые имплантируются только в местах, где отсутствует оксид.
Этот процесс маскирования, формирования и легирования повторяется десятки раз для медленного построения каждого уровня элементов в полупроводнике. После завершения базового уровня кремния поверх можно создать металлические соединения, соединяющие разные транзисторы. Чуть позже мы подробнее поговорим об этих соединениях и слоях металлизации.
Разумеется, производители чипов не выполняют процесс создания транзисторов под одному. При проектировании нового чипа они генерируют маски для каждого этапа процесса изготовления. Эти маски содержат местоположения каждого элемента миллиардов транзисторов чипа. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются совместно на одном кристалле.
После изготовления пластины она разрезается на отдельные кристаллы, которые помещаются
в корпуса. Каждая пластина может содержать сотни или даже больше чипов. Обычно чем более мощный производится чип, тем больше будет кристалл, и тем меньше чипов производитель может получить с каждой пластины.
Можно подумать, что нам просто стоит производить огромные супермощные чипы с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым серьёзным фактором, мешающим создавать всё более крупные чипы, являются дефекты в процессе производства. Современные чипы содержат миллиарды транзисторов и если хотя бы одна часть одного транзистора сломана, то может быть выброшен весь чип. При увеличении размера процессоров вероятность неисправности чипа повышается.
Продуктивность процессов изготовления своих чипов компании тщательно скрывают, но её можно примерно оценить в 70-90%. Компании обычно изготавливают чипы с запасом, потому что знают, что некоторые части не будут работать. Например, Intel может спроектировать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный, потому что рассчитывает, что одно или два ядра могут быть сломаны. Чипы с необычно низким количеством дефектов обычно откладываются для продажи по более высокой цене. Этот процесс называется binning.
Один из самых серьёзных маркетинговых параметров, связанных с изготовлением чипов — это размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нанометровый процесс, AMD использует для некоторых GPU 7-нанометровый, а TSMC начала работу над 5-нанометровым процессом. Но что означают все эти числа? Традиционно размером элемента называется минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора. В процессе развития технологий мы научились уменьшать транзисторы, чтобы на одном чипе их помещалось всё больше. При уменьшении транзисторов они также становятся всё быстрее и быстрее.
Глядя на эти числа, важно помнить, что некоторые компании могут основывать размер техпроцесса не на стандартном расстоянии, а на других величинах. Это значит, что процессы с разным размером у различных компаний могут на самом деле приводить к созданию транзисторов одинакового размера. С другой стороны, не все транзисторы в отдельном техпроцессе имеют одинаковый размер. Проектировщики могут решить ради компромиссов сделать некоторые транзисторы крупнее других. Мелкий транзистор будет быстрее, потому на зарядку и разрядку его затвора требуется меньше времени. Однако мелкие транзисторы могут управлять только очень малым количеством выходов. Если какой-то кусок логики будет управлять чем-то, требующим много мощности, например, контактом вывода, то его придётся сделать намного больше. Такие транзисторы вывода могут быть на порядки величин больше, чем транзисторы внутренней логики.
Снимок кристалла современного процессора AMD Zen. Эта конструкция состоит из нескольких миллиардов транзисторов.
Однако проектирование и изготовление транзисторов — это только половина чипа. Нам необходимы проводники, чтобы соединить всё согласно схеме. Эти соединения создаются при помощи слоёв металлизации поверх транзисторов. Представьте многоуровневую дорожную развязку с въездами, выездами и кучей пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе. У разных процессоров разное количество металлических связующих слоёв над транзисторами. Транзисторы уменьшаются, и для маршрутизации всех сигналов требуется всё больше слоёв металлизации. Сообщается, что в будущем 5-нанометровом техпроцессе TMSC будет использоваться 15 слоёв. Представьте 15-уровневую вертикальную автомобильную развязку — это даст вам представление о том, насколько сложна маршрутизация внутри чипа.
На показанном ниже изображении с микроскопа показана решётка, образованная семью слоями металлизации. Каждый слой плоский и при поднимании вверх слои становятся больше, чтобы способствовать снижению сопротивления. Между слоями есть крошечные металлические цилиндрики, называемые перемычками, которые используются для перехода на более высокий уровень. Обычно каждый слой меняет направление относительно слоя под ним, чтобы снизить нежелательные ёмкостные сопротивления. Нечётные слои металлизации могут использоваться для создания горизонтальных соединений, а чётные — для вертикальных соединений.
Можно понять, что управление всеми этими сигналами и слоями металлизации очень быстро становится невероятно сложным. Чтобы способствовать решению этой проблемы, применяются компьютерные программы, автоматически располагающие и соединяющие транзисторы. В зависимости от сложности конструкции программы даже могут транслировать функции высокоуровневого кода на C вниз до физических расположений каждого проводника и транзистора. Обычно разработчики чипов позволяют компьютерам генерировать основную часть конструкции автоматически, а затем изучают и вручную оптимизируют отдельные критически важные части.
Когда компании хотят создать новый чип, они начинают процесс проектирования со стандартных ячеек, предоставляемых компанией-изготовителем чипов. Например, Intel или TSMC предоставляют проектировщикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти. Проектировщики могут комбинировать эти стандартные ячейки в любой чип, который хотят произвести. Затем они отправляют на фабрику — место, где необработанный кремний превращается в рабочие чипы — электрические схемы транзисторов чипа и слоёв металлизации. Эти схемы превращаются в маски, которые используются в описанном выше процессе изготовления. Далее мы посмотрим, как может выглядеть процесс проектирования чрезвычайно простого чипа.
Первой мы видим схему инвертора, который является стандартной ячейкой. Заштрихованный зелёный прямоугольник наверху — это pMOS-транзистор, а прозрачный зелёный прямоугольник внизу — nMOS-транзистор. Вертикальный красный проводник — это поликремниевый затвор, синие области — это металлизация 1, а сиреневые области — металлизация 2. Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Соединения питания и заземления выполнены сверху и снизу на металлизации 2.
Скомбинировав несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта конструкция может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными входами. Идущие вверх заштрихованные синие проводники это слои металлизации 3. Немного более крупные квадраты на концах проводников — это перемычки, соединяющие два слоя.
Наконец, объединив вместе множество ячеек и примерно 2 000 транзисторов, мы получили простой 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырёх слоях металлизации. Увидев, насколько он сложен, можно только представлять, как трудно проектировать 64-битный процессор с мегабайтами кэша, несколькими ядрами и 20 с лишним этапами конвейера. Учитывая то, что у современных высокопроизводительных ЦП есть до 5-10 миллиардов транзисторов и дюжина слоёв металлизации, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.
Это даёт нам понять, почему новый процессор является таким дорогостоящим куском технологий и почему AMD и Intel так долго выпускают новые продукты. Для того, чтобы новый чип прошёл путь от чертёжной доски до рынка, обычно требуется 3-5 лет. Это значит, что самые быстрые современные чипы созданы на технологиях, которым уже несколько лет, и что мы ещё много лет не увидим чипов с современным уровнем технологий изготовления.
В четвёртой и последней статье серии мы вернёмся к физической сфере и рассмотрим современные тенденции в отрасли. Что разрабатывают исследователи, чтобы сделать следующее поколении компьютеров ещё быстрее?
Закон Мура устарел, а Apple совершила революцию. Вот как работает процессор в вашем компьютере
Процессор — основной элемент любого компьютера, планшета, смартфона, «умного» пылесоса или даже холодильника. При этом история «процессоростроения» пока относительно короткая. По сути, первые коммерческие микропроцессоры появились в 1970-х, когда драматически уменьшились в размерах. Но как в принципе работают современные процессоры? Каким образом они собираются, почему в последнее время компанию Apple связывают с революцией в этой области и по какой причине все говорят про превосходство какого-то ARM?
Что вообще такое микропроцессор и при чем тут транзисторы
Понятным языком можно сказать так: процессор представляет собой чип внутри устройства, который производит практически все вычисления. А эти вычисления основываются на применении транзисторов. Если упростить, то чем больше транзисторов на одной плате, тем лучше (то есть производительнее) весь CPU.
Для сравнения: первым микропроцессором считается Intel 4004 (1971 года выпуска). В нем установлено 2300 транзисторов. В этом году Apple представила систему на чипе A15 Bionic — на нем основывается последнее поколение iPhone. В A15 транзисторов уже 15 млрд.
При этом еще 50 лет назад (до появления процессора Intel 4004) транзисторы были в разы массивнее. Их продавали в специализированных радиотехнических лавках, а их «ножки» предлагалось спаивать самостоятельно. Но сейчас транзисторы уменьшились настолько, что их величина составляет всего несколько нанометров (это мера длины, равная одной миллиардной части метра). Их как бы «печатают» на кремниевых пластинах. Благодаря этому миллиарды транзисторов получается помещать на платах размером в несколько сантиметров.
В сети любят приводить такое описание работы транзисторов (оно также упрощенное, но показательное): транзисторы чем-то похожи на систему кранов и труб, которые выполняют только две базовые операции — либо пропускают через себя электрический ток, либо не пропускают. Если такие «краны и трубы» соединить (есть несколько способов), то устройство получится научить производить вычисления, то есть закодировать их на чтение и преобразование операций с нулями (нет тока) и единицами (есть ток).
По сути, таким образом процессор заставляют производить суммирование, умножение, сравнивание и другие, более сложные операции. И чем сложнее комбинации подобных операций, тем сложнее получается и результат — числами можно закодировать (если хотите, зашифровать) хоть текст, хоть нейронные сети.
Какие именно операции нужно производить в данный момент времени, процессор понимает, исходя из заложенных в него инструкций (то есть команд). Таких инструкций существует много. По мере развития микропроцессоров одни инструкции сменялись другими, но сегодня остались две основные архитектуры, применяемые, как правило, в персональных компьютерах и мобильных чипах: RISC и CISC. Про это подробнее поговорим ниже (во многом мнение насчет лидирующего положения Apple связано с переходом от одного набора инструкций к другому).
Почему так важен «чистый» кремний, как на него наносят транзисторы и при чем тут закон Мура
Процессоры создаются на кремниевой основе — все благодаря подходящей для подобных целей внутренней атомной структуре. Правда, процесс «добычи» кремния и уж тем более нанесения транзисторов и других компонентов еще более дорогой и сложный. По сути, поэтому сегодня «воспроизведением» микропроцессоров в основном занимаются всего несколько производств по всему миру. Среди них — Intel, Samsung, TSMC.
Источником кремния служит песок. Его долго обрабатывают химическим способом, чтобы получить так называемый «чистый» кремний (таким он считается при чистоте 99,9%) — на его основе производятся специальные кристаллы. Чтобы сделать подобное, кремний плавят и помещают внутрь маленький кристалл, формирующий вокруг себя еще один слой кристаллической решетки.
Так повторяется несколько раз, и в итоге добывается один большой монокристалл цилиндрической формы весом под сотню килограмм. Его нарезают алмазной пилой на диски диаметром порядка 30 сантиметров — такие вы наверняка видели на фотографиях, которыми иллюстрируют производство микроэлектроники, — и уже на них после тщательной шлифовки «печатают» транзисторы.
Мы уже рассказывали про тонкости этой процедуры в отдельном материале. Если вкратце, на эти диски воздействуют светом, чтобы создать мельчайшие детали будущих интегральных схем. Процесс называется фотолитографией: изначально с помощью системы линз и зеркал на поверхности светочувствительной кремниевой пластины фокусировали лучи света, которые проходили через заранее подготовленный шаблон и запечатлевали его схему на пластине.
Со временем процесс совершенствовался. Сперва источником света для литографии выступала ртутная лампа. Потом длину волны уменьшали, переходя от ртутных ламп к лазерам со смесями различных газов. Следующим поколением лазерных технологий стали устройства, излучающие свет с длиной волны 193 нанометра.
В конце концов пришли к технологии EUV — сверхжесткого ультрафиолетового излучения на длине волны 13,5 нанометра. Эта технология настолько сложная и уникальная, что сегодня в мире ей на достаточно высоком уровне занимается только одна компания — ASML. Она поставляет другим производителям электроники станки, которые и «печатают» компоненты системы на кремниевых дисках с требуемой точностью.
Уменьшение длины волны позволяет наносить на кремний больше транзисторов уменьшенных размеров, то есть увеличивать производительность чипа при сохранении его изначальных габаритов. Вы могли слышать про закон Мура, согласно которому каждые два года количество транзисторов, размещенных на одном и том же кристалле, удваивается.
Сейчас выяснилось, что это является скорее наблюдением одного из инженеров Intel, а не непреложным правилом. Однако оно дало «маркировку» понятию техпроцесса, которым сегодня производители электроники (что самих процессоров, что базирующихся на них смартфонов, компьютеров и прочей техники) любят щеголять во время презентаций.
В настоящее время «нанометровым техпроцессом» описывается условная цифра, означающая плотность размещения транзисторов или увеличение их количества относительно предыдущего техпроцесса.
Если объяснять еще проще, то чем меньше цифра перед словом «нанометровый», тем лучше. Процессоры, изготовленные по 5-нанометровому техпроцессу (на момент публикации материала считается передовым решением), ощутимо мощнее и в сравнении с теми, что базируются на 7-нанометровом. Через год-два производители планируют перейти на 3-нанометровый техпроцесс. Кроме того, у перехода на меньший техпроцесс есть еще одно преимущество: каждый транзистор начинает потреблять меньше электроэнергии, тем самым улучшая энергоэффективность всего устройства.
Что такое «система на чипе»
После того как на печатную плату наносят необходимые элементы, к ядру процессора добавляют контакты, чтобы его можно было вставить в материнскую плату, а сверху все это прикрывают крышкой. Последняя выполняет несколько функций: во-первых, защищает дорогостоящий кристалл с миллиардами транзисторов, а во-вторых, служит средством для отвода тепла во время работы CPU— воздушные кулеры или водяное охлаждение устанавливают на крышку не просто так.
В какой-то момент стало понятно, что чипы уже стали настолько миниатюрными, что под одной такой защитной крышкой вполне может уместиться не только сам CPU, но и другие компоненты — например, графический чип (GPU), отвечающий за вывод картинки на экран, а еще модули беспроводной связи и модемы. Решение, когда все критически важные для работы компьютера компоненты находятся вместе на одной интегральной схеме совсем рядом друг с другом, называется «система на чипе», или «система на кристалле» (System-on-a-Chip, SoC).
По сути, такие «системы на кристалле» используются практически во всей современной мобильной технике: смартфонах, планшетах, смарт-часах. В первую очередь — за счет относительно небольших габаритов и меньшего энергопотребления и тепловыделения, благодаря чему технику получается сделать мобильной. Правда, производительность подобных SoC долго оставалась существенно ниже в сравнении со «взрослыми» центральными (CPU) и графическими (GPU) процессорами, причем не только в ПК, но и ноутбуках.
Еще несколько лет назад дело обстояло так: существуют мощные процессоры (что графические, что центральные) для настольных компьютеров, которые производят гиганты вроде AMD и Intel, а есть относительно слабые «системы на чипе» (когда все компоненты собраны вместе) на базе ARM-архитектуры для мобильных переносных девайсов — и эти два мира долго практически никак не пересекались.
Но к концу 2020 года ситуация с подачи компании Apple изменилась. Выяснилось, что подобные «системы на чипе» могут быть не просто соизмеримы по мощности со «взрослыми» аналогами, но и превосходить их, при этом сохраняя преимущество в виде намного меньшего потребления энергии. По сути, Apple пошла на рискованный шаг: начала переводить ноутбуки и настольные компьютеры на процессоры, изначально использовавшиеся только в мобильных устройствах. Компания оказалась не первой, кто пришел к такому решению, но как минимум одной из первых, кому удалось сделать это удачно.
Будущее — за ARM? И при чем тут Apple
Несколько десятилетий назад еще не существовало так называемых языков программирования «высокого уровня» вроде Python, так что все команды приходилось писать машинным кодом, и каждая подобная команда обозначала какую-либо инструкцию для процессора. В общем, процесс трудоемкий, а главное, громоздкий — каждая программа получалась очень большой и трудночитаемой.
Такой подход назвали RISC (Reduced Instruction Set Computing), то есть компьютер с ограниченным набором команд. С совершенствованием технологий RISC начали развивать двумя способами — так появились архитектуры x86 и ARM. Первая рассчитана на «взрослые» и производительные компьютеры с процессорами от тех же Intel или AMD, которые умеют исполнять инструкции на базе технологии CISC (Complex Instruction Set Computing, то есть вычислительная машина со сложным набором команд), вторая — на относительно небольшие мобильные устройства с низким потреблением энергии, исполняющие усовершенствованные и более простые инструкции RISC.
Если еще немного упростить: говорим CISC — имеем в виду «классические» процессоры от компаний Intel или AMD, говорим RISC — подразумеваем варианты мобильных «систем на чипе», как у Apple или Samsung. Чтобы сделать процессор с x86-архитектурой, производителю необходимо самому придумать и нарисовать все транзисторы и соединения между ними. Это сложно и дорого. С ARM ситуация иная: любая компания может купить лицензию и сделать свой процессор с этой архитектурой, изменив компоновку и добавив другие модули.
Сложность в том, что программы, созданные для CISC (то есть x86, больших настольных процессоров), не способны прочитаться RISC-чипами (ARM, мобильные варианты) из-за разного набора инструкций. Поэтому до недавнего времени просто так запустить на компьютере программу, созданную для смартфона, не получалось.
Решение Apple перейти в компьютерах на ARM-чипы, схожие с применяющимися в iPhone и понимающие инструкции для RISC-процессоров, называют революционным благодаря тому, что компания отыскала программный способ заставить их читать софт, созданный для старых процессоров Intel под архитектуру x86. То есть компьютеры Apple последнего поколения с фирменными чипами M1 на ARM-архитектуре универсальны и берут лучшее от двух миров: производительность, энергоэффективность и возможность чтения программ, созданных для устройств обоих типов.
Пойдут ли по такому пути другие гиганты вроде Intel и AMD? Пока однозначно утверждать это нельзя. Все же их «классические» CPU показывают не меньшую, а то и бо́льшую пиковую производительность. Кроме того, их процессоры в массовом сегменте, как правило, предназначены для компьютеров под управлением операционной системы Windows, а схожую работу по оптимизации ОС таким образом, чтобы она могла читать программы для обеих архитектур, в Microsoft еще не провели.
Что такое 10 нм, 7 нм или 5 нм в смартфоне? Техпроцесс для «чайников»
Появление этой статьи на Deep-Review было лишь вопросом времени. Многие читатели задавали одни и те же вопросы, суть которых сводилась к следующему: что реально отражает эта цифра (12, 10, 7 или 5 нм) в технических характеристиках смартфонов, где в процессоре те самые 5 нанометров? Что вообще такое техпроцесс и какой процессор лучше выбрать?
Даже в современных печатных книгах сплошь и рядом встречается распространенное заблуждение, будто эти цифры означают размеры транзисторов, из которых состоит процессор.
В общем, пришло время разобраться с этим вопросом!
Сразу предупреждаю, что статья рассчитана на самый широкий круг читателей, то есть, при желании все сказанное смогут понять даже дети.
Но прежде, чем говорить о нанометрах и техпроцессе, нужно разобраться с транзистором. Без понимания этого устройства весь наш дальнейший разговор будет лишен смысла.
Что такое транзистор в процессоре смартфона? Как он работает и зачем вообще нужен?
Транзистор — это основа любого процессора, памяти и других микросхем. Он представляет собой крошечное устройство, способное работать в двух режимах: усиления или переключения электрического сигнала. Нас интересует именно режим переключателя.
Основа любой вычислительной техники — это единички и нолики. Просмотр видео на смартфоне, прослушивание музыки, дополненная реальность и нейронные сети — все это работает на «единичках и ноликах»:
- Единица — есть ток
- Ноль — нет тока
Именно для получения единиц и нулей мы используем транзисторы. Когда из этого миниатюрного устройства выходит ток, мы говорим, что это единица, когда нет никакого электрического сигнала — получаем ноль.
Соответственно, один транзистор — это совершенно бесполезная ерунда, которая не сможет сделать ничего. Даже, чтобы посчитать 2+2 нам нужны десятки транзисторов.
Итак, для создания транзистора мы берем немножко песка (условно какую-то часть одной песчинки) и делаем из него микроскопическую основу:
Это будет наша кремниевая подложка (кремний получают именно из песка). Теперь нужно на эту основу нанести две области. Я думал, стоит ли погружаться в физику этого процесса и объяснять, как эти области делаются и что там происходит на уровне электронов, но решил не перегружать статью излишней информацией. Поэтому будем немножко абстрагироваться.
Итак, делаем две области: в одну ток подаем (вход в транзистор), а из другой — считываем (выход):
Мы сделали эти области внутри кремниевой подложки таким образом, чтобы ток не смог пройти от входа к выходу. Он будет останавливаться самим кремнием (показан зеленым цветом). Чтобы ток смог пройти от входа к выходу по поверхности кремниевой подложки, нужно сверху разместить проводящий материал (скажем, металл) и хорошенько его изолировать:
А теперь самое важное! Когда мы подадим напряжение на этот изолированный кусочек металла, размещенный над кремниевой подложкой, он создаст вокруг себя электрическое поле. Изоляция никак не будет влиять на действие этого электрического поля. И здесь происходит вся «магия»: слой кремния под действием этого электрического поля начинает проводить ток от входа к выходу! То есть, когда мы подаем напряжение, ток может легко протекать между двумя областями:
Вот и все! Осталось дело за малым — подключить «провода» (электроды) ко входу, выходу и кусочку изолированного металла, с помощью которого мы и будем включать/выключать транзистор. Назовем их так:
- Вход — Исток
- Выход — Сток
- Металл с изоляцией — Затвор
Для закрепления материала немножко поиграемся с этим транзистором.
Итак, транзистор находится под напряжением, то есть, электричество подается на исток. Но на затворе тока нет, так как на наш транзистор не «пришла единица». Соответственно затвор «закрыл» транзистор и ток по нему пройти дальше не сможет, так что и на выходе из транзистора мы получаем ноль:
Теперь ситуация изменилась и на затворе транзистора появилось напряжение, которое создало электрическое поле, позволившее току пройти через транзистор от истока к стоку. Как результат — транзистор выдал единицу (есть электрический сигнал):
Вот так все просто! То есть, основное напряжение поступает на вход ко всем транзисторам, но будет ли каждый конкретный транзистор пропускать этот ток дальше — зависит от незначительного напряжения на затворе. Это напряжение может появляться, например, когда другой транзистор, подключенный к этому, отправил электрический импульс («единичку»).
Этого знания более, чем достаточно для того, чтобы ответить на все остальные вопросы, касательно нанометров и логики работы процессора.
О том, какие физические процессы стоят за таким нехитрым переключателем, то есть, что именно заставляет электроны проходить по кремнию, когда над ним появляется электрическое поле, я рассказывать не буду. Возможно, о легировании кремния фосфором и бором, p-n переходах и электрических полях мы поговорим как-нибудь в другой раз. А сейчас перейдем к основному вопросу.
Что такое техпроцесс или где же спрятаны эти «7 нанометров»?
Предположим, у нас есть современный смартфон, процессор которого выполнен по 7-нм техпроцессу. Что внутри такого процессора имеет размер 7 нанометров? Предлагаю вам выбрать правильный вариант ответа:
- Длина транзистора
- Ширина транзистора
- Расстояние между двумя транзисторами
- Длина затвора
- Ширина затвора
- Расстояние между затворами соседних транзисторов
Какой бы вариант вы ни выбрали, ваш ответ — неверный, так как ничего из перечисленного не имеет такого размера. Если бы этот же вопрос я задал лет 20 назад, правильным ответом была бы длина затвора (или длина канала, по которому протекает ток от стока к истоку):
Стоп! Длина канала, ширина, площадь — да какая разница, что в чем измеряется!? Зачем вообще придумали эти названия техпроцессов, для чего они нужны простым людям? Что вообще должен показывать техпроцесс обычному покупателю? Зачем ему знать ту же длину затвора транзистора?
Давным давно один человек по имени Гордон Мур (основатель корпорации Intel) задумался о том, как быстро развиваются технологии. Под словом «развитие» он подразумевал рост количества транзисторов, помещающихся на одной и той же площади. Дело в том, что этот показатель напрямую влияет на скорость вычислений. Процессор, вмещающий всего 1 млн транзисторов будет работать гораздо медленней, чем тот, внутри которого находятся 10 млн транзисторов.
Более того, уменьшая размер транзистора, автоматически снижается его энергопотребление (ток, проходящий через транзистор пропорционален отношению его ширины к длине). Также уменьшается размер затвора и его емкость, позволяя ему переключаться еще быстрее. В общем, одни плюсы!
Так вот, этот человек наблюдал за историей развития вычислительной техники и заметил, что количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые 2 года. Соответственно, размеры транзисторов уменьшаются на корень из двух раз.
Другими словами, нужно умножать каждую сторону квадратного транзистора на 0.7, чтобы его площадь уменьшилась вдвое:
Это наблюдение получило название «закон Мура» и так родилась маркировка техпроцесса: каждые два года эту цифру умножали на 0.7. Например, при переходе от 1000-нм техпроцесса к 700-нм, количество транзисторов на чипе возросло в 2 раза. Примерно то же можно сказать и обо всех современных процессорах: 14 нм -> 10 нм -> 7 нм -> 5 нм. Каждое последующее поколение просто умножаем на 0.7, предполагая, что количество транзисторов там увеличивалось вдвое.
Повторюсь, до определенного момента эта цифра означала длину канала (или длину затвора), так как эти элементы уменьшались пропорционально размеру транзистора.
Но затем удалось сокращать длину затвора быстрее, чем другие части транзистора. С тех пор связывать размер затвора с техпроцессом стало не совсем корректно, так как это уже не отражало реального увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле.
Например, в 250-нм техпроцессе длина затвора составляла 190 нанометров, но транзисторы не были упакованы настолько плотно по сравнению с предыдущим техпроцессом, чтобы называть его 190-нанометровым (по размеру затвора). Это не отражало бы реальную плотность.
Затем длина канала и вовсе перестала уменьшаться каждые два года, так как появилась новая проблема. При дальнейшем уменьшении длины канала, электроны могли обходить узкий затвор, так как блокирующий эффект был недостаточно сильным. Более того, такие утечки возникали постоянно, вызывая повышенное энергопотребление и нагрев транзистора (и, как следствие, всего процессора).
В общем, техпроцесс отвязали от длины затвора и взяли просто группу из нескольких транзисторов (так называемую ячейку) и площадь этой ячейки использовали для названия техпроцесса.
К примеру, в 100-нм техпроцессе ячейка из 6 транзисторов занимала, скажем, 100 000 нанометров (это условная цифра из головы). Компания упорно работала над уменьшением размеров транзисторов или увеличением плотности их размещения и через пару лет добилась того, что в новом процессоре эта же ячейка занимает уже 50 000 нм.
Не важно, уменьшился ли размер транзисторов или просто удалось упаковать их более плотно (за счет сокращения слоя металла и других ухищрений), можно смело говорить, что количество транзисторов на кристалле выросло в два раза. А значит мы умножаем предыдущий техпроцесс (100 нм) на 0.7 и получаем новенький процессор, выполненный по 70-нм техпроцессу.
Однако, когда мы дошли до 22-нанометрового техпроцесса, уменьшать длину затвора уже было нереально, так как электроны проходили бы сквозь этот затвор и транзисторы постоянно бы пропускали ток.
Решение оказалось простым и гениальным — нужно взять канал, по которому проходит ток и поднять его вверх, над кремниевой основной, чтобы он полностью проходил через затвор:
Теперь всё пространство, по которому идет ток, управляется затвором, так как полностью им окружено. А раньше, как мы видим, этот затвор находился сверху над каналом и создавал сравнительно слабый блокирующий эффект.
С новой технологией, получившей название FinFET, можно было продолжать уменьшать длину затвора и размещать еще больше транзисторов, так как они стали более узкими (сравните на картинке ширину канала). Но говорить о размерах транзистора стало вообще бессмысленно. Не совсем понятно даже, как эти размеры теперь высчитывать, когда транзистор из плоского превратился в трехмерный.
Таким образом, техпроцесс полностью «оторвался» от каких-либо реальных величин и просто условно обозначает увеличение плотности транзисторов относительно предыдущего техпроцесса.
К примеру, длина канала в 14-нм процессоре от Intel составляет 24 нанометра, а у Samsung — 30 нанометров. Отличаются и другие метрики этих процессоров, сделанных, казалось бы, по одинаковому техпроцессу. Более того, длина затвора — не самая миниатюрная часть транзистора. В том же 14-нм процессоре ширина канала вообще состоит из нескольких атомов и составляет 8 нанометров! То есть, техпроцесс — это даже не описание самой маленькой части транзистора.
Другими словами, нанометровый техпроцесс не описывает размеры транзисторов. Сегодня это условная цифра, означающая плотность размещения транзисторов или увеличение количества транзисторов относительно предыдущего техпроцесса (что напрямую влияет на быстродействие процессора).
В любом случае, важно запомнить простое правило и пользоваться им при анализе характеристик смартфона:
Разница техпроцесса в 0.7 раз означает двукратное увеличение количества транзисторов
Для примера можем посмотреть на последние чипы от Apple. В 10-нм процессоре Apple A11 Bionic содержится 4.3 млрд транзисторов, а в 7-нм Apple A13 Bionic — 8.5 млрд транзисторов. То есть, видим, что техпроцесс отличается в 0.7 раз, а количество транзисторов — в 2 раза. Соответственно, 7-нм процессор гораздо производительней 10-нанометрового.
Продолжая аналогию, в 5-нм процессоре должно вмещаться в 2 раза больше транзисторов, чем в 7-нанометровом! Если вас не очень удивляет этот факт, обязательно почитайте на досуге мою заметку об экспоненциальном развитии технологий.
Итак, когда вы будете смотреть на два смартфона с 14-нм и 10-нм процессорами, то знайте что в последнем гораздо больше транзисторов, соответственно, его вычислительная мощность заметно выше. Так и следует пользоваться «техпроцессом» при выборе смартфона.
А если вам интересно, как эти бездушные транзисторы умеют «думать», делать сложные вычисления, показывать фильмы или проигрывать музыку, тогда ответы на эти вопросы читайте в нашем новом материале!