Маркетинговите тънкости в технологичните процеси за производство на процесори

Всички вече свикнахме, че освен броя на процесорните ядра и тактовите честоти, производителите съобщават и технологичния процес, с който е произведен съответния чип. Счита се, че колкото е по-малък този параметър, толкова е по-добре. Но какво всъщност е този така наречен технологичен процес? Как се пресмята? Наистина ли Intel заседна на 14 nm? Нека да се спрем малко по-подробно.

Една минута физика

Няма как да минем без малко теория. И така, какво всъщност е процесорът? Грубо казано, това е струпване на милиони и милиарди транзистори, кондензатори резистори в определени комбинации. Интересни всъщност са само транзисторите, понеже благодарение на тях процесорите могат да извършват изчисления. Съвременните CPU с милиарди транзистори дават възможност за пресмятане на всичко - започвайки от физиката в компютърните игри до моделирането на черни дупки.

Очевидно е, че са ни необходими много транзистори. Без да се задълбочаваме можем да кажем, че те се получават чрез фотолитография - светлина с определена дължина на вълната преминава през маска и оставя следа върху полупроводниковия кристал, която всъщност е един транзистор. На практика всичко е доста по-сложно, но това е друга тема.

Именно тук се сблъскваме със сериозен проблем: разделителната способност на фотолитографското оборудване, въпреки че непрекъснато се увеличава, не е безкрайна. Ето защо трябваше да бъде въведен нов параметър, който да дава възможност за сравняване на процесорите, създадени от различните производители използващи различно оборудване.

Литографският процес

Именно така бе въведен размерът на технологичния процес. Не, той не ни показва размера на транзистора, както мнозина си мислят. На практика той показва технологичния предел на оборудването - минималният щрих, който лазерът може през маската да остави върху полупроводниковия кристал. В случая с транзисторите той съвпадаше с тяхната най-тънка част - гейтът.

Логиката не е сложна - ако имате свредло с размер 10 мм, няма как да направите отверстие от пет милиметра, но без проблем можете да правите отверстия с размер 15 или 20 милиметра. При фотолитографията процесът е аналогичен - ако разделителната способност на вашето оборудване е да кажем 5 микрона (5000 nm), то няма как да направите транзистор с по-малък размер на гейта. И разбира се, самият транзистор ще бъде многократно по-голям.

Защо размерът на технологичния процес е толкова важен? Важен е, понеже показва общата технологичност на процесора - колкото е по-малък технологичният процес, толкова повече транзистори могат да се съберат на една и съща площ, което означава, че съответният процесор ще работи по-бързо. Нещо повече, колкото е по-малък транзисторът, толкова по-малко енергия използва при своята работа и отделя по-малко топлина.

Кратка история на технологичните процеси

Естествено, в зората на създаването на процесори никакви проблеми с намаляването на технологичния процес е нямало - дори и без да се сменят лазерите, които първоначално са работили с дължина на вълната 700 nm (червена светлина), е можело да бъдат намалявани елементите на самите маски, като по този начин се увеличава разделителната способност на оборудването и съответно са се намалявали гейтовете на транзисторите, при това цели три пъти - от 10 на 3 микрона. Това става само за четири години - от 1971-ва до 1975-та.

Тъй като технологичният процес в тези години е по-голям от дължината на вълната на видимата светлина (няколко стотици нанометра), с помощта на микроскоп е възможно да се видят отделните транзистори, например на първия комерсиален процесор Intel 4004, който работи с тактова честота едва 500-740 KHz.

По-късно започва използването на виолетови лазери (400 nm), което съчетано с усъвършенстването на маските, не създава никакви проблеми - през 1985 година е преодолян размерът от 12 микрона, а в началото на новото хилядолетие вече видяхме процесори, произведени чрез 130 нанометров технологичен процес с тактова честота над 1 GHz, които вече имаха стотици милиони транзистори. Тези транзистори вече не можеха да се видят с микроскоп.

Първите проблеми

Ненапразно обърнахме внимание на 130 nm. Това бе последният технологичен процес, който даваше възможност за лесното сравняване на чиповете от различните компании, както и с техните предшественици, с цел оценка на тяхната енергийна ефективност и ръст на производителността.

Първото предупреждение дойде в самото началото на века при прехода уж към 90 nm технологичен процес. Това е важно, понеже 90 nm технологичен процес, който се използва за производството на Pentium 4, вече е условен. Тук не се указва резолюцията на фотолитографското оборудване, а това, че площта на транзистора е намалена двойно в сравнение с предишния 130 nm процес.

Но след като площта е намалена двойно, то линейните размери би трябвало да намалеят приблизително 1,4 пъти. И ако разделите 130 на 90, именно толкова и ще получите. Да подчертаем, че и 90 делено на 65 ще даде същия резултат, както и делението на 65 на 45. Казано накратко, това е едно откровено напасване към Закона на Мур, който ни казва, че броят на транзисторите в чиповете се удвоява веднъж на две години.

С други думи, от един абсолютно ясен параметър - гейтът на транзистора, който съвсем точно показва качеството на литографското оборудване, в началото на века производителите преминаха към линейните размери на транзисторите. Това е един твърде размит показател, който е твърде слабо свързан с гейта на транзистора и това изкриви самата същност на технологичния процес.

В крайна сметка се получи една доста тъжна картина: както AMD, така и Intel в началото на века произвеждаха своите процесори със сходни технологични процеси - съответно с 45 и 40 nm, само че в тези години процесорът Core 2 Duo бе по-ефективен от чиповете Athlon при сходни честоти. Днес нещата са съвсем различни, но всичко това показа мощния маркетинг, който се използваше при рекламирането на новите технологични процеси.

Отказ от понятието "технологичен процес"

Виждайки това безумие, специалистите, които обичат да използват ясни физични величини, в рамките на "Международния план за развитието на полупроводниковите технологии" напълно се отказаха от измерването на технологичния процес и от неговите нанометри. Може да се каже, че от 2009 година насам, показваните от производителите технологични процеси са си чист маркетинг, който често няма връзка с физиката.

Още две години всичко продължи по същия начин. И наистина, защо трябва да се променя нещо което работи добре? Площта на транзисторите все така намаляваше и съответстваше на Закона на Мур, и производителите продължиха да делят старите технологични процеси на 1,4 и да обявяват новите значения.

Второто предупреждение дойде в началото на 2010 те години. Използването на 32 нанометров технологичен процес бе нещо обикновено, но преходът към 22 nm създаде сериозни проблеми. Решението бе преходът от 2D към 3D. Намаляването на размера на гейта под 30 nm вече нямаше как да стане, понеже транзисторът започваше да провежда ток, дори когато не трябва, понеже през тази тънка бариера проникват електрони благодарение на тунелния ефект. Идеята бе пътят на тези електронни да бъде направен по-дълъг, като на техния път бъде поставен нещо като силициев гребен, върховете на който приличат на перки на морско животно.

Така се роди FinFET (fin field-effect transistor) технологията, при която електронните не преминават пряко, а заобикалят поставените на техния път "перки" (зелената линия на схемата по-долу)

Лесно може да се види, че физическите размери на гейта на транзистора не са се променили, но след като тунелният ефект е преодолян, може да се казва, че гейтът също намалява, и всички са с радост започнаха да съобщават за все по-тънки технологични процеси.

Проблемът е в това, че по този начин се убива самото определяне на технологичния процес. Окончателно. Работата е в това, че дори и фотолитографското оборудване да може да създаде транзистори с по-малки линейни размери на гейта, производителите продължават да правят гейтовете по-големи, за да се избегне тунелния ефект. Но вече се използва триизмерно разполагане на транзисторите и средната ширина на гейта на единица площ е по-малка. Това означава, че към днешен ден нанометрите в технологичния процес нямат никаква връзка с разделителната способност на използваното оборудване. Необходим е някакъв друг параметър, който да показва какъв все пак е технологичния процес.

Маркетингът

В крайна сметка това объркване развърза ръцете на маркетолозите. Към днешен ден компаниите пресмятат нанометрите както им е удобно. Някой от тях както преди продължават да пресмятат заеманата площ, което е безсмислено при триизмерното разполагане на транзисторите, а другите пресмятат технологичния процес според броя на транзисторите, което е по-близо до истината, но заради триизмерната структура също не е съвсем вярно:

Можем да видим, че 10 nm технологичен процес на Intel не е чак толкова лош, както твърди конкуренцията, и е доста по-добър от 10 nm процес на TSMC. Наистина имаме много маркетинг.

Бъдещето

Това далеч не е всичко. Intel възнамерява да премине от FinFET към HNS (Horizontal NanoSheets) или хоризонтални нанолистове. Грубо казано, това е аналогично на едно процесорно ядро, което може да обработва две нишки с инструкции. В тези нови транзистори самите "перки" са разделени на няколко части.

Очевидно е, че използването на каквито и да било нанометри в технологичните процеси няма никакъв смисъл. Производителят може да ни каже, че неговия процесор е произведен чрез 3 или 2 nm и дори и по-малко, но това вече няма никаква връзка с физиката.

Изводи

Преди 20 години технологичните процеси престанаха да съответстват на хардуера. Преди 10 години технологичния процес престана да бъде физична величина. В бъдеще, когато на някой презентация покажат нови процесори, произведени чрез 3 нанометров технологичен процес, е по-добре да се изчакат независимите тестове, които в крайна сметка най-добре показват кой е най-добрият процесор.