Техпроцесс карты. Технологический процесс в электронной промышленности. Техпроцесс процессоров на смартфонах

Корпорация Intel подтвердила задержку массового производства центральных процессоров с применением 10-нм технологического процесса до второй половины 2017 года. Производитель микросхем утверждает, что в связи с трудностями в освоении новых норм производства ей придётся растянуть жизненный цикл 14-нм техпроцесса для CPU ещё на год. Таким образом, в следующем году Intel представит процессоры Kaby Lake, а Cannonlake выйдут только в 2017-м. Руководство Intel признало, что вследствие усложнения производства микросхем знаменитый закон Мура может подвергнуться трансформации. Тем не менее, в отличие от конкурентов, Intel не планирует упрощать характеристики новой технологии производства, чтобы ускорить её выход на рынок. В корпорации уверены, что её 10-нм технологический процесс станет лучшим в индустрии.

Цикличность закона Мура увеличивается

Когда Гордон Мур (Gordon Moore) впервые сделал своё наблюдение об удвоении числа транзисторов в интегральных схемах в 1965 году, он отметил, что их количество увеличивается в два раза каждые 12 месяцев. В 1975 году он пересмотрел своё наблюдение и сделал прогноз, что число транзисторов в микросхемах будет удваиваться каждые два года. В последние несколько лет производственные технологии и интегральные схемы стали настолько сложными, что это привело к удлинению циклов перехода от одного техпроцесса на другой. Как следствие, количество транзисторов в чипах теперь удваивается каждые два с половиной года или реже. В результате корпорация Intel по факту вынуждена производить не два, а три семейства микропроцессоров, используя одну и ту же технологию.

«Последние два перехода на новые технологии показали, что длина цикла сегодня составляет около двух с половиной лет», — сказал Брайан Кржанич (Brian Krzanich), исполнительный директор Intel, в ходе ежеквартальной телеконференции компании с инвесторами и финансовыми аналитиками. « В соответствии с этим, во второй половине 2016 года мы планируем представить Kaby Lake, третье поколение наших 14-нм продуктов, которые будут базироваться на фундаменте архитектуры Skylake, но иметь ключевые улучшения в производительности . Мы ожидаем, что это нововведение в нашем перспективном плане представит новые возможности и увеличит скорость вычислений, одновременно проложив путь для плавного перехода на 10 нм».

Не все техпроцессы одинаковы

Intel намерена начать производство своих микросхем под кодовым названием Cannonlake с использованием 10-нм технологии производства лишь во второй половине 2017-го. Судя по сообщениям неофициальных источников, корпорация Samsung планирует начать массовое производство микросхем по технологии 10 нм уже в 2016 году. Таким образом, Samsung может опередить Intel в области освоения передовых техпроцессов.

Теоретически, отставание может представлять проблему для Intel, поскольку более тонкие нормы производства означают возможность снизить энергопотребление и увеличить производительность. Хотя процессоры Intel не конкурируют напрямую с процессорами Apple A и Samsung Exynos (именно их Samsung производит с использованием передовых технологий), устройства на базе Intel конкурируют с таковыми на базе указанных чипов. Как следствие, при увеличении популярности подобных устройств уменьшится популярность электроники на основе продукции Intel.

Тем не менее, стоит понимать, что 10 нм — это лишь наименование технологического процесса, указывающее на одну из его характеристик. Все производственные процессы Intel, как правило, превосходят аналогичные технологии других производителей полупроводников. Так, 14-нм и 16-нм FinFET технологии Samsung, GlobalFoundries и TSMC хоть и используют уменьшенные транзисторы, базируются на межблочных соединениях от 20-нм техпроцессов. Таким образом, размер микросхем, произведённых по технологиям 14LPE и CLN16FF, не отличается от тех, что изготовлялись с использованием менее совершенных процессов, что не даёт возможности серьёзно увеличить их транзисторный бюджет по сравнению с предшественниками.

По сравнению с технологиями изготовления микросхем других производителей полупроводников, новые техпроцессы Intel всегда и по всем характеристикам превосходят своих предшественников. Так, 14-нм техпроцесс Intel не только увеличивает частотный потенциал и уменьшает энергопотребление, но и увеличивает плотность транзисторов, что даёт возможности интегрировать в микросхемы больше функциональных блоков.

Intel: Мы останемся лидерами в индустрии полупроводников!

Исполнительный директор Intel подчеркнул, что компания не пойдёт на использование разного рода ухищрений, чтобы формально продекларировать переход на техпроцесс 10 нм. Новая технология изготовления уменьшит размеры как транзисторов, так и межблочных соединений, что максимизирует плотность элементов, уменьшив стоимость микросхем в пересчёте на транзистор.

«Мы считаем, если вы посмотрите на масштабирование [ 10- нм техпроцесса в сравнении с 14-нм], то оно будет достаточно серьёзным по сравнению с типичным при переходе от одного к процесса к другому», — сказал господин Кржанич. «Я не дам вам точные цифры сейчас. Но мы считаем, что если объединить все [инновации, связанные с 10-нм технологией] вместе, наша лидирующая позиция [в индустрии] не изменится, даже в связи с отсрочкой [начала поставок микросхем]».

Глава Intel не стал раскрывать большого количества деталей о 10-нм технологическом процессе, а также точных причин задержки начала его применения. Тем не менее, он намекнул, что новая технология производства использует «улучшенные» транзисторы с вертикально расположенным затвором (FinFET), а также иммерсионную литографию с мультипаттернингом.

«Каждый [техпроцесс] имеет свой собственный рецепт сложностей и трудностей», — объяснил господин Кржанич. «Проблемы с переходом с 14 нм на 10 нм являются примерно тем же самым, что было с переходом с 22 нм на 14 нм. [Иммерсионная] фотолитография становится всё более сложной в использовании по мере уменьшения размеров элементов микросхем. Количество проходов при использовании мультипаттернинга увеличивается».

Intel: Мы выпустим миллионы Cannonlake в первый год

Не секрет, что процесс выхода на рынок микросхем Broadwell растянулся на много месяцев, а первоначальные объёмы выпуска Core M (Broadwell) по технологии 14 нм были мизерными. В Intel обещают, что дополнительный год поможет её инженерам отшлифовать 10-нм техпроцесс для быстрого запуска новых микросхем Cannonlake в по-настоящему массовое производство.

«Во второй половине 2017 года мы начнём производство первых 10-нм процессоров, известных по кодовому названию Cannonlake », — сказал господин Кржанич. «Когда мы говорим про вторую половину 2017 года, мы говорим о миллионах единиц и больших объемах».

Intel: Цикл «тик-так» ещё может вернуться

В Intel говорят, что хотя сейчас время использования одного технологического процесса для изготовления микропроцессоров растянулось до двух с половиной - трёх лет, компания постарается вернуться к своей модели «тик-так», цикл которой составляет около двух лет. Вполне возможно, что для возвращения «тик-так» потребуется переход на использование фотолитографии в глубоком ультрафиолете (extreme ultraviolet lithography, EUV). Если технологический процесс 10 нм будет использован три года, то к 2020 г. EUV-сканеры вполне могут стать экономически целесообразными для производства микросхем по техпроцессу 7 нм.

Следует отметить, что удлинение технологических циклов также означает и удлинение микроархитектурных циклов: теперь одна фундаментальная микроархитектура будет использоваться для трёх поколений процессоров в течение трёх лет. Каким образом Intel планирует увеличивать производительность в каждом поколении и насколько значительным будет увеличение скорости процессоров каждый год, покажет только время.

Все современные вычислительные технологии базируются на основе полупроводниковой электронной техники. Для ее производства используются кристаллы кремния – одного из самых распространенных минералов в составе нашей планеты. С момента ухода в прошлое громоздких ламповых систем и с развитием транзисторных технологий этот материал занял важное место в производстве вычислительной техники.

Центральные и графические процессоры, чипы памяти, различные контроллеры – все это производится на основе кремниевых кристаллов. Уже полвека основной принцип не меняется, совершенствуются только технологии создания чипов. Они становятся более тонкими и миниатюрными, энергоэффективными и производительными. Главным параметром, который при этом усовершенствуется, является техпроцесс.

Практически все современные чипы состоят из кристаллов кремния, которые обрабатываются методом литографии, с целью формирования отдельных транзисторов. Транзистор – ключевой элемент любой интегральной микросхемы. В зависимости от состояния электрического поля, он может передавать значение, эквивалентное логической единице (пропускает ток) или нулю (выступает изолятором). В чипах памяти с помощью комбинаций нулей и единиц (положений транзистора) записываются данные, а в процессорах – при переключении производятся вычисления.

В 14-нм технологии (по сравнению с 22-нм) сокращено количество барьеров, увеличена их высота, уменьшено расстояние между диэлектрическими ребрами

Технологический процесс – это процедура и порядок изготовления какой-либо продукции. В электронной промышленности, в общепринятом значении, это величина, которая указывает на разрешающую способность оборудования, применяемого при производстве чипов. От нее также напрямую зависит размер функциональных элементов, получаемых после обработки кремния (то есть, транзисторов). Чем чувствительнее и точнее оборудование используется для обработки кристаллов под заготовки процессоров – тем тоньше будет техпроцесс.

Что значит числовая величина техпроцесса

В современном полупроводниковом производстве наиболее распространена фотолитография – вытравливание элементов на кристалле, покрытом диэлектрической пленкой, с помощью воздействия света. Именно разрешающая способность оптического оборудования, излучающего свет для вытравливания, и является техпроцессом в общепринятом толковании этого слова. Это число указывает, насколько тонким может быть элемент на кристалле.

На что влияет техпроцесс

Техпроцесс напрямую сказывается на количестве активных элементов полупроводниковой микросхемы. Чем тоньше техпроцесс – тем больше транзисторов поместится на определенной площади кристалла. В первую очередь это значит увеличение количества продукции из одной заготовки. Во вторую – снижение потребления энергии: чем тоньше транзистор – тем меньше он расходует энергии. Как итог, при равном количестве и структуре размещения транзисторов (а значит, и увеличения производительности) процессор будет меньше расходовать энергию.

Минусом перехода на тонкий техпроцесс является удорожание оборудования. Новые промышленные агрегаты позволяют делать процессоры лучше и дешевле, но сами набирают в цене. Как следствие, лишь крупные корпорации могут вкладывать миллиарды долларов в новое оборудование. Даже такие известные компании, как AMD, Nvidia, Mediatek, Qualcomm или Apple самостоятельно процессоров не делают, доверяя это задание гигантам вроде TSMC.

Что дает уменьшение техпроцесса

При уменьшении технологического процесса производитель получает возможность поднять быстродействие, сохранив прежние размеры чипа. К примеру, переход с 32 нм на 22 нм позволил вдвое увеличить плотность транзисторов. Как следствие, на том же кристалле, что раньше, стало возможным размещение не 4, а уже 8 ядер процессора.

Для пользователей главное преимущество заключается в снижении энергопотребления. Чипы на более тонком техпроцессе требуют меньше энергии, выделяют меньше тепла. Благодаря этому можно упростить систему питания, уменьшить кулер, меньше внимания уделить обдуву компонентов.

Техпроцесс процессоров на смартфонах

Смартфоны требовательны к аппаратным ресурсам и быстро расходуют заряд аккумулятора. Поэтому, для замедления расхода разряда, разработчики процессоров для мобильных устройств стараются внедрять в производство самые новые техпроцессы. К примеру, некогда популярные двухъядерники MediaTek MT6577 производились по техпроцессу 40 нм, а Qualcomm Snapdragon 200 ранних серий изготавливались по 45-нанометровой технологии.

В 2013-2015 годах основным техпроцессом для чипов, используемых в смартфонах, стал 28 нм. MediaTek (вплоть до Helio X10 включительно), Qualcomm Snapdragon серий S4, 400, а также модели 600, 602, 610, 615, 616 и 617 – это все 28 нм. Он же использовался и при изготовлении Snapdragon 650, 652, 800, 801, 805. «Горячий» Snapdragon 810, что интересно, был выполнен по более тонкому техпроцессу 20 нм, но это ему не сильно помогло.

Apple в своем A7 (iPhone 5S) тоже обходилась 20-нанометровой технологией. В Apple A8 для шестого Айфона применили 20 нм, а в модели A9 (для 6s и SE) уже используется новый 16 нм технологический процесс. В 2013-2014 годах Intel делали свои Atom Z3xxx по 22-нанометровой технологии. С 2015 года в производство запустили чипы с 14 нм.

Следующим шагом в развитии процессоров для смартфонов является повсеместное освоение техпроцессов 14 и 16 нм, а дальше стоит ожидать 10 нм. Первыми экземплярами на нем могут стать Qualcomm Snapdragon 825, 828 и 830.

Также вам понравятся:

Как сделать скриншот на iPhone 7
Какие бывают датчики в смартфонах

Корпорация IBM создала технологию производства чипов с топологией 5 нанометров. Предыдущий минимум, 7 нм, был анонсирован два года назад. В производстве сейчас используется и топология 10 нм, но эта технология еще не слишком распространена. По 10 нм технологии, в частности, изготавливаются чипы Snapdragon 835, которые установлены в Samsung Galaxy S8.

По мнению специалистов, 5 нм чипы смогут значительно снизить энергопотребление устройств, поскольку такие процессоры потребляют на 75% меньше энергии, а вот производительность их на 40% выше, чем у большинства текущих мобильных чипов, изготовленных по 14 нм техпроцессу. Таким образом, в автономном режиме новые устройства смогут работать в 2-3 раза дольше, чем сейчас.

5 нм технология - плод совместных трудов IBM с компаниями Samsung и GlobalFoundries. Дело в том, что корпорация сейчас сама не производит чипы, а GlobalFoundries и Samsung могут лицензировать технологию. По мнению представителей всех компаний-партнеров, в массовое производство технология отправится к 2020 году, тогда же на рынке и начнут появляться новые чипы. В электронике пока что превалируют 14 нм чипы, выпуск которых начался 2-3 года назад.

Разработчики приняли решение использовать новый тип транзисторов, которые объединяются в кремниевые нанолисты. Электроны при этом посылаются через четыре затвора. Наиболее совершенные на данный момент транзисторы типа FinFET, которые массово используются на современном рынке, используют три затвора. Скорее всего, технология FinFET останется и в 7-нм чипах, хотя со временем она уйдет, поскольку ее нельзя масштабировать геометрически. Об этом заявил вице-президент по исследованиям полупроводниковых технологий IBM Research Мукеш Харе (Mukesh Khare).

«Выход за пределы 7 нм - это очень важно. Это важно и в конструктивном плане, и в том, что сейчас возможно собрать вместе все больше транзисторов. Так что мы можем говорить о 5 нм процессе», - заявил Харе. Чем выше плотность размещения транзисторов в микросхеме, тем выше скорость прохождения сигналов между ними, соответственно, тем выше и скорость выполнения различных задач таким чипом.

Новое достижение чрезвычайно важно как для общества, так и для бизнеса. «Для бизнеса и сообщества важны когнитивные и облачные вычисления, которые будут совершенствоваться с появлением новых достижений в полупроводниковых технологиях», - заявил Арвинд Кришна, руководитель IBM Research. Он говорит, что именно поэтому IBM активно продвигает новые типы архитектур и материалы, которые раздвигают границы возможностей производства.

Производители чипов любят хвастаться новыми рекордами миниатюризации техпроцессов - независимо от того, используют ли они свои мощности или контрактных производителей. Intel, Samsung, GlobalFoundries и TSMC постоянно соревнуются друг с другом. Однако заявляемые характеристики 16, 14, 10 или 7 нм уже не являются определяющими, то есть их нельзя использовать для сравнения техпроцессов. Следует оценивать и другие характеристики техпроцесса (Fin Pitch, Min Metal Pitch, Cell Height и Gate Pitch).

В прошлом году Intel акцентировала . AMD и Intel , хотя подходы двух компаний фундаментально отличаются. AMD для старших процессоров предпочитает , Intel предпочитает монолитный дизайн кристаллов.

Банг-Хао Хуан (Bang-Hao Huang) и Ших-Хсин Чан (Shih-Hsin Chang) из тайваньской компании MSSCORPS CO., LTD провели анализ чипа Samsung Exynos 8895, сравнив его с Apple A11 Bionic, производимым TSMC. Также они добавили опубликованные спецификации Intel. Результаты оказались весьма любопытными.

Перед тем, как мы перейдем к анализу спецификаций, позвольте пояснить некоторые:

• Fin Pitch: расстояние между ребрами (эмиттер и коллектор) транзистора
• Min Metal Pitch: минимальное расстояние между двумя слоями металла
• Fin Height: высота ребер от подложки Si в слое оксида
• Fin Width: толщина ребер

У Intel мы получили несколько итераций 14-нм техпроцесса с небольшими улучшениями, но 10-нм техпроцесс должен знаменовать существенный прогресс. Впрочем, Intel - далеко не единственная компания с достаточной компетенцией для производства чипов по современным техпроцессам. Возможно, Intel начинает сдавать позиции: задержки с выходом процессоров, изготавливаемых по новому техпроцессу, указывают на технические проблемы. Intel причины задержек не комментирует.

В источнике проводится сравнение 10-нм техпроцессов Samsung и TSMC, по итогам вывод следующий: техпроцесс Samsung Exynos 8895 выделяется большей высотой и шириной ребер, в случае TSMC мы получаем меньшее расстояние между ребрами и меньшую толщину интерконнектов. И TSMC, и Samsung подошли к технически возможным пределам для массового производства.

Сравнение со спецификациями Intel для 10-нм техпроцесса показывает, что бывший технологический лидер пропустил вперед конкурентов. Конечно, производство мобильных SoC отличается от производства настольных процессоров, но некоторые характеристики техпроцессов вполне сравнимы, независимо от размера или сложности чипа.

TSMC и Samsung за последние годы сражались за клиента. Поэтому они прилагали значительные усилия, чтобы технически выйти вперед. К этой битве скоро присоединится Intel с массовым производством 10-нм процессоров, а также GlobalFoundries, которая будет производить процессоры AMD. Конечно, насчет выполнения закона Мура можно долго спорить. Но миллиардные инвестиции в новые технологические линии, вложения в исследования и разработки себя оправдывают.

Рассказываем об одной из главной характеристик мобильных чипсетов.

Процессор современного смартфона - сложный механизм, включающий в себя тысячи компонентов. Такие показатели, как частота и количество ядер, постепенно теряют смысл, а на смену им приходит понятие техпроцесса, характеризующее производительность и энергоэффективность процессора.

Что такое техпроцесс?

Процессор включает в себя тысячи транзисторов, которые пропускают или блокируют электрический ток, что позволяет логическим схемам работать в двоичной системе. Благодаря уменьшению размер транзисторов и расстояния между ними производители добиваются от чипсета большей продуктивности.

Уменьшенные транзисторы потребляют меньше энергии, при этом не утрачивая и производительность. Несмотря на то, что размер транзисторов напрямую не влияет на мощность, этот параметр стоит рассматривать как одну из характеристик, оказывающих влияние на скорость выполнения задач за счет конструктивных изменений в работе устройства. Размер транзистора по сути и характеризует техпроцесс процессоров.

За счет уменьшения расстояния между компонентами процессора уменьшается и объем энергии, которая необходима для их взаимодействия. Благодаря этому чипы с меньшим техпроцессом показывают большую автономность по сравнению с чипами с большим показателем технологического процесса. В отличие от большинства параметров смартфона, чем меньше число, характеризующее техпроцесс, тем лучше. В нашем случае это нанометры (нм).

Развитие техпроцесса в смартфонах

В первом Android-смартфоне HTC Dream (2008 год) процессор работал на 65-нм чипсете. В сегодняшних среднебюджетных моделях этот параметр варьируется в пределах 28-14 нм. Флагманские и игровые смартфоны часто оснащены 14 и даже 10-нм процессорами, поэтому они мощные, энергоэффективные и в меньшей степени подвержены нагреванию. Учитывая, что развитие технологий нацелено на машинное обучение и искусственный интеллект, для достижения новых высот в производительности техпроцесс с большой вероятностью будет уменьшен до 5, а потом и до 1 нм.

Выбирая смартфон, важно отталкиваться не только от количества ядер и тактовой частоты, но и обращать внимание на техпроцесс. Именно этот параметр косвенно укажет на актуальность чипсета, производительность, склонность к перегреву и автономность. На сегодняшний день устройства в среднем ценовом сегменте уже оснащены 14-нм процессорами, что на данный момент можно назвать актуальным и сбалансированным решением для любого современного смартфона.