На что влияет количество транзисторов на кристалле процессора

Закон количества транзисторов в процессорах (закон Мура) в цифрах и графиках

Закон Мура — наблюдение (изначально сформулированное Гордоном Муром), согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.

Отметим, что часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров.

Посмотрим, как выполняется правило:

Фактически, данные подчиняются следующей формуле:

P(2017) = 19293798400, что примерно соответствует актуальному значению на 2017 год = 19200000000 транзисторов на кристалл.

Исполнение закона Мура в 1971-2018 годах

В 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) один из основателей Intel Гордон Мур в процессе подготовки выступления нашел закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое.

Он предсказал, что к 1975 году количество элементов в чипе вырастет до 2 16 (65536) с 2 6 (64) в 1965 году. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.Это наблюдение получило название — закон Мура.

В 1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (24 месяца).

Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем.

По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение: «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 20 литров топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ».

Рост числа транзисторов на кристалле микропроцессора (1970-2016). Точки соответствуют наблюдаемым данным, а прямая — периоду удвоения в 24 месяца.

На графике отображены данные о количестве транзисторов в процессорах, производительности, потреблению энергии, количеству логических ядер.

Вместе с тем на прошедшей в рамках выставки CES 2019 пресс-конференции, глава компании NVIDIA Дженсен Хуанг (Jensen Huang) объявил закон Мура более невозможным. Об этом сообщило издание CNET. Дженсен Хуанг заявил, следующее: «Закон Мура более невозможен».

Как теперь отметил топ-менеджер NVIDIA на сессии вопросов и ответов перед небольшим количеством журналистов, прямо сейчас закон Мура выражается в росте на несколько процентов каждый год и удвоение можно ожидать только каждые десять лет.

Интересно, что ещё в 2010 году вице-президент NVIDIA Билл Дэлли (Bill Dally) в своей колонке для журнала Forbes объявил о смерти так называемого закона Мура и отметил, что будущее за параллельными вычислениями.

Закон масштабирования Деннарда и его исполнение

Закон сформулировал в 1974 году разработчик динамической памяти DRAM Роберт Деннард (Robert Dennard) совместно с коллегами из IBM:

«Известно, что уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы повышаем повышать его производительность».

Закон Куми и его исполнение

Закон сформулировал в 2011 году профессор Стэнфорда Джонатан Куми (Jonathan Koomey). Совместно с сотрудниками Microsoft, Intel и университета Карнеги-Меллона он сделал следующий вывод исходя из информации об энергопотреблении вычислительных систем начиная с ЭВМ ENIAC (1946):

«Можно утверждать, что объем вычислений на киловатт энергии при статической нагрузке удваивается каждые полтора года». Утверждение, в частности уточняло, что и энергопотребление компьютеров за прошедшие годы также выросло.

Спустя десятилетие после формулировки этого закона выяснилось, что средняя производительность чипа на киловатт энергии теперь удваивается каждые три года. Ситуация поменялась из-за трудностей, связанных с охлаждением чипов (как и было описано выше, с уменьшением размеров транзисторов становится труднее отводить тепло)

Будущее не за горами?

Да, вовсю разрабатываются технологии охлаждения чипов. Однако об их массовом внедрении пока говорить не приходится. К примеру, разработчики из университета в Нью-Йорке предложили использовать лазерную 3D-печать для нанесения на кристалл тонкого теплопроводящего слоя, в который входит титан, олово и серебро. Теплопроводность такого материала аж в 7 раз лучше, чем у иных термоинтерфейсов.

Надо отметить, что в своем исследовании физик Ричарда Фейнмана (Richard Feynman) еще в 1985 году отметил, что показатель энергоэффективности процессоров способен вырасти в 100 млрд раз. Однако по состоянию на 2019 год это значение не увеличилось и в 100 тысяч раз. Мы привыкли к высоким темпам роста вычислительных мощностей, инженеры ищут способы продлить действие закона Мура и преодолеть трудности, продиктованные законами Куми и Деннарда. Решением могут стать замена основных конструктивных элементов на кардинально новые.

Источник

Что такое техпроцесс в микрочипах и как он влияет на производство полупроводников

Содержание

Содержание

Одна из главных характеристик процессоров и других микрочипов — техпроцесс. Что означает этот термин и насколько он влияет на производительность — разберемся в этом блоге.

Что такое техпроцесс

Ключевым элементом практически каждой вычислительной схемы является транзистор. Это полупроводниковый элемент, который служит для управления токами. Из транзисторов собираются основные логические элементы, а на их основе создаются различные комбинационные схемы и уже непосредственно процессоры.

Чем больше транзисторов в процессоре — тем выше его производительность, ведь можно поместить на кристалл большее количество логических элементов для выполнения разных операций.

В 1971 году вышел первый микропроцессор — Intel 4004. В нем было всего 2250 транзисторов. В 1978 мир увидел Intel 8086 и в нем помещались целых 29 000 транзисторов. Легендарный Pentium 4 уже включал 42 миллиона. Сегодня эти числа дошли до миллиардов, например, в AMD Epyc Rome поместилось 39,54 миллиарда транзисторов.

Много это или мало? На 2020 год на нашей планете приблизительно 7,8 миллиардов человек. Если представить, что каждый из них это один транзистор, то полтора населения планеты
с легкостью поместилась бы в процессоре Apple A14 Bionic.

В 1975 году Гордон Мур, основатель Intel, вывел скорректированный закон, согласно которому число транзисторов на схеме удваивается каждые 24 месяца.

Нетрудно посчитать, что с момента выхода первого процессора до сего дня, а это всего-то 50 лет, число транзисторов увеличилось в 10 000 000 раз!

Казалось бы, поскольку транзисторов так много, то и схемы должны вырасти в размерах на несколько порядков. Площадь кристалла у первого процессора Intel 4004 — 12 мм², а у современных процессоров AMD Epyc — 717 мм² (33,5 млрд. транзисторов). Получается, по площади кристалла процессоры выросли всего в 60 раз.

Как же инженерам удается втискивать такое огромное количество транзисторов в столь маленькие площади? Ответ очевиден — размер транзисторов также уменьшается. Так
и появился термин, который дал обозначение размеру используемых
полупроводниковых элементов.

Упрощенно говоря, техпроцесс — это толщина транзисторного слоя, который применяется в процессорах.

Чем мельче транзисторы, тем меньше они потребляют энергии, но при этом сохраняют текущую производительность. Именно поэтому новые процессоры имеют большую вычислительную мощность, но при этом практически не увеличиваются в размерах
и не потребляют киловатты энергии.

Какие существуют техпроцессы: вчера и сегодня

Первые микросхемы до 1990-х выпускались по технологическому процессу 3,5 микрометра. Эти показатели означали непосредственно линейное разрешение литографического оборудования. Если вам трудно представить, насколько небольшая величина в 3 микрометра, то давайте узнаем, сколько транзисторов может поместиться в ширине человечного волоса.

Уже тогда транзисторы были настолько маленькими, что пару десятков с легкостью помещались в толщине человеческого волоса. Сейчас техпроцесс принято соотносить с длиной затвора транзисторов, которые используются в микросхеме. Нынешние транзисторы вышли на размеры в несколько нанометров.

Для Intel актуальный техпроцесс — 14 нм. Насколько это мало? Посмотрите в сравнении
с вирусом:

Однако по факту текущие числа — это частично коммерческие наименования. Это означает, что в продуктах по техпроцессу 5 нм на самом деле размер транзисторов не ровно столько, а лишь приближенно. Например, в недавнем исследовании эксперты сравнили транзисторы от Intel по усовершенствованному техпроцессу 14 нм и транзисторы от компании TSMC на 7 нм. Оказалось, что фактические размеры на самом деле отличаются не на много, поэтому величины на самом деле относительные.

Рекордсменом сегодня является компания Samsung, которая уже освоила техпроцесс 5 нм. По нему производятся чипы Apple A14 для мобильной техники. Одна из последних новинок Apple M1 — первый ARM процессор, который будет установлен в ноутбуках от Apple.

Продукцию по техпроцессу в 3 нм Samsung планирует выпускать уже к 2021 году. Если разработчикам действительно удастся приблизиться к таким размерам, то один транзистор можно будет сравнить уже с некоторыми молекулами.

Насколько маленьким может быть техпроцесс

Уменьшение размеров транзисторов позволяет делать более энергоэффективные и мощные процессоры, но какой предел? На самом деле ответа никто не знает.

Проблема кроется в самой конструкции транзистора. Уменьшение прослойки между эмиттером и коллектором приводит к тому, что электроны начинают самостоятельно просачиваться, а это делает транзистор неуправляемым. Ток утечки становится слишком большим, что также повышает потребление энергии.

Не стоит забывать, что каждый транзистор выделяет тепло. Уже сейчас процессоры Intel Core i9-10ХХХ нагреваются до 95 градусов Цельсия, и это вполне нормальный показатель. Однако при увеличении плотности транзисторов температуры дойдут до таких пределов, когда даже водяное охлаждение окажется полностью бесполезным.

Самые смелые предсказания — это техпроцесс в 1,4 нм к 2029 году. Разработка еще меньших транзисторов, по словам ученых, будет нерентабельной, поэтому инженерам придется искать другие способы решения проблемы. Среди возможных альтернатив — использование передовых материалов вместо кремния, например, графена.

Источник

7 нм техпроцесс в чипах: Померяемся нанометрами? РАЗБОР

Snapdragon 865, Apple A13 bionic, новый Ryzen от AMD. Отовсюду нам кричат про 7-нанометровый техпроцесс в смартфонах и ПК! Чем это отличается от знакомых 10 и 14 нанометров? Как влияет на батарейку, производительность, нагрев? А тут еще и Samsung с Google анонсируют процессоры на 5 нм, кто-то уже вообще говорит о 3 нм.

А где вообще Intel? Только что еле-еле переползли на 10 нм?

Мы решили узнать, что измеряют эти нанометры? И так ли важно ими мериться или это просто маркетинг? И реально ли Intel так безбожно устарел?

Прежде чем перейти к процессорам в наших смартфонах и компьютерах, немного основ как устроен процессор?

Знакомьтесь — это транзистор! Ключевой элемент всех процессоров. Фактически транзистор — это переключатель. Ток течет через него — это 1, ток не течет — это 0. Это и позволяет считать в двоичной системе — основа всех процессоров!

Раньше транзисторами были вакуумные лампочки. Условно — горит или не горит: единица или ноль.

Таких лампочек нужно было очень много, чтобы всё как-то работало. Например, компьютер ENIAC 1946 года, который участвовал в создании водородной бомбы насчитывал 17,5 тысяч вакуумных ламп и весил 27 Тонн, занимая 167 квадратных метров. При этом он жрал 150 кВт электричества.

И тут один из ключевых моментов, на который стоит обратить внимание. Еще раз повторю энергопотребление у этих 17,5 тысяч лампочек составляло 150 кВт.

Но в начале 1960-х случилась революция — изобретение и начало производства полевых транзисторов. Как раз у них исходным полупроводником является кремний — отсюда и всем известная силиконовая, кхм, то есть Кремниевая долина!

И тут понеслось! Размеры транзисторов уменьшились настолько, что они стали потреблять существенно меньше электричества и занимать меньше места. И количество транзисторов в вычислительной технике начало увеличиваться с огромной скоростью! А вместе с ним и мощность вычислительных систем!

В первом промышленном процессоре Intel 4004, который был выпущен в 1971 году было 2250 транзисторов.

А сейчас например в A13 Bionic этих транзисторов 8.5 миллиардов — это больше чем людей на планете! Ну пока…

Но на сколько вообще уменьшились современные транзисторы, насколько они маленькие? Простое сравнение легкое для понимания — например, с человеческим волосом!

На его срезе можно разместить почти 1.5 миллиона современных транзисторов сделанных по 7-нанометровому техпроцессу!

То есть у вас на толщине человеческого волосе можно разместить в 4 раза больше транзисторов, чем было в процессоре Intel 4004!

Почему же надо уменьшать? Тут все более-менее очевидно!

Во-первых, чем меньше транзистор — тем меньше он потребляет энергии. Вы уже это поняли на примере ламповых.

А во-вторых — их больше помещается на кристалле, а значит растёт производительность. Двойная выгода!

И тут мы переходим к понятию техпроцесса или Technology Node — что же это такое?

Если максимально упростить, то значением техпроцесса исторически являлась минимальная длина канала транзистора — как видно на картинке — не стоит его путать с размерами транзистора целиком.

То есть, чем меньше размер техпроцесса — тем лучше — это нам и пытаются донести компании, но так ли всё просто?

И тут важно другое: транзисторы бывают разные и они отличаются не только по размеру, но и по своей структуре.

Классические, планарные или плоские, транзисторы перестали использоваться относительно недавно — в 2012 году. Они уступили место трёхмерным транзисторам, где вытянули канал в третье измерение, уменьшив его толщину и тем самым уменьшив сам транзистор. Такая структура называется FinFET — они и используются сейчас.

Данная технология очень помогла уменьшить размер транзисторов и главное — сильно повысила количество транзисторов на единицу площади, что и является одним из ключевых показателей для производительности!

Но означает ли сегодня понятие техпроцесс тоже самое, что и несколько лет назад?

Во всей индустрии прослеживалась очень важная тенденция — каждый следующий техпроцесс был меньше предыдущего на 30%, что помогало удвоить количество транзисторов при сохранение того же энергопотребления — например 130*0.7=90 нм, 90*0.7=65 нм, далее до 45 нм, 32 нм, и так далее.

И это пока соответствует Закону Мура:

Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.

Что же стоит за этой игрой чисел?

Мы уже выяснили, что техпроцесс — это размер затвора транзистора, то есть длина канала, который пропускает или не пропускает через себя ток и этот размер ключевой!

Но оказывается это истинно, только если мы говорим о старых 32 нм — там все точно, хоть линейкой измеряй! И этот параметр был закреплен документально!

Но так было до 2009 года, когда из так называемого “Международного плана по развитию полупроводниковой технологии” было исключено понятие техпроцесса и его обозначения!

Простым языком — цифры указанные в тех процессе сегодня — это просто маркетинговый лейбл!

Производители пошли вразнос и начали называть всё подряд 10, 7 и вообще 5 нанометрами, а кто-то уже говорит и о 3 нанометрах! Можно всё это ставить в кавычки, как простое обозначение поколения процессоров!

Вот вам например структура процессора Apple A12, произведенного на заводе TSMC по 7- нанометровому техпроцессу. Обратите внимание на шкалу масштаба в левом нижнем углу.

Если сравнить масштаб и посчитать, то получается, что ширина канала — 8 нанометров, при том, что официально процесс называется 7-нанометровым.

Теперь давайте сравним 10-нанометровый процесс у Intel и 7-нанометровый у TSMC.

Кстати, знайте, что сегодня TSMC это компания, которая производит процессоры для AMD, а также делает Apple A13 и Snapdragon 865 — поэтому считайте, что мы сравниваем сразу все их чипы.

Обратите внимание на размерность. Сразу видно, что те же 10нм у Intel почти такие же как 7 нанометров у TSMC! Так что выходит Intel не так уж отстали от AMD и других производителей — они просто проиграли маркетинговую битву? Тут тоже все не так однозначно!

Внезапно по некоторым параметрам Intel даже выигрывают у TSMC.
Смотрите на 1 квадратный миллиметр 10нм кристалла Intel помещается примерно на 5 процентов больше транзисторов, чем на 7нм у того же Apple, Qualcomm или AMD.

Но при этом у повышенной плотности есть и минусы — увеличенный нагрев!

Значит получается что кристаллы Intel мощнее, но за счет плотности они больше греются. Таким образом, мы получаем тот самый пресловутый троттлинг.

А процессоры производства TSMC — Apple Qualcomm и AMD выигрывают именно за счет более просторного расположения транзисторов примерно тех же размеров.

Как они это делают — это скорее вопрос внутренней архитектуры, а не циферка, которая стоит в названии тех процесса.

Не думайте, что я забыл про архитектуру N7FF+ — да она еще плотнее чем у Intel, но если говорить о чипах серия AMD Zen 2, Applу A13, Snapdragon 865 — все сделаны на основе TSMC 7FF и она проигрывает в плотности Intel.

Единственный процессор, который уже производится по новой технологии N7FF+ с использованием экстремальной УФ-литографии — это Kirin 990 5G. Тут конечно плотность транзисторов сильно возрастает — аж на 15 процентов!

По идее производители просто идут по немного разному пути и если заглянуть в будущее, то становится понятно по какому: вот вам табличка того как все будет — чипы следующего поколения.

Нас интересует строчка про плотность транзисторов на 1 квадратный миллиметр!

По этим данным Intel более чем на 30 процентов обходит и Samsung, и TSMC в плотности транзисторов — и это при том, что тут мы сравниваем уже 7 нм у одного производителя и 5 у другого.

Откуда такой прирост? Как возможно такое повышение плотности — процы просто будут взрываться или работать только с навороченными система охлаждения?

Не совсем так. Все дело в том, что Intel планирует перейти на транзисторы совершенно другой структуры — под названием HNS — Horizontal Nano Sheets — это и позволит сделать скачок!

Но похожие планы есть и у Samsung — они идут немного в другую сторону к структуре Gate-All-Around FET.

Вот как это выглядит в реальности — не так симпатично, но вы только подумайте о том, какие они маленькие!

В итоге мы поняли, что за маркетинговыми названиями 7 нм и 5 нм скрывается битва архитектур, а в будущем мы сможем выяснить чей же путь был верным.

Что можно сказать абсолютно точно — нас ждёт огромный скачок среди всех чипов как мобильных так и десктопных уже в течение ближайших нескольких лет.

На этой ноте не хочется заканчивать тему процессоров, ведь мы изучили немало информации и документов, в том числе разобрались в процессе производства. Например, вы слышали о таком процессе Экстремальная Ультрафиолетовая Литография? Если на пальцах, это какая-то фантастика — капля олова превращается в плазму после попадания лазера: именно так создаются современные процессоры. Но сами установки может создавать только одна компания в мире и все гиганты от нее зависят.

Источник