9 мая 2021
Переход на 2 нм и тонкости техпроцесса
Владимир Нимин
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.
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.
Интересно, при каком размере транзисторов, ну или техпроцессе, начнут проявляться «квантовые эффекты», и дальнейшее уменьшение станет невозможно?
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.
Интересно, как бороться с напряжённостью поля внутри пикометрового транзистора? И что делать с напряжением смещения. Какие то пределы есть и по напряжению.
Обернут транзисторы в графеновую фольгу, залитую по принципу поверхностного натяжения))
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.
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.
Думаю они уже сейчас проявляются. Но находят возможность их компенсировать. Глядишь, со временем научаться не только компенсировать, а даже использовать на благо.
У IBM вроде как раз очень крутое направление по квантовым компьютерам ))
Если у квантового процессора квантовый эффект — это основной счётный механизм (гуглить «кубит»), то для обычного транзисторного это паразитный эффект, который наоборот портит его работу.
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.
Имеется в виду — туннельный эффект? В логической схеме, начинает происходить, слишком много ошибок, и их уже невозможно компенсировать, просчитать. Я правильно понимаю?
Ну типа ага )
Почему возможно? Обязательно будут — любой более бюджетный новый процессор, это производительность более флагманского предыдущего поколения.
Ну, это вы зря программистов недооцениваете. Многие товарищи могут написать такой говнокод, что зависнет самый мощный процессор в каком-нибудь самом обычном приложении-калькуляторе..
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.
А у меня в видеокарте техпроцесс 110 нанометров:))
После 2 нм пойдет 1 нм, а после 1 что?
Будет уже 0,90 нм? Или -1 нм?
Пикометры дальше идут, а потом фемтометры, за это не переживайте )
Сначала по ангстремам пройдутся.
Скорее пересядут на что-нибудь фотонное.
Вам приятно знать что технологии развиваются, а вот в регионах людям жрать нечего….
если бы технологии не развивались, людям жрать было бы нечего не только в регионах, но и вообще почти везде.
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?
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?
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.
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.
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…
А как первое связано со вторым?
А в Африке дохнут от обезвоживания. И в интернете кто-то постоянно не прав.
Не хочешь — не жри.
Другие тут при чём?
Я то как раз хочу поесть! ?♂️
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.
В общем, переход на всякие арсениды галлия и т.д. снова откладывается?
Кремний ещё поборется? ))