No mundo dos chips de computador, números maiores geralmente são melhores. Mais núcleos, GHz mais alto, FLOPs maiores por engenheiros e usuários. Mas há uma medida que é notícia quente agora, e quanto menor, melhor. Mas o que exatamente é e por que é tão importante? Por que é medido em nanômetros e por que estamos percorrendo toda a Vila Sésamo e trazendo este artigo para você com os números 10, 7 e 5? Vamos fazer uma viagem ao mundo dos nós de computação ...

Antes de explorar qualquer coisa, vale a pena passar algum tempo revisando nossa visão final sobre a arquitetura da CPU. Na primeira parte, arquitetura básica de processadores e na segunda parte, engenheiros planejam e projetam eles.

A parte principal deste artigo é uma explicação de como os chips de computador são fisicamente colocado junto. Se você deseja uma compreensão aprofundada do processo de fabricação, deve ler a seção de fotolitografia com atenção, iremos nos concentrar mais neste ponto brevemente mencionado neste recurso:

Um dos maiores termos de marketing associados à fabricação de chips é o tamanho do recurso.




Na indústria de chips, tamanho do recurso, nó de computação. Como mencionamos Como projetar processadores, parte 3, Este é um termo bastante vago, já que diferentes fabricantes usam a frase para descrever diferentes aspectos do chip, mas não há muito tempo referindo-se ao menor espaço entre duas seções de um transistor.




Hoje é mais um termo de marketing e não muito útil para comparar métodos de produção. No entanto, o transistor é um recurso crítico de qualquer processador porque os grupos lidam com todos os estalos de número e armazenamento de dados feitos dentro do chip, e um nó de processamento menor do mesmo fabricante é altamente desejável. A pergunta óbvia a ser feita aqui porque?

Nada acontece instantaneamente no mundo dos processadores, nem acontece sem a necessidade de uma fonte de energia elétrica. Componentes maiores demoram mais para mudar de estado, os sinais demoram mais para viajar e mais energia é necessária para transportar eletricidade para o processador. Sem tentar fazer um som grande, componentes maiores ocupam mais espaço físico, então os chips são maiores.







Na imagem acima, estamos vendo três CPUs legadas da Intel. Começando da esquerda, há um Celeron de 2006, um Pentium M de 2004 e um Pentium muito antigo de 1995. Existe um nó de processo de 65, 90 e 350 nm, respectivamente. Em outras palavras, as peças críticas no design de 24 anos são 5 vezes maiores do que no design de 13 anos. Outra diferença importante é que o novo chip contém 290 milhões de transistores, enquanto o Pentium original tem pouco mais de 3 milhões; quase centenas de vezes menos.

Embora a redução no nó de processamento seja parte do motivo pelo qual o design mais recente é fisicamente menor e tem mais transistores, ele desempenha um papel importante na capacidade da Intel de fornecê-lo.




Mas o verdadeiro sucesso: o Celeron gera apenas cerca de 30 W de calor em comparação com os 12 W do Pentium. Este calor resulta da perda de energia devido a vários processos e energia conforme a eletricidade é empurrada pelos circuitos do chip. a grande maioria é liberada como calor. Sim, 30 é um número maior do que 12, mas lembre-se de que o chip tem cerca de 100 vezes mais transistores.

Portanto, se os benefícios de ter um nó de computação menor resultarem em chips menores, isso revelará mais transistores que podem alternar mais rápido - o que faz mais cálculos por segundo - e se perder menos energia como calor, isso levanta outra questão: Por que nem todos os chips do mundo usam o menor nó de computação possível??

Que haja luz!

Neste ponto, fotolitografia: luz, Máscara de luzbloqueando a luz em algumas áreas e translúcida em outras. A luz por onde passa é então focada em um pequeno ponto e então reage com uma camada especial usada na fabricação do chip para ajudar a determinar onde as várias partes estarão.




Pense nisso como um raio-x de sua mão: os ossos bloqueiam os raios, agindo como uma fotomáscara, enquanto produzem uma imagem da estrutura interna da mão.

Fonte da imagem: Peellden, Wikimedia Commons

A luz não é realmente usada - é grande demais até para chips como o antigo Pentium. Você pode estar se perguntando como a luz no mundo pode ter qualquer tamanho, mas Comprimento de onda. Luz, onda eletromagnéticaé uma mistura cíclica contínua de campos elétricos e magnéticos.

Embora usemos uma onda senoidal clássica para visualizar a forma, as ondas eletromagnéticas não têm realmente uma forma. Essa é mais uma situação em que o efeito que eles produzem ao interagir com algo segue esse padrão. O comprimento de onda desse padrão cíclico é a distância física entre dois pontos idênticos: a imagem é a distância que as cristas dessas ondas estão, enquanto as ondas do mar rolam em direção à praia. As ondas eletromagnéticas têm uma ampla gama de comprimentos de onda possíveis, então junte-as e espectro.

Pequeno menor menor menor

Na imagem abaixo, podemos ver que o que chamamos de luz é apenas uma pequena parte desse espectro. Existem outros nomes conhecidos: ondas de rádio, microondas, raios-x, etc. Também podemos ver alguns números para comprimentos de onda; a luz está em torno de 10-7 metros ou cerca de 0,000004 polegadas!

Cientistas e engenheiros preferem usar um método ligeiramente diferente para descrever pequenos comprimentos e nanômetros ou nm para abreviar. Se olharmos para a porção estendida do espectro, podemos ver que a luz realmente varia de 380 nm a 750 nm.

Fonte da imagem: Philip Ronan, Gringer

Retorne a este artigo e releia a parte sobre o antigo chip Celeron - ele foi produzido em um nó de processo de 65 nm. Então, como pequenos pedaços de luz podem ser feitos? Simples: o processo de fotolitografia não usa luz, mas sim luz ultravioleta (também conhecida como UV).

No gráfico do espectro, o UV começa em torno de 380 nm (onde termina a luz) e diminui para cerca de 10 nm. Fabricantes como Intel, TSMC e GlobalFoundries EUV (extremo UV) tem cerca de 190 nm de tamanho. Essa pequena onda não significa apenas que os próprios componentes podem ser criados menores, mas sua qualidade geral pode ser potencialmente melhor. Isso permite que as várias peças sejam embaladas mais próximas e ajuda a reduzir o tamanho geral do chip.

Diferentes empresas oferecem vários nomes para a escala de nó de computação que usam. TSMC simplesmente diz "10FF" enquanto a Intel diz que o mais novo para o público é P1274 ou "10 nm". Designers de processadores como AMD Criação de layouts e estruturas contando com os gostos da TSMC para nós de processo menores e, em seguida, atualizando linhas de produção de alto volume de "7 nm" no início deste ano. Nesta escala de produção, alguns dos menores recursos são de apenas 6 nm (mas a maioria é maior do que isso).

Na verdade, para entender o quão pequeno 6 nm realmente é, os átomos de silício que compõem a massa do processador são colocados cerca de 0,5 nm separados, com os próprios átomos em torno de 0,1 nm de diâmetro. Assim, como uma figura de quadra de basquete, as fábricas da TSMC lidam com aspectos de um transistor que mede menos de 10 átomos de silício de largura.

Dificuldade em direcionar átomos

Deixando de lado o fato inconcebível de que os fabricantes de chips estão trabalhando para obter propriedades que são apenas um punhado de átomos, a fotolitografia EUV criou uma série de problemas sérios de engenharia e fabricação.

A Intel tem lutado particularmente com a GlobalFoundries para trazer a produção de 10 nm para 14 nm e igualar a do ano passado. parou todo o desenvolvimento Embora os problemas da Intel e GF, de sistemas de produção de 7 nm e menores, não sejam causados ​​pelas dificuldades inerentes à fotolitografia EUV, eles não podem ser completamente independentes.

Quanto mais curto o comprimento de onda de uma onda eletromagnética, mais energia ela carrega, proporcionando um maior potencial de danos ao chip gerado; a fabricação em muito pequena escala é altamente suscetível a contaminação e defeitos nos materiais usados. Outras questões, como limites de difração e ruído estatístico (variação natural onde a energia transferida pela onda EUV se acumula na camada de chip) também conspiram contra a meta de atingir chips 100% perfeitos.

Dois defeitos de fabricação em um chip. Fonte: Tecnologia de Estado Sólido

Também existe a suposição de que, no estranho mundo dos átomos, o fluxo de eletricidade e a transferência de energia não podem mais seguir sistemas e regras clássicos. Manter a eletricidade na forma de átomos em movimento (uma das três partículas que compõem os átomos) é relativamente fácil para fazer os condutores fluirem juntos, espaçados, na escala que estamos acostumados - envolva os condutores com uma espessa camada de isolamento.

No nível em que a Intel e a TSMC estão trabalhando, isso é muito mais difícil de conseguir porque o isolamento não é realmente espesso o suficiente. No entanto, por enquanto, os problemas de fabricação estão quase inteiramente relacionados aos problemas inerentes à fotolitografia EUV, então levará alguns anos até que possamos começar a discutir o comportamento quântico da Nvidia melhor do que a AMD ou outro absurdo semelhante!

Porque o verdadeiro problema é a razão fundamental por trás das dificuldades de fabricação, Intel, TSMC e todos os seus fabricantes. negóciose eles estão apenas visando os átomos para receita futura. No trabalho de pesquisa de papel MentorA seguinte visão geral de quanto mais foi apresentado wafer custo para nós de processo menores.

Por exemplo, presumindo que o nó de processo de 28 nm é o mesmo que a Intel usa para fabricar CPUs da série Haswell (como o Core i7-4790K), o sistema de 10 nm custa quase o dobro por wafer. O número de chips que cada wafer pode produzir depende muito do tamanho de cada chipMas optar por uma escala de transação menor significa que um wafer pode potencialmente trazer mais chips para vender e ajuda a compensar o aumento nos custos. No final das contas, grande parte desse custo será reduzido para o consumidor com o aumento do preço de varejo do produto, mas isso precisa ser equilibrado com a demanda da indústria.

O aumento nas vendas de smartphones nos últimos anos, com um crescimento quase exponencial em tecnologia inteligente em residências e carros, significa que os fabricantes de chips tiveram que absorver o golpe financeiro de ir para nós de computação menores até que todo o sistema amadurecesse. O suficiente para cortar wafers de alto rendimento (ou seja, aqueles com o mínimo de defeitos possível) em grandes volumes. Dado o que estamos falando bilhões de É um negócio arriscado e uma boa parte do motivo pelo qual a GlobalFoundries está resgatando da corrida dos nós de computação.

Perspectiva futura

Se tudo isso soa um pouco apocalíptico e se soa um pouco como um apocalipse, devemos lembrar que o futuro próximo parece positivo. Não apenas a Samsung e a TSMC estão operando suas linhas de produção de 7 nm com uma margem saudável em termos de volume e receita, mas seus projetistas de chips também planejam avançar usando vários nós em seus produtos. Recentemente, o exemplo mais notável disso foi o design de chip lançado recentemente pela AMD. Ryzen 3ª geração CPU'lar.

Este processador de PC desktop de última geração será composto por dois chips fabricados no nó de 7 nm da TSMC e um chip de 14 nm fabricado pela GlobalFoundries. O primeiro será as partes reais do processador, o segundo processará a memória DDR4 e os dispositivos PCI Express conectados à CPU. Supondo que esse design funcione conforme o esperado (e não há razão para duvidar que deveria), veremos quase mais empresas seguindo essa configuração de vários nós.

A imagem acima mostra as mudanças no nó de computação da Intel nos últimos 50 anos. O eixo vertical mostra o tamanho do nó por um fator de 10, começando em 10.000 nm do topo. O gigante do chip seguiu uma meia-vida de nó áspero de 4,5 anos (o tempo necessário para reduzir pela metade o tamanho do nó a cada vez).

Então, isso significa que veremos Intel de 5 nm em 2025? Provavelmente sim, apesar de seu último tropeço com 10 nm. Samsung e TSMC progredindo Graças à pesquisa de 5 nm, é bom para qualquer processador futuro.

Usando menos energia, eles se tornam menores e mais rápidos e oferecem mais desempenho. Eles levarão a carros totalmente autônomos, smartwatches com a potência e duração da bateria dos smartphones atuais e gráficos em jogos além de qualquer coisa vista em filmes de milhões de dólares uma década atrás.

O futuro é realmente brilhante porque virá pequeno.