Техпроцесс что это процессор

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.

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.

Источник

Что такое техпроцесс: меньше — лучше?

Разбираемся в том, что такое техпроцесс, и почему меньше нанометров – это не всегда лучше.

Для многих пользователей главными характеристиками любого процессора до сих пор остаются количество используемых в нем ядер и его тактовая частота. Конечно, отчасти это правда, от них действительно зависит очень многое. Но помимо этого на производительность и энергоэффективность процессора напрямую влияет еще однин не менее важный параметр — технологический процесс.

Сегодня мы расскажем о том, что понимается под техпроцессом, и развеем несколько ошибочных мифов, связанных с этим понятием. Но для лучшего понимания ситуации стоит начать немного издалека.

Немного теории

Любой процессор состоит из множества транзисторов — переключателей, которые могут находиться в одном из двух положений — 1 и 0. Когда через транзистор проходит ток, на выходе мы имеем единицу, когда тока нет — ноль. Отсюда взялись и все низкоуровневые языки программирования, которые напрямую оперируют нулями и единицами.

В пятидесятых годах прошлого тысячелетия роль транзистора играла обычная вакуумная лампочка, из-за чего первые слабенькие компьютеры с несколькими тысячами транзисторов занимали собой целые комнаты. Революция произошла в начале 60-х годов, когда на свет появились первые полевые транзисторы.

Основа любого транзистора — кремний. На него наносятся два удаленных друг от друга слоя проводника — вход и выход. Поскольку проводники находятся на некотором расстоянии друг от друга, при подаче напряжения на вход на выходе по-прежнему остается «0» (нет тока). Для того, чтобы ток мог пройти от одного проводника к другому, на кремниевую подложку наносится еще один на сей раз изолированный проводник, назовем его затвор. Сам по себе затвор не сможет передать ток от входа транзистора на выход (помним, что он изолирован), но при подаче на него тока, вокруг затвора создается электрическое поле, позволяющего току течь от входа проводника на выход. В этом случае транзистор переходит в положение «1» (ток есть).

С каждым годом размеры транзисторов становились все меньше, а плотность их размещения на кристалле увеличивалась. Но по мере уменьшения размеров транзисторов наступил момент, когда затвор уже не мог блокировать ток от входа к выходу — электроны просто проходили через него. И именно в этот момент в сфере полупроводников произошла еще одна революция — место планарных или плоских транзисторов заняли трехмерные, у которых проводящий канал оказался приподнят над кремниевой подложкой. Из-за этого затвор оборачивает его уже с трех сторон, в результате чего он может лучше управлять током. Такая структура транзисторов получила название FinFET, и именно ее использование помогло производителям продолжить уменьшать размеры транзисторов и увеличивать плотность их размещения до когда-то небывалых значений.

Закон Мура и зачем уменьшать транзисторы

Еще в 1975 году основатель Intel Гордон Мур вывел одно эмпирическое наблюдение, получившее название закон Мура. Согласно ему, количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 24 месяца. Но зачем вообще нужно увеличивать плотность размещения транзисторов и уменьшать их размеры?

Очевидно, что процессор с несколькими тысячами транзисторов намного слабее, вмещающего в себя 11 миллионов. Но помимо очевидного роста производительности, уменьшение размера транзистора улучшает и его энергоэффективность: чем меньше транзистор, тем меньший ток, требуется для его работы. Уменьшение же размеров затвора снижает время необходимое для переключения транзистора из одного состояния в другое — он начинает работать быстрее.

Что такое техпроцесс

Когда-то давно под техпроцессом понимался размер затвора транзистора, т.е. при 32-нм техпроцессе длина затвора равнялась тем самым 32 нм. Но именно с 32 нм производители перестали придерживаться этого правила, а само понятие техпроцесса во многом превратилось в маркетинговый ход.

Конечно, бытует мнение, что не все так плохо. К примеру, часто можно встретить утверждение, что после разделения понятий «длина затвора» и «техпроцесс», последний оказался напрямую привязан к уже упоминавшемуся нами закону Мура. Раз количество транзисторов на кристалле удваивается каждые два года, то размеры транзистора уменьшаются вдвое, т.е сторона такого транзистора уменьшается в 0,7 раза.

Это была, наверное, последняя попытка производителей хоть как-то упорядочить понятие техпроцесса. Сейчас же он действительно превратился в своеобразный маркетинговый ход, который не имеет ничего общего с реальными цифрами. Более того, 10-нм техпроцесс у одного производителя может кардинально отличаться от того, что под ним понимает другой чипмейкер.

К примеру, 10-нм техпроцесс TSMC использует транзисторы размерами 66х42 нм против 54х44 нм у аналогичного техпроцесса Intel. И, по сути, 10-нм техпроцесс Intel сопоставим с 7-нм у TSMC. Точнее, он сопоставим с ним по размерам транзисторов. Поэтому прогресс по количеству нанометров, по сути, можно рассматривать лишь внутри продукции одной компании.

В то же время, логика «чем меньше, тем лучше» также может стать ошибочной. Все дело в том, что при повышении плотности кристалла на текущем уровне технологий может увеличиваться его нагрев. Следствием этого становятся троттлинг и серьезное снижение производительности. Такие кристаллы хороши в спринте, но не очень подходят для марафонов, т.е. длительных нагрузок. Именно это в полной мере справедливо для таких платформ, как 4-нм Snapdragon 888 и 5-нм Samsung Exynos 2100. Они бесспорно намного производительнее предшественников на коротких дистанциях, но при продолжительной нагрузке преимущество этих SoC тает из-за сильного перегрева и троттлинга.

Выводы

Несмотря на то, что в последнее время понятия техпроцесс и нанометры превратились в маркетинг, они все еще позволяют оценить прогресс в рамках продукции одного производителя. Иными словами, в большинстве случаев чем меньший техпроцесс используется при производстве процессора, тем больше в нем транзисторов и тем больше его итоговая производительность.

Впрочем, важно понимать, что это в полной мере актуально лишь для максимальной производительности процессора, а скорость его работы на длинной дистанции зависит еще и от того, насколько удачна используемая в нем микроархитектура, не перегревается ли процессор, и не испытывает ли он проблемы с троттлингом.

Источник

Что такое техпроцесс и зачем его уменьшать

Современные смартфоны становятся все более и более многоядерными, производительность увеличивается не по дням, а по часам. Производители соревнуются между собой, хвастаясь техпроцессом, по которому произведен чип. Чем дальше развивается индустрия смартфонов, тем чаще мы слышим про этот загадочный техпроцесс, который то и дело уменьшается. А еще про нанометры, в которых он измеряется. Что это такое, зачем производители его уменьшают? Как уменьшение техпроцесса отражается на долговечности чипов?

Рассказываем все, что нужно знать о техпроцессе и почему он постоянно уменьшается

Что такое техпроцесс

Производство современных гаджетов основывается на полупроводниковой электронной технике. Для этого используются кристалл кремния — одного из самых распространенных элементов, встречающихся в природе. Этот материал стал важен после того для производства транзисторов, как из производства техники ушли громоздкие ламповые системы, занимающие много места. Процессоры, чипы памяти, контроллеры, различные датчики — для всего этого используется кремний, точнее, кремниевые кристаллы.

Техпроцесс сильно влияет на энергоэффективность устройств

Эта технология используется уже давно и постоянно совершенствуется: меняются только технологии создания чипов. Они уменьшаются и становятся более производительными и энергоэффективными.

В чем измеряется величина техпроцесса

Нанометр будет сложновато увидеть невооруженным глазом

Например, чем ниже техпроцесс, тем более мощные чипы можно устанавливать даже в самые незамысловатые повседневные гаджеты: умные часы, Bluetooth-наушники. Именно поэтому устройства дольше не разряжаются (во всяком случае, пытаются). В ноутбуках и персональных компьютерах уменьшение техпроцесса помогает упростить систему охлаждения, делая их более компактными. Еще больше познавательных статей ищите в нашем Яндекс.Дзен!

На что влияет техпроцесс

При уменьшении техпроцесса производители получают возможность сделать производительный чип, не потеряв в быстродействии. Не стоит думать, что с уменьшением техпроцесса уменьшается и сам чип — на том же увеличивается количество размещенных ядер процессора — этому способствует более плотное расположение транзисторов по сравнению с предыдущим техпроцессом.

Техпроцесс производства Snapdragon невероятно изменился за 8 лет

Благодаря более энергоэффективным чипам смартфоны стали работать гораздо дольше. Постоянно увеличивать емкость аккумуляторов в смартфонах и планшетах тоже невозможно, поэтому производители работают над тем, чтобы внедрить самые последние техпроцессы в свои разработки. За последние годы разработка чипов улетела в другую галактику: Qualcomm Snapdragon 200, выпущенный в 2013 году, был изготовлен по 45-нанометровой технологии, а последний топовый Snapdragon 888 — уже по 5-нанометровому техпроцессу. Думаю, говорить о разнице в энергоэффективности таких чипов даже не стоит.

Как нас обманывают производители смартфонов

К сожалению, иногда производители используют прогресс в корыстных целях. Точнее, в маркетинговых. Зачастую заявление об очередном уменьшении техпроцесса — настоящий обман. Так однажды техноблогер Roman Hartug провел собственное исследование, сравнив процессоры Intel и AMD. Выяснилось, что различия в архитектуре оказались минимальными и незначительными — 24-нанометровая технология процессора Intel и 22-нанометровая у AMD были схожи, а погрешность незначительна. Безумной разницы в разработках, о которых говорили производители, просто не может быть — это всё маркетинговые уловки, на которые идут компании ради красного словца.

Зачастую уменьшение техпроцесса — обычная маркетинговая уловка

Samsung не раз ловили на обмане пользователей: компания заявляла, что ее 8-нанометровая технология — это доработанная 10-нанометровая. Некоторые всё же стараются не использовать маркетинговые уловки. Например, производительность процессоров AMD Ryzen действительно является плодом упорной работы инженеров над архитектурой. Основной минус этой гонки техпроцессов — однажды производители упрутся в потолок возможностей, придется думать над дальнейшим совершенствованием продукции. Как это будет происходить — покажет лишь время.

Что такое деградация процессора

Убить процессор весьма сложно. Но этому способствует естественная деградация — процесс разрушения внутренних элементов. Под воздействием тока, протекающего через внутренние элементы, и высоких температур характеристики со временем ухудшаются. Проявляется это в частых ошибках, невозможности работы на прежних скоростях. Уменьшение техпроцесса играет в этом определенную роль: с уменьшением внутренней архитектуры увеличивается и плотность «упаковки» элементов, а также плотность электрического тока. Процесс деградации ускоряется при неправильном температурном режиме и повышенном напряжении. Заметили что-то неладное в своем смартфоне? Поможем советом в нашем Telegram-чате!

Стал чаще зависать смартфон? Возможно, в этом виновата деградация процессора

Деградация процессора — одна из причин, почему смартфоны и другие устройства начинают хуже работать спустя какое-то время. Если присматриваете устройство, но слишком много внимания уделяете цифрам техпроцесса, по которому изготовлен чип, задумайтесь о последствиях. Практика показывает, что чем новее техпроцесс, тем быстрее начинается деградация процессора.

Мы попытались объяснить простым языком нюансы техпроцесса. На самом деле он намного сложнее. Но уменьшение техпроцесса изготовления чипов — нормальное явление. Оно влияет на энергоэффективность и производительность. К сожалению, иногда мы становимся жертвами маркетинговых приемов, переплачивая за то, чего, по сути, нет. К тому же, у уменьшения техпроцесса есть свои минусы, например, более быстрая деградация процессора. В достижениях могут соревноваться производители, но нам, покупателям, пожалуй, в этом не стоит участвовать.

Источник

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.

Источник