Bilgisayar çipleri dünyasında, daha büyük sayılar genellikle daha iyidir. Mühendisler ve kullanıcılar tarafından daha fazla çekirdek, daha yüksek GHz, daha büyük FLOP'lar. Ancak şu anda sıcak haberler olan bir önlem var ve ne kadar küçükse o kadar iyi. Ama tam olarak nedir ve neden bu kadar önemlidir? Neden nanometre olarak ölçülüyor ve neden tüm Susam Sokağı'na gidiyoruz ve bu makaleyi 10, 7 ve 5 rakamlarıyla size getiriyoruz? İşlem düğümleri dünyasına bir yolculuk yapalım ...
Bir şeyleri araştırmadan önce, CPU mimarisine son bakışımızı incelemek için biraz zaman harcamaya değer. Birinci bölümde, işlemcilerin temel mimarisi ve ikinci bölümde, mühendisler plan ve tasarım onlar.
Bu makaleyle ilgili anahtar bölüm, bilgisayar çiplerinin nasıl olduğunun açıklamasıdır fiziksel olarak bir araya getirmek. Üretim sürecinin derinlemesine anlaşılmasını istiyorsanız fotolitografi bölümünü dikkatlice okumak isteyeceksiniz, bu özellikte kısaca değinilen bu noktaya daha fazla odaklanacağız:
Çip üretimi ile ilişkili en büyük pazarlama terimlerinden biri özellik boyutudur.
Yonga endüstrisinde, özellik boyutu, işlem düğümü. Bahsettiğimiz gibi İşlemciler Nasıl Tasarlanır, Bölüm 3, bu, farklı üreticiler çipin farklı yönlerini tanımlamak için ifadeyi kullandığından oldukça gevşek bir terimdir, ancak çok uzun zaman önce bir transistörün iki bölümü arasındaki en küçük boyutlu boşluğa atıfta bulundu.
Bugün daha çok bir pazarlama terimidir ve üretim yöntemlerini karşılaştırmak için çok yararlı değildir. Bununla birlikte, transistör, herhangi bir işlemcinin kritik bir özelliğidir, çünkü gruplar çip içinde yapılan tüm sayı çatırtılarını ve veri depolamasını gerçekleştirir ve aynı üreticiden daha küçük bir işlem düğümü çok istenen bir şeydir. Burada sorulması gereken açık soru neden?
İşlemciler dünyasında hiçbir şey anında gerçekleşmez ve elektrik enerjisi kaynağı gerektirmeden de gerçekleşmez. Daha büyük bileşenlerin durumlarını değiştirmeleri daha uzun sürer, sinyallerin seyahatleri daha uzun sürer ve işlemciyle ilgili elektriği taşımak için daha fazla enerji gerekir. Geniş ses çıkarmaya çalışmadan, daha büyük bileşenler daha fazla fiziksel yer kaplar, bu nedenle cipsler daha büyüktür.
Yukarıdaki görüntüde, üç eski Intel CPU'ya bakıyoruz. Soldan başlayarak 2006 Celeron, 2004 Pentium M ve 1995'ten itibaren gerçekten eski bir Pentium var. Sırasıyla 65, 90 ve 350 nm'lik bir işlem düğümü var. Başka bir deyişle, 24 yaşındaki tasarımdaki kritik parçalar 13 yaşındaki tasarımdan 5 kat daha büyük. Bir başka önemli fark, yeni çipin içinde 290 milyon transistörün bulunması, orijinal Pentium'un ise 3 milyonun biraz üzerinde olması; neredeyse yüzlerce kat daha az.
İşlem düğümündeki azalma, daha yeni tasarımın fiziksel olarak daha küçük ve daha fazla transistöre sahip olmasının nedeninin bir parçası olmasına rağmen, Intel'in bunu sunabilmesinde önemli bir rol oynar.
Ama asıl vurucu: Celeron, Pentium'un 12 W'sine kıyasla sadece yaklaşık 30 W ısı üretiyor. Bu ısı, elektriğin çipteki devrelerin etrafına itilmesiyle, çeşitli işlemler ve enerji nedeniyle enerji kaybından kaynaklanıyor. büyük çoğunluğu ısı olarak açığa çıkar. Evet, 30 12'den büyük bir sayıdır, ancak çipin yaklaşık 100 kat daha fazla transistörü olduğunu unutmayın.
Bu nedenle, daha küçük bir işlem düğümüne sahip olmanın faydaları daha küçük yongalarla sonuçlanırsa, daha hızlı geçiş yapabilen daha fazla transistör ortaya çıkarır - bu da saniyede daha fazla hesaplama yapar - ve ısı olarak daha az enerji kaybederse, başka bir soruya yalvarır: neden dünyadaki her yonga mümkün olan en küçük işlem düğümünü kullanmıyor??
Işık olsun!
Bu noktada, fotolitografi: ışık, Işık maskesi, bazı alanlarda ışığı engelleyen ve diğerlerinde ışık geçiren. İçinden geçtiği yerde ışık daha sonra küçük bir noktaya odaklanır ve daha sonra çipin üretiminde kullanılan özel bir tabaka ile reaksiyona girerek çeşitli parçaların nerede olacağını belirlemeye yardımcı olur.
Elinizin röntgeni gibi düşünün: kemikler ışınları bloke eder, fotomask olarak hareket eder, halbuki elin iç yapısının bir görüntüsünü üretir.
Görüntü kaynağı: Peellden, Wikimedia Commons
Işık aslında kullanılmıyor - eski Pentium gibi cipsler için bile çok büyük. Dünyadaki ışığın nasıl herhangi bir boyuta sahip olabileceğini merak ediyor olabilirsiniz, ancak dalga boyu. Işık, elektromanyetik dalgaelektrik ve manyetik alanların sürekli çevrimsel bir karışımıdır.
Şekli görselleştirmek için klasik bir sinüs dalgası kullanmamıza rağmen, elektromanyetik dalgaların gerçekten bir şekli yoktur. Bu daha çok, bir şeyle etkileşime girdiklerinde ürettikleri etkinin o modeli izlediği bir durum. Bu döngüsel paternin dalga boyu, iki özdeş nokta arasındaki fiziksel mesafedir: resim deniz dalgaları bir kumsala yuvarlanırken, dalga boyu bu dalgaların tepelerinin ne kadar uzakta olduğudur. Elektromanyetik dalgaların olası dalga boylarında geniş bir aralığı vardır, bu yüzden onları bir araya getirip spektrum.
Küçük daha küçük en küçük
Aşağıdaki görüntüde, ışık dediğimiz şeyin bu spektrumun sadece küçük bir parçası olduğunu görebiliriz. Bilinen başka isimler de var: radyo dalgaları, mikrodalgalar, röntgenler vb. Ayrıca dalga boyları için bazı sayılar görebiliriz; ışık 10 civarında bir yerdedir-7 metre veya yaklaşık 0.000004 inç!
Bilim adamları ve mühendisler, küçük uzunlukları ve kısaca nanometre veya nm'yi tanımlamak için biraz farklı bir yöntem kullanmayı tercih ediyorlar. Spektrumun genişletilmiş bölümüne bakarsak, ışığın aslında 380 nm ila 750 nm arasında değiştiğini görebiliriz.
Görüntü kaynağı: Philip Ronan, Gringer
Bu makaleye bir dokunuş geri dönün ve eski Celeron çipiyle ilgili kısmı tekrar okuyun - 65 nm'lik bir işlem düğümünde üretildi. Peki ışıktan daha küçük parçalar nasıl yapılabilir? Basit: Fotolitografi işlemi ışık kullanmadı, ultraviyole ışık (aka UV) kullandı.
Spektrum grafiğinde UV, 380 nm civarında (ışığın bittiği yerde) başlar ve yaklaşık 10 nm'ye kadar küçülür. Intel, TSMC ve GlobalFoundries gibi üreticiler EUV (aşırı UV), yaklaşık 190 nm boyutundadır. Bu küçük dalga sadece bileşenlerin kendilerinin daha küçük yaratılabileceği anlamına gelmez, aynı zamanda bunların genel kalitesi potansiyel olarak daha iyi olabilir. Bu, çeşitli parçaların birbirine daha yakın bir şekilde paketlenmesini sağlar ve çipin genel boyutunu küçültmeye yardımcı olur.
Farklı şirketler, kullandıkları işlem düğümü ölçeği için çeşitli isimler sunmaktadır. Intel, halk için en yeni olanı P1274 veya "10 nm" derken TSMC sadece "10FF" demektedir. AMD gibi işlemci tasarımcıları düzen ve yapıları oluşturma daha küçük proses düğümleri için ve daha sonra "7 nm" yüksek hacimli üretim hatlarını yükselten TSMC'nin beğenilerine güveniyor bu yılın başında. Bu üretim ölçeğinde, en küçük özelliklerin bazıları sadece 6 nm'dir (ancak çoğunluk bundan daha büyüktür).
Aslında 6 nm'nin gerçekte ne kadar küçük olduğunu anlamak için, işlemcinin kütlesini oluşturan silikon atomları kabaca 0,5 nm aralıklarla yerleştirilir, atomların kendileri kabaca 0,1 nm çapındadır. Bu nedenle, bir basketbol sahası figürü olarak, TSMC'nin fabrikaları, bir transistörün genişliğini 10'dan az silikon atomunu kapsayan yönleriyle ilgilenir.
Atomları hedefleme zorluğu
Çip üreticilerinin sadece bir avuç atom olan özelliklere doğru çalıştığı akıl almaz gerçeğini bir kenara bırakarak, EUV fotolitografisi bir sürü ciddi mühendislik ve üretim problemi yarattı.
Intel özellikle mücadele etti 10 nm üretimini 14 nm bir ve geçen yılki ile aynı seviyeye çıkarmak için GlobalFoundries tüm gelişimi durdurdu 7 nm ve daha küçük üretim sistemlerinden Intel ve GF'nin sorunları EUV fotolitografinin doğasında var olan zorluklardan kaynaklanmasa da, tamamen ilişkisiz olamazlar.
Bir elektromanyetik dalganın dalga boyu ne kadar kısa olursa, o kadar fazla enerji taşır, bu da üretilen çipte hasar için daha büyük bir potansiyel sağlar; çok küçük ölçekli imalat, kirlenmeye ve kullanılan malzemelerdeki kusurlara karşı oldukça duyarlıdır. Kırınım sınırları ve istatistiksel gürültü (EUV dalgası tarafından aktarılan enerjinin yonga katmanına biriktiği yerlerde doğal varyasyon) gibi diğer konular da% 100 mükemmel talaş elde etme hedefine karşı komplo kurar.
Bir çipte iki üretim hatası. Kaynak: Katı Hal Teknolojisi
Atomların garip dünyasında, elektrik akışının ve enerji transferinin artık klasik sistemleri ve kuralları takip edemeyeceği varsayımı da var. Elektriği hareketli atomlar (atomları oluşturan üç parçacıktan biri) şeklinde tutmak, iletkenleri birbirine yakın bir şekilde aralıklı olarak akıtmak, alıştığımız ölçekte nispeten kolaydır - iletkenleri kalın bir yalıtım tabakasıyla sarın .
Intel ve TSMC'nin çalıştığı seviyede, yalıtım gerçekten yeterince kalın olmadığı için bunu başarmak çok daha zorlaşıyor. Bununla birlikte, şu an için üretim sorunları neredeyse tamamen EUV fotolitografinin doğasında var olan problemlerle ilgilidir, bu yüzden Nvidia'nın kuantum davranışını AMD veya diğer benzer saçmalıklardan daha iyi ele aldığı forumlarda tartışmaya başlayabilmemiz için birkaç yıl geçecek!
Çünkü asıl sorun, üretim zorluklarının arkasındaki nihai sebep, Intel, TSMC ve tüm imalatçıları işletmelerve sadece gelecekteki geliri elde etmek amacıyla atomları hedefliyorlar. İçinde iş araştırma makalesi Mentor, ne kadar daha fazlası için aşağıdaki genel bakış sunuldu gofret daha küçük proses düğümleri için maliyet.
Örneğin, 28 nm işlem düğümünün Intel'in Haswell serisi CPU'larını (Core i7-4790K gibi) üretmek için kullandığı ile aynı olduğunu varsayarsak, 10 nm sistemi gofret başına neredeyse iki kat daha pahalıya mal olur. Her gofretin üretebileceği yonga sayısı büyük ölçüde her çipin büyüklüğüne bağlıdırancak daha küçük bir işlem ölçeği ile gitmek, bir gofretin potansiyel olarak satmak için daha fazla fiş getirebileceği anlamına gelir ve maliyetlerdeki artışı dengelemeye yardımcı olur. Nihayetinde, bu maliyetin büyük bir kısmı, ürün perakende fiyatını yükselterek tüketiciye düşürülecektir, ancak bunun endüstri talebine göre dengelenmesi gerekmektedir.
Son birkaç yılda akıllı telefon satışlarındaki artış, evlerde ve arabalarda akıllı teknolojide neredeyse üstel bir büyümeyle birlikte, yonga üreticilerinin tüm sistem olgunlaşana kadar daha küçük işlem düğümlerine gitmekten finansal darbeyi emmek zorunda kaldığı anlamına geliyor. yüksek verimli gofretleri (yani mümkün olduğunca az kusur içerenleri) yüksek hacimlerde kesecek kadar. Bahsettiğimiz göz önüne alındığında milyarlarca riskli bir iş ve GlobalFoundries'in işlem düğümü yarışından kurtarılmasının nedeninin iyi bir parçası.
Gelecek görünüşü
Bunların hepsi biraz kıyamet ve kulağa geliyorsa, yakın geleceğin olumlu göründüğünü unutmamalıyız. Samsung ve TSMC, hacim ve gelir açısından sadece 7 nm üretim hatlarını sağlıklı bir marjla çalıştırmakla kalmıyor, aynı zamanda yonga tasarımcıları da ürünlerinde birden fazla düğüm kullanarak ilerlemeyi planlıyor. Son zamanlarda, bunun en dikkat çekici örneği, AMD'nin yakın zamanda piyasaya sürülen yonga tasarımıydı. 3. nesil Ryzen CPU'lar.
Bu üst düzey masaüstü PC işlemcisi, TSMC'nin 7 nm düğümünde üretilen iki çip ve GlobalFoundries tarafından üretilen bir 14 nm çip olacak. Birincisi gerçek işlemci parçaları olacak, ikincisi ise CPU'ya bağlı DDR4 belleği ve PCI Express cihazlarını işleyecek. Bu tasarımın amaçlandığı gibi çalıştığını varsayarsak (ve olması gerektiğinden şüphe etmek için hiçbir neden yoktur), o zaman bu çok düğümlü kurulumu izleyen neredeyse daha fazla şirket göreceğiz.
Yukarıdaki görüntü Intel'in işlem düğümünde son 50 yılda meydana gelen değişiklikleri göstermektedir. Dikey eksen, düğüm boyutunu 10 faktörle gösterir, en baştan 10 000 nm'de başlar. Çip devi, 4.5 yıllık kaba bir düğüm yarı ömrünü (düğüm boyutunu her seferinde yarıya indirmek için geçen süre) izledi.
Yani bu 2025 yılına kadar 5 nm Intel göreceğimiz anlamına mı geliyor? Muhtemelen evet, 10 nm ile son tökezlemelerine rağmen. Samsung ve TSMC ilerlemektedir 5 nm araştırmaları sayesinde gelecek her türlü işlemciye iyi geliyor.
Daha az enerji kullanarak daha küçük ve daha hızlı olurlar ve daha fazla performans sunarlar. Tam otonom arabalara, mevcut akıllı telefonların güç ve pil ömrüne sahip akıllı saatlere ve on yıl önce milyonlarca dolarlık filmlerde görülen her şeyin ötesindeki oyunlarda grafiklere yol açacaklar.
Gelecek gerçekten parlak, çünkü gelecek küçük.