Что такое нанометры в процессоре
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.
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.
| Модель | Год выпуска | Кол-во транзисторов |
| Xeon Broadwell-E5 | 2016 | 7 200 000 000 |
| Ryzen 5 1600 X | 2017 | 4 800 000 000 |
| Apple A12 Bionic (шестиядерный ARM64) | 2018 | 6 900 000 000 |
| Qualcomm Snapdragon 8cx | 2018 | 8 500 000 000 |
| AMD Ryzen 7 3700X | 2019 | 5 990 000 000 |
| AMD Ryzen 9 3900X | 2019 | 9 890 000 000 |
| Apple M1 ARM | 2020 | 16 000 000 000 |
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.
Intel 7 вместо нм. Новые названия техпроцессов: что изменилось?
Содержание
Содержание
Еще несколько лет назад основным критерием при выборе компьютерных комплектующих были характеристики «два ядра, два гига». Теперь грамотность пользователей в сфере электроники значительно повысилась. Поэтому перед покупкой компьютера юзеры стараются узнать скрытые характеристики — какой техпроцесс, какая архитектура, сколько транзисторов, и почему Intel 7 это уже не 10 нм, но еще не 7 нм. Подробности — в статье.
Быстрое развитие рынка электроники заставляет маркетинговые отделы работать активнее инженеров. Требования к производительности растут бесконечно, вместе с ними увеличивается и спрос на обновление. Поначалу производители справлялись с ежегодным наращиванием мощности и эффективности в разумных пределах. У компаний имелся запас прочности на несколько лет вперед. Но в какой-то момент процесс уменьшения транзисторов стал усложняться, и началась гонка за оптимизацией. В итоге появились знаменитые «+++» Intel. Но обо всем по порядку.
Что такое техпроцесс
Каждый знает, как выглядит электронная плата — это текстолит с множеством мелких радиодеталей. Размеры этих элементов и их количество могут отличаться от устройства к устройству. В телевизоре 1970 года транзистор может быть размером с колорадского жука, его современный аналог в новой OLED-панели оказывается не крупнее муравья. Но даже такой транзистор-насекомое является неприлично огромным по меркам современной электроники.
В компьютерных материнских платах используются транзисторы размером с песчинку. В смартфонах некоторые компоненты практически невидимы без микроскопа. Для человека такой масштаб является пределом осязания. Однако для современной электроники это все еще слишком крупно и громоздко. Инженерам приходится уменьшать размеры компонентов до тех пор, пока каждый отдельный элемент не станет практически сопоставим с размерами молекулы. То есть, превратится в наноэлемент.
Из таких наноэлементов и состоят современные микросхемы. Чтобы стало понятнее, достаточно представить, что в процессоре образца 1990-го года использовались транзисторы размером 3 микрометра. Это почти в 30 раз меньше человеческого волоса. В современном чипе Intel Alder Lake используются транзисторы размером 10 нм. Для сравнения, размер молекулы коронавируса составляет 110 нм.
Размер транзисторов и инструкции, по которым они производятся, называются техпроцессом. Чем современнее техпроцесс, тем больше транзисторов умещается в одном и том же объеме. Мы уже подробно обсуждали эту тему с наглядными материалами и сочными цифровыми сравнениями.
Историческая справка
Первая интегральная микросхема появилась в 1958 году. Она представляла собой единый компонент на основе германия, в теле которого было размещено несколько радиоэлементов. Так начался новый этап в развитии электроники. Микросхемы намного упростили производство техники. После изобретения процессора — сложной и «умной» схемы — возможности разработчиков выросли в разы. В этом материале не будем рассматривать первые четырехбитные чипы, а сразу перенесемся в относительно недалекое прошлое.
В 2000 году компания Intel представила новейшую разработку – Pentium 4. Первый чип этого поколения выпускался на 180-нм техпроцессе. На тот момент технология была самой продвинутой. Она позволила производителю увеличить тактовую частоту ядра, а также объем кэша. Правда, слишком высокая плотность компоновки транзисторов стала причиной перегрева и повышенного энергопотребления. Процессоры этого поколения постепенно доработали. Последней моделью стал чип, выполненный на 65 нм. С этого момента процесс уменьшения транзисторов стал замедляться.
С 2006 года Intel стала использовать новую стратегию разработки процессоров под названием «Тик-Так». Теперь производитель не меняет техпроцесс в каждом семействе, а чередует: на «Тик» представляет новые архитектуру и техпроцесс, а на «Так» только оптимизирует архитектуру. Такой способ чередования просуществовал до 2016 года. Он канул в Лету вместе с процессорами Skylake. В тот момент Intel серьезно зависла на «Так» и протащила 14-нм техпроцесс аж до 2020 года, назвав этот период «Оптимизацией».
С тех пор стратегия Intel называется «Процесс-Архитектура-Оптимизация». На этапе «Процесс» компания выпускает новый техпроцесс и новую архитектуру. Следующим этапом становится «Архитектура» — новые процессоры на доработанном техпроцессе. Финальный штрих — «Оптимизация». Здесь компания дорабатывает «обвес» чипа: например, контроллер памяти или графическое ядро.
Как уменьшают транзисторы
Транзистор — это клапан, который регулирует подачу тока. Внутри него есть своего рода заслонка, способная регулировать течение тока в канале. Долгое время производители уменьшали длину канала. Это позволяло им делать транзисторы компактнее и увеличивать плотность размещения полупроводников в кристалле. По размеру этого канала считали техпроцесс — 90 нм, 70 нм, 65 нм.
Как только производители добрались до 22 нм, уменьшать техпроцесс стало невозможно — ток начал протекать сквозь закрытый транзистор. Чтобы решить эту проблему, инженеры начали использовать трехмерные транзисторы FinFET. Раньше полупроводник имел планарную форму, где канал находится в одной плоскости с телом транзистора. Благодаря новой технологии канал удалось поднять выше транзистора и увеличить его Z-высоту. Это позволило снизить количество утечек и продолжить оптимизацию техпроцесса.
После перехода на новую технологию производства исчез единый стандарт измерений техпроцесса. Например, в 14-нм процессорах Intel и Samsung используются каналы разной длины — у Intel длина затвора равна 24 нм, а у Samsung — 30 нм. У каждого производителя процессоров выработалось свое мнение насчет верности измерения. В том числе у Intel, которая избавилась от устаревших нанометров и взяла на вооружение собственные обозначения.
«7» равняется «10»
За последние семь лет Intel произвела девять поколений процессоров на 14-нм архитектуре. Поначалу это не мешало производителю оставаться лидером на рынке. Но после выхода AMD Ryzen на 7-нм транзисторах Intel сдала позиции. Покупатели обратили внимание на «продвинутый» техпроцесс конкурентов.
Однако, несмотря на двукратную разницу в цифровом обозначении, на практике техпроцессы Intel 14 нм и AMD 7 нм практически не отличаются. Как мы писали выше, нанометры в названии техпроцесса уже не играют прежней роли. Отсюда и такие странности в названиях.
Тем не менее пользователи отлично «клюют» на бутафорские цифры. Поэтому производители задумались о смене привычных обозначений. Например, Intel, чтобы исключить недопонимание со стороны пользователей, ввела названия Intel 7 и Intel 4. Скажете — 7 нм и 4 нм? Не тут-то было. Intel 7 — это старый добрый 10 нм Enhanced SuperFin. Производителя легко понять: покупатель не желает снова видеть уже испробованный 10-нм техпроцесс. Люди требуют перехода на 7 нм «как у того производителя».
Однако Intel заявляет, что ее фирменная технология изготовления 10-нанометровых чипов превосходит 7-нм технологию TSMC. Причем компания доказывает это реальными цифрами — теперь инженеры оперируют понятием «плотность». Все предельно просто и понятно: чем выше плотность «заселения» кремния полупроводниками, тем они компактнее и технологичнее.
На одной и той же площади Intel размещает 106 миллиардов 10-нм транзисторов. А вот TSMC не может выйти за пределы 96 миллиардов. Техпроцесс меньше, а транзисторы крупнее — необъяснимый факт из недр маркетингового отдела. Похожие дела обстоят и в отношении будущего Intel 4, который готовится стать конкурентом TSMC 5 нм.
Игра слов
Смена названий техпроцессов — это, прежде всего, рекламный ход. Причем главная причина переименования скрывается где-то в офисе маркетологов. Специалисты манипулируют «хотелками» пользователей, намекая названием «Intel 7» на 7-нм техпроцесс. На самом деле под этой оберткой скрывается улучшенный 10-нм техпроцесс Enhanced SuperFin. Другие производители тоже «не промах» — они называют техпроцесс в нанометрах, но фактически считают «температуру на Марсе». Игра слов и не более.