Смартфоны с мощностью суперкомпьютеров (мобильник сегодня в 5000 раз мощнее CRAY-2), искусственный интеллект, фотографии на сотни мегапикселей и многие другие вычислительные задачи стали возможны благодаря более полувеку безумного наращивания производительности процессоров. Во многом такое наращивание стало возможным из-за регулярного уменьшения размеров транзисторов. Однако сейчас технология дошла до физического предела – нанометры закончились. На пороге эра ангстрема и в нем все станет странным.
Поскольку производство чипов по технологическим нормам 3 нанометра достигает зрелости, а 2 нанометра уже на пути к коммерческому внедрению, наиболее технологичный производитель чипов компания TSMC, как сообщается, закладывает основу для следующего логического шага – фабрики по выпуску процессоров по технологическим нормам в 1 (один) нанометр.
По данным тайваньских СМИ, TSMC преследует цель создать передовой набор микросхем в Научном парке Цзяи островного государства, планируя производить самые современные микросхемы на основе 1-нм техпроцесса.
Samsung наращивает производство по 3-нм техпроцессу и планирует развернуть 2-нм техпроцесс в 2025 году, а техпроцесс Intel 20A следующего поколения, соответствующий 20 ангстремам или примерно два нанометра, должен дебютировать позже в этом году, если не будет задержек.
Эта новость служит напоминанием о том, что нанометровая эра производства полупроводников, в которой человечество живет по крайней мере с 1990-х, быстро близится к концу. Это касается топовых производительных чипов, стандартные микроконтроллеры, силовая и аналоговая электроника, несложные и устаревшие микросхемы и другие подобные продукты будут оставаться на старых производственных процессах еще некоторое время
Но в то время как нанометры и ангстремы используются для описания совершенствования технологии производственного процесса, физическое значение нанометров значительно изменилось за последнее десятилетие. Фактическое уменьшение размеров транзисторов прекратилось на этапе 45 нанометров. Производителям приходится искать новые технологии для повышения производительности чипов.
От измерения линейкой до маркетинговых размеров
До 2011 года большинство чипов использовали планарные транзисторы и нанометры для описания физической длины затвора, и, следовательно, указывая размер в нанометрах можно было представить размер отдельного транзистора в процессоре.
Переход к транзисторам FinFET примерно в это время сделал нанометры неподходящим описанием, но практика использования нанометров продолжалась, чтобы демонстрировать пользователям последовательный прогресс. Сегодня нанометр – это виртуальный символ эквивалентной плотности.
Генеральный директор Intel Пэт Хелсингер подчеркнул этот момент как оправдание для ребрендинга собственных технологических процессов для лучшего соответствия названиям техпроцессов TSMC и Samsung вскоре после своего возвращения в 2021 году.
Именно с таким маркетинговым трюком неожиданно 10-нм техпроцесс Intel стал Intel 7, а 7-нм техпроцесс – Intel 4 и Intel 3. Это потому, что в то время TSMC и Samsung овладевали именно техпроцессами 4 и 3 нанометра.
Несмотря на то, что это явно маркетинговый трюк, направленный на то, чтобы отвлечь внимание от факта отставания Intel в производственных возможностях, Хелсингер тоже не ошибся. Нанометр как метрика для технологических процессов является маркетинговым инструментом для описания усовершенствования плотности транзисторов, и, учитывая этот факт, ребрендинг был разумным шагом.
Но поскольку нанометры лишь примерно описывают относительную плотность и нет стандартизации, сравнение нанометров одного производителя с такими же нанометрами другого производителя становится гораздо сложнее.
Ключевым фактором является то, что когда мы пытаемся уменьшить FinFET, чтобы упаковать больше транзисторов в кремниевые кристаллы, чтобы предоставить пользователям более производительные процессоры, мы уже не можем этого сделать экономически выгодно. Технология производства достигла точки уменьшения отдачи. Из-за физических особенностей все труднее достичь более высокой производительности с разумным энергопотреблением.
Процессоры следующего поколения будут использовать транзисторы Gate All-Around (GAA) или то, что Intel назвала RibbonFET.
Вы можете рассматривать транзистор RibbonFET или GAA как обычный FinFET с не одним каналом утечки-стока, проходящим через ребристый затвор, а набором отдельных каналов, проходящих через одно ребро затвора. Это увеличивает площадь поверхности, где канал встречается с затвором, уменьшая утечку тока, и позволяет инженерам дополнительно уменьшить транзисторы жизнеспособным способом. Это увеличивает плотность транзисторов, что для юзеров обычно значит наилучшую производительность без катастрофической энергоэффективности.
В 3-нм техпроцессе Samsung уже используется технология, тогда как Intel 20A и будущие 2-нм техпроцессы TSMC внедрят эту технику.
Низко свисающие фрукты исчезли
Улучшение способа упаковки чипов и доставки электрического питания к ним помогло компенсировать проблему плотности FinFET среди других преимуществ. Но это все еще большие энергоемкие матрицы транзисторов.
Если нельзя уменьшить размер транзистора, чтобы процессор получил большее количество транзисторов, можно увеличить размер самого чипа для наращивания его производительности. Но и в этом направлении технологии дошли до предела.
Графический процессор Nvidia H100 площадью 814 мм2, например, близок к пределу производственных технологий. Кроме того, поскольку вы можете разместить лишь небольшое количество на пластину-заготовку, некоторые чипы так или иначе будут дефектными, что повышает стоимость каждого чипа.
Вот почему разработчики чипов все больше полагаются на усовершенствованную упаковку, чтобы объединить несколько меньших чиплетов в один крупный центральный или графический процессор в пакете.
Семейство Zen от AMD и карты GPU Max от Intel являются яркими примерами того, что возможно посредством расширенного пакетирования.
Однако более интересное развитие происходит вокруг доставки электроэнергии. Intel особо откровенно высказывалась по поводу своего прогресса в поставках электроэнергии.
Короче говоря, современные процессоры – это плотное гнездо наноразмерных данных и проводов питания, которые прокладываются слоем за слоем во время изготовления.
Intel предложила подавать электроэнергию с задней стороны чипа. Это должно повысить эффективность путем упрощения маршрутизации электроэнергии.
В определенном смысле все относительно доступные способы наращивания производительности были собраны, и теперь разработчикам чипов приходится работать больше, чтобы достигать более высокого уровня производительности. Отсюда все начинает становиться странным.
До этого момента передовая упаковка была в основном однородной в том смысле, что один поставщик разрабатывал и внедрял чипы. Это начнет изменяться, поскольку такие технологии, как Universal Chiplet Interconnect Express (UCIe) открывают двери для разнородных пакетов.
Представьте себе, что графический процессор AMD и процессор Intel используют общий сокет. Станет ли реальностью этот конкретный пример? Возможно, нет – технически Intel и AMD уже пробовали это, но это не сработало. Но UCIe открывает двери для таких типов архитектур чиплетов, даже если создает новые проблемы на этом пути.
Даже пластины, на которых упакованы эти чиплеты, изучаются повторно. В прошлом году Intel объявила, что работает над стеклянными подложками, которые могут поддерживать более плотные, горячие массивы микросхем без деформации. Как ни странно это ни звучало, Intel говорит, что до появления этой технологии останется всего несколько лет.
Другие, тем временем, исследуют использование кремниевой фотоники в качестве средства перемещения данных между чиплетами. Использование нескольких матриц позволяет создавать более сложные процессоры, но также создает трудности по перемещению данных между их блоками. Lightmatter’s Passage, Photonic Fabric от Celestial AI и TeraPHY от Ayar Labs – это несколько примеров того, как люди пытаются смягчить эти проблемы, подведя оптические каналы передачи данных непосредственно к кремнию.
Несмотря на то, что достижения в технологических процессах остаются важными, такие факторы, как упаковка, подача электроэнергии и передача сигналов, вероятно, столь же важны, и со временем, возможно, будут становиться еще более важными.
Так что если кто-то не найдет какое-то удивительное решение для продолжения уменьшения размеров транзисторов, производство чипов, чтобы продолжать увеличивать производительность, будет исследовать различные технологии, которые сегодня кажутся странными.
По материалам: The Register
