Битва за нанометры

С 1965 года нам известно о так называемом законе Мура: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца, что приводит к появлению новых технологий, росту производительности и прорывам в области электроники». Излагая этот закон общественности, один из отцов Intel не мог предположить, что инженеры на протяжении целых пятидесяти лет смогут придерживаться его…

Не мог он и предположить, что в 2014 году сложности с соблюдением этого закона начнутся и в самой компании Intel. Ведь для увеличения количества транзисторов в процессоре нужно уменьшать технический процесс производства. По-простому, уменьшать физический размер транзисторов и их плотность.

На данный момент освоенным размером можно считать 22 нанометра, такой размер транзисторов в процессоре Intel Haswell. Казалось бы, от уменьшения одни проблемы: строже нормы чистоты помещения, сложнее изготавливать шаблон для литографии, начинают влиять квантовые эффекты, сложнее контролировать качество. Но ни один успешный производитель не пойдет на такие сложности, если речь не идет о снижении себестоимости производства и конкурентной борьбе. Соответственно, можно выделить несколько причин перехода к более тонким техпроцессам.

Первая: эффекты, связанные с длиной волны света и частотой сигналов. Вся электроника (и не только она) строится на абстракциях и упрощениях. Для того, чтобы можно было безбоязненно комбинировать элементы между собой, не выполняя заново полный анализ, для элементов должен выполняться принцип суперпозиции.

Чтобы выполнялся принцип суперпозиции, должно выполняться требование, согласно которому масштаб сигнала должен быть значительно больше, чем задержка распространения сигнала в схеме. То есть, при частоте в 3 ГГц, зная скорость света, получаем, что размер схемы должен быть значительно меньше 10 см. Значительно — это значит раза в 3-4.

Вторая: энергопотребление и тепловыделение. Чем меньше элемент, тем меньше он потребляет энергии и выделяет тепла. Это дает возможность использовать мощные процессоры в ультракомпактных устройствах. Правда, с уменьшением размера транзисторов увеличиваются сложности с теплоотводом, так что, видимо, плюсы и минусы компенсируются.

Третья: транзисторы, из которых современный процессор состоит чуть более, чем полностью, представляют собой не просто переключатель, управляемый напряжением. Из-за своей структуры он также представляет собой маленький конденсатор, емкость которого исчисляется фемто-фарадами, но все-таки не нулевая.

Каждый конденсатор вносит небольшую задержку в распространение цифрового сигнала, которая при увеличении количества связанных компонентов суммируется. В результате на выходе вместо прямоугольного импульса мы получаем примерно вот такое:

Паразитную емкость можно уменьшить, уменьшив размеры самого транзистора. Количество же транзисторов, как мы знаем, подчиняется закону Мура, соответственно, размер их также должен уменьшаться пропорционально, чтобы задержки в гигагерцовых сигналах не сводили на нет итоговую производительность.

В микроархитектуре Haswell использование тонкого 22-нм литографического техпроцесса позволило уместить 1400 млн полупроводниковых устройств на площади в 177 кв. мм. Сами транзисторы имеют трехмерную конструкцию (Tri-Gate), что обеспечивает их малые физические размеры и минимизирует токи утечки.

Четвертая: сокращение затрат на производство. Это, на мой взгляд, немаловажная причина. Каждый отдельный процессор выращивается на пластине, где их очень много. Чем меньше площадь отдельного кристалла (процессора), тем больше их помещается на одной пластине и тем больше прибыль. Но это лишь следствие уменьшения техпроцесса, поэтому говорить, что производители специально пытаются уместить на одной кремниевой подложке побольше процессоров, было бы неправильно.

Как мне кажется, производители быстрее бы согласились, что закон Мура — бред, и перестали бы все уменьшать. Ведь уменьшение техпроцесса ведет к большому количеству отбракованных процессоров. Сложно поверить, что лишь небольшие, незаметные человеку колебания земной коры могут довести количество негодных процессоров до 80%! Здесь и приходит понимание такой немаленькой цены за процессоры.

Сложные материалы, суперсовременное оборудование, огромный штат научных сотрудников и другие сложности не останавливают производителей в их стремлении уменьшать техпроцесс. А почему бы и нет? Ведь это наверняка рентабельно. Intel давно уже обещает построить завод на Луне, ведь там слабая гравитация, нет землетрясений и можно уменьшать техпроцесс до атома!

 

 

 

---

link