9 мая 2021

Переход на 2 нм и тонкости техпроцесса

Иан Катрис с AnandTech написал интересную заметку о новом первом в мире 2 нм процессоре от IBM. Вещь интересная, так что считаю полезным поделиться. 

По материалам AnandTech

Каждое новое десятилетие проверяет на прочность пределы закона Мура, и это десятилетие ничем не отличается. Благодаря Extreme Ultra Violet (EUV) и другим технологическим улучшениям появилась возможность ещё больше уменьшить размер транзисторов.

Тут следует пояснить, что несмотря на то, что новость озаглавлена как «переход на технологический процесс производства 2 нм», это переход не в классическом понимании. Дело в том, что раньше уменьшение техпроцесса было эквивалентной метрикой для размера элемента на кристалле в 2D (в смысле, в двух измерениях, то есть на плоскости), например, так было с 90 нм, 65 нм и 40 нм. Однако с распространением технологии производства FinFETs и 3D-дизайна транзисторов произошло изменение, и теперь для простоты по-прежнему говорят «5-нанометровые транзисторы», но понимают как «пятинанометровые транзисторы в эквиваленте 2D-дизайна». По факту некоторые вспомогательные части транзисторов (например, ребра с изоляцией) могут быть «толще», чем 5 нм. Однако тут нанометровая метрика используется в контексте повышения плотности расположения транзисторов на плате.  То есть транзисторы могут быть толще, но на плоскости их разместили так, что это количество соответствует заявленному техпроцессу. 

В пресс-релизе говорится, что разработка IBM 2-нм техпроцессов улучшит производительность на 45% при той же мощности или приведет к 75% энергоэффективности при той же производительности по сравнению с современными 7-нм процессорами. IBM также подчеркивает, что компания была первой как при разработке 7 нм техпроцесса в 2015 году, так и 5 нм в 2017 году. При этом с 5 нм произошел переход с FinFET на технологии нанолистов, которые позволяют более точно настраивать характеристики напряжения отдельных транзисторов.

Таким образом, IBM заявляет, что, во-первых, она по-прежнему великая и инновационная компания, а, во-вторых, с помощью этой технологии можно разместить «50 миллиардов транзисторов на микросхеме размером с ноготь». Журналисты Anandtech первым делом обратились к IBM с просьбой разъяснить, что в компании понимают под размером ногтя, и получили ответ, что речь о площади 150 квадратных миллиметров. Таким образом, плотность транзисторов IBM составляет 333 миллиона транзисторов на квадратный миллиметр.

Пиковая плотность транзисторов в миллионах транзисторов на квадратный миллиметр
Размеры IBM TSMC Intel Samsung
22нм 16.5
16нм/14нм 28.88 44.67 33.32
10нм 52.51 100.76 51.82
7нм 91.2 237.18 95.08
5нм 171.3
3нм 292.21
2нм 333.33
Данные собраны из доступных открытых источников. У разных производителей понимание техпроцесса и плотности может отличаться.

Как видите, у разных производителей официальные названия техпроцессов обладают разной плотностью. Стоит отметить, что значения плотности часто указываются как пиковая плотность для компоновки транзисторов. Однако, например, самые быстрые части процессора могут обладать даже в 2 раза меньшей плотностью расположения транзисторов. Обычно это связано с вопросами температуры (то есть, по сути, им дают больше пространства, чтобы они в кучке не перегревались и не выходили из строя).

Судя по картинкам, IBM использует трехступенчатую технологию посадки транзисторов (Gate-All-Around — GAA). Samsung планирует использовать GAA при переходе на 3 нм, а TSMC хочет подождать до перехода на 2 нм. В свою очередь, Intel по ожиданиям аналитиков перейдет на GAA при производстве процессоров по техпроцессу 5 нм. 

GAA в разрезе. То есть башенки транзисторов всё выше, но в 2D это рост количества транзисторов на одной площади.

Трехступенчатая GAA башенка от IBM обладает высотой 75 нм и шириной 40 нм. Расстояние между блоками — 5 нм.

Если вас интересует, почему вообще IBM является первой компанией, разработавшей 2-нм техпроцесс, то ответ прост. Сегодня IBM обладает одним из ведущих мировых R&D (исследовательским центром) по полупроводниковым технологиям. Несмотря на отсутствие портфеля привычных коммерческих решений на продажу (как у Samsung или Qualcomm), IBM вместе с другими компаниями занята разработкой.  

Также тут можно отметить, что IBM продала свое производство GlobalFoundries (это американская компания, занимающаяся производством полупроводниковых интегральных схем) с 10-летним партнерским соглашением еще в 2014 году. Ещё IBM в настоящее время работает с Samsung и недавно объявила о партнерстве с Intel. Несомненно, Intel и Samsung будут сотрудничать с IBM, так как обе компании разрабатывают собственные коммерческие чипсеты. 

Кроме пресс-релиза, фотографию «вафли» (wafer – полупроводниковая пластина, на поверхности которой производится массив полупроводников и интегральных схем) и заявления, что продукт создали в исследовательской лаборатории в Олбани, пока что никакой подробной информации IBM не представила, так что можно предположить, что на текущий момент собрали лишь демо-образец с базовой логикой, демонстрирующий, что в целом всё работает. 

Заключение

2 нм чипсеты или процессоры – это вещь, безусловно, интересная. Например, учитывая, что и текущую мощность чипсетов в смартфонах некуда девать, возможно, будут представлены новые энергоэффективные решения, которые при сохранении текущих показателей производительности будут на 75% экономичнее. А вот процессорам в ноутбуках больше пригодится прирост производительности. 

Интересно, что получается, что IBM значительно обходит по времени остальных игроков рынка. Впрочем, TSMC говорит, что уже в следующем году перейдет на производство чипсетов и процессоров по технологии 4 нм и 3 нм. 

Так как IBM в основном разрабатывает решения для собственных нужд, непонятно, когда будут представлены конкретные продукты. Хотя, учитывая сотрудничество с Intel и Samsung, наработки IBM могут опосредованно попасть на рынок. Ну и для полноты картины стоит отметить, что в этом году IBM планирует представить свой собственный 7-нм процессор, который будет использоваться в Power Systems (Power Systems – это линейка серверов от IBM, работающая на архитектуре POWER (RISC)).

Очевидно, что порядок вещей релиз IBM не изменит и на рынок 2 нм чипсеты раньше времени не попадут. Однако хорошо знать, что технологии развиваются, а нам как пользователям электроники есть чему радоваться и удивляться.

Читайте также

35 комментариев на «“Переход на 2 нм и тонкости техпроцесса”»

  1. ArtemCatharsis:

    Интересно, при каком размере транзисторов, ну или техпроцессе, начнут проявляться «квантовые эффекты», и дальнейшее уменьшение станет невозможно?

    • Bored Cat:

      Для кремниевых транзисторов на данном этапе развития технологий теоретическим достижимым пределом считается 1 нм. Но для новых типов транзисторов, которые сейчас разрабатываются (на основе графена, к примеру), это не является пределом, там возможен переход уже на пикометры.

      • stawer.petr:

        Интересно, как бороться с напряжённостью поля внутри пикометрового транзистора? И что делать с напряжением смещения. Какие то пределы есть и по напряжению.

        • Ом Гауранга:

          Обернут транзисторы в графеновую фольгу, залитую по принципу поверхностного натяжения))

        • romanlt:

          Уменьшать рабочее напряжение — как и сейчас.
          Но проблема даже не в этом, а в квантовых эффектах, вовсю работающих на таких размерах. Электроны будут скакать по такому чипу, как куры по курятнику, невзирая на управляющие сигналы.

      • Donkey IAIAIA:

        Так сказали же, что эти 2 нм не являются физическим размером транзистора. Сделают столбик из 8ми транзисторов, вместо трех (или их там 4 на картинке?), получат пикометры.

    • Lecron:

      Думаю они уже сейчас проявляются. Но находят возможность их компенсировать. Глядишь, со временем научаться не только компенсировать, а даже использовать на благо.

      • KaerLaeda:

        У IBM вроде как раз очень крутое направление по квантовым компьютерам ))

        • romanlt:

          Если у квантового процессора квантовый эффект — это основной счётный механизм (гуглить «кубит»), то для обычного транзисторного это паразитный эффект, который наоборот портит его работу.

      • romanlt:

        Именно так.
        Именно поэтому размер площадки транзистора в плане — не более 25нм и это квантовый предел для кремния: начинаются спонтанные переходы электронов в заметном кол-ве через закрытый канал,и транзистор начинает вести себя непредсказуемо.
        Именно поэтому транзисторы начали расти «вверх», в 3D.

        • ArtemCatharsis:

          Имеется в виду — туннельный эффект? В логической схеме, начинает происходить, слишком много ошибок, и их уже невозможно компенсировать, просчитать. Я правильно понимаю?

  2. Lecron:

    возможно, будут представлены новые энергоэффективные решения, которые
    при сохранении текущих показателей производительности будут на 75%
    экономичнее.

    Почему возможно? Обязательно будут — любой более бюджетный новый процессор, это производительность более флагманского предыдущего поколения.

  3. учитывая, что и текущую мощность чипсетов в смартфонах некуда девать

    Ну, это вы зря программистов недооцениваете. Многие товарищи могут написать такой говнокод, что зависнет самый мощный процессор в каком-нибудь самом обычном приложении-калькуляторе..

    • Me Ku:

      Не просто могут, а и пишут. Плюс надо же обрабатывать все рекламные запросы и параллельный анализ потребительского поведения, когда смартфоны несмотря на рост ядер и мощностей и отсутствие роста функционала продолжают исправно тормозить.

  4. Лось qu:

    А у меня в видеокарте техпроцесс 110 нанометров:))

  5. Aлкoгoлиk и3 Mockвы:

    После 2 нм пойдет 1 нм, а после 1 что?

    Будет уже 0,90 нм? Или -1 нм?

  6. Беломорканал:

    Вам приятно знать что технологии развиваются, а вот в регионах людям жрать нечего….

    • Михаил Мирошниченко:

      если бы технологии не развивались, людям жрать было бы нечего не только в регионах, но и вообще почти везде.

      • Lecron:

        С чего бы? Технологии развиваются, производительность и потребление должно расти пропорционально, однако со второй половины прошлого века особых изменений нет. Так куда уходит весь выхлоп автоматизации и общего совершенствования производства?

        • Михаил Мирошниченко:

          Я вас не совсем понял, или вы хотите сказать, что технологии за последние лет 50 никак не продвинулись, а качество жизни с помощью этих самых технологий никак не поменялось?

          • Lecron:

            Не качество жизни с помощью технологий, а качество производства, которое должно влиять на качество жизни даже в неинновационных областях.
            Как пример. Строят у нас в городе завод. Стоимость единицы товара, обычного классического товара, на 40% ниже, чем у завода построенных в 90-е годы (по миру). Думаете другие менее эффективны? Везде прирост. Но на доступность конечного товара конечному потребителю, это почему-то не влияет.

        • Anton:

          Он нивелируется повышением степени эксплуатации рабочей силы и вообще общей моделью работы мировой экономики в условиях империализма.

        • Так и есть — рост благосостояния сильно отстаёт от роста производительности. Разница уходит в карман олигархов.

      • Беломорканал:

        Нет, в мире всегда кто-то жирует, а кто-то голодает, даже без всяких технологий. Просто те кто жирует, приятно видеть что кто-то голодает, иначе какой смысл так много жрать…

    • Sergey Aleksandrovich M:

      А как первое связано со вторым?

    • Vin:

      А в Африке дохнут от обезвоживания. И в интернете кто-то постоянно не прав.

    • KaerLaeda:

      Не хочешь — не жри.
      Другие тут при чём?

  7. Vin:

    Вот читаешь все эти описания «… на 45% улучшит производительность…», «… на 75% более энергоэффективные…» и думаешь, что уже на техпроцессе в 10 нм чипы должны сами вырабатывать электроэнергию и холод, по сравнению с 90 нм.

  8. KaerLaeda:

    В общем, переход на всякие арсениды галлия и т.д. снова откладывается?
    Кремний ещё поборется? ))

  9. ReneeWolf:

    ¡Eso es genial!! Estoy completamente obsesionado con ello.🤩
    ——>>>http://SASSYALL.SITE/IF27841gI