خبر

  • تک بورد - هدف برای اتم ها: هنر کوچکتر کردن تراشه ها

    هدف برای اتم ها: هنر کوچکتر کردن تراشه ها
    8 روز و 8 ساعت قبل

    در دنیای تراشه های رایانه ای ، اعداد بزرگتر اغلب بهتر است. هسته های بیشتر ، گیگاهرتز بالاتر ، FLOP های بیشتر ، همه مورد نظر مهندسان و کاربران است. اما یک اندازه گیری در نیمه هادی ها وجود دارد که در حال حاضر داغ است و هرچه کوچکتر باشد ، بهتر است. واردات نیمه هادی و گره فناوری (معروف به گره فرایند) را وارد کنید.

    اما دقیقاً آن چیست و چرا اینقدر مهم است؟ چرا با نانومتر اندازه گیری می شود ، و چرا ما در خیابان کنجد می رویم و این مقاله را با شماره های 10 ، 7 و 5 برای شما می آوریم؟

    بیایید سفری به دنیای گره های فرآیند داشته باشیم ...

    اما قبل از اینکه به موضوعات بپردازیم ، اگر سری معماری CPU ما را بررسی کنید ، درک بهتری از آنها خواهید داشت. در قسمت اول ، ما اصول نحوه عملکرد پردازنده ها را پوشش می دهیم و در قسمت دوم ، نحوه برنامه ریزی و طراحی تراشه ها توسط مهندسین را مورد بررسی قرار می دهیم.

    بخش کلیدی مربوط به این مقاله ، توضیح نحوه قرارگیری فیزیکی تراشه های رایانه است. با یکدیگر. اگر می خواهید درک عمیقی از فرایند تولید داشته باشید ، می خواهید بخش فوتولیتوگرافی را با دقت بخوانید ، در حالی که در این ویژگی ما بیشتر بر این نکته تمرکز می کنیم که به طور مختصر به آن اشاره شد:

    یکی از بزرگترین اصطلاحات بازاریابی مرتبط با ساخت تراشه ، اندازه ویژگی است.

    https://techbord.com هدف اتم ها: هنر کوچکتر کردن تراشه ها

    در صنعت تراشه ، اندازه ویژگی مربوط به چیزی است که گره پردازش نامیده می شود. همانطور که در نحوه طراحی CPU ها ، قسمت 3 اشاره کردیم ، این یک اصطلاح نسبتاً شل است ، زیرا تولید کنندگان مختلف از این عبارت برای توصیف جنبه های مختلف خود تراشه استفاده می کنند ، اما چندی پیش به کوچکترین فاصله بین دو بخش اشاره داشت. ترانزیستور با این وجود ، ترانزیستور یکی از ویژگی های مهم هر پردازنده است ، زیرا گروه های آنها تمام خرد کردن و ذخیره داده های انجام شده در داخل تراشه را انجام می دهند ، و یک گره فرایند کوچکتر از همان سازنده یک چیز بسیار مورد نظر است. س Theال آشکاری که در اینجا مطرح می شود این است که چرا؟ اجزای بزرگتر برای تغییر حالت خود به زمان بیشتری نیاز دارند ، سیگنال ها به زمان بیشتری نیاز دارند و انرژی بیشتری برای جابجایی برق در پردازنده مورد نیاز است. اجزای بزرگتر بدون تلاش برای مبهم به نظر رسیدن ، فضای فیزیکی بیشتری را اشغال می کنند ، بنابراین خود تراشه ها بزرگتر هستند.

     https://techbord.com هدف اتم ها: هنر کوچکتر کردن چیپس

    در تصویر بالا ، ما سه CPU قدیمی اینتل را بررسی می کنیم. از سمت چپ شروع می کنیم ، ما یک Celeron 2006 ، یک Pentium M 2004 و یک Pentium واقعاً قدیمی از 1995 داریم. آنها دارای گره پردازشی به ترتیب 65 ، 90 و 350 نانومتر هستند. به عبارت دیگر ، بخشهای مهم در طراحی 24 ساله بیش از 5 برابر مدل 13 ساله است. تفاوت مهم دیگر این است که تراشه جدیدتر حدود 290 میلیون ترانزیستور در داخل خود دارد ، در حالی که پنتیوم اصلی دارای بیش از 3 میلیون ترانزیستور است. تقریباً صدها برابر کمتر.

    اگرچه کاهش گره فرآیند تنها بخشی از دلیل کوچکتر بودن طراحی جدیدتر و ترانزیستورهای بیشتر است ، اما نقش مهمی در توانایی ارائه اینتل ایفا می کند. این.

    اما در اینجا عامل اصلی این است: که سلرون تنها حدود 30 وات گرما تولید می کند ، در مقایسه با پنتیوم 12 وات. این گرما از این واقعیت ناشی می شود که با فشار دادن برق به اطراف مدارهای موجود در تراشه ، انرژی طی فرآیندهای مختلف از بین می رود و اکثریت قریب به اتفاق آن به صورت گرما آزاد می شود. بله ، 30 عددی بزرگتر از 12 است ، اما فراموش نکنید که تراشه تقریباً 100 برابر ترانزیستور بیشتری دارد.

    بنابراین اگر مزایای داشتن یک گره فرایند کوچکتر منجر به تراشه های کوچکتر شود ، بیشتر تبلیغ کنید ترانزیستورهایی که می توانند سریعتر جابجا شوند - که محاسبات بیشتری را در ثانیه به ما می دهد - و انرژی کمتری در اثر گرما از دست می رود ، س anotherال دیگری را مطرح می کند: چرا همه تراشه های جهان از کوچکترین گره فرایند ممکن استفاده نمی کنند؟

    بگذار نور وجود داشته باشد!

    در این مرحله ، ما باید به فرایندی بنام فوتولیتوگرافی نگاهی بیندازیم: نور از طریق چیزی به نام عکاسی نوری عبور می کند که نور را مسدود می کند در برخی مناطق و اجازه می دهد تا آن را در برخی دیگر از طریق. در جایی که از آن عبور می کند ، نور به شدت روی یک نقطه کوچک متمرکز می شود و سپس با لایه خاصی که در ساخت تراشه استفاده می شود واکنش نشان می دهد و به تعیین محل قرار گرفتن قسمت های مختلف کمک می کند.

    تصور کنید که مانند یک اشعه ایکس از دست شما است: استخوان ها اشعه ها را مسدود می کنند و به عنوان ماسک عکس عمل می کنند ، در حالی که گوشت به آن اجازه می دهد و تصویری از ساختار داخلی دست ایجاد می کند.

    https://techbord.com هدف اتمها: هنر کوچکتر کردن چیپس

    تصویر: Peellden ، Wikimedia Commons

    در واقع از نور استفاده نمی شود - حتی برای تراشه هایی مانند پنتیوم قدیمی ، بسیار بزرگ است. شاید برای شما این سوال پیش آمده باشد که چگونه نور روی زمین می تواند هر اندازه ای داشته باشد ، اما به طول موج مربوط می شود. نور چیزی است که موج الکترومغناطیسی نامیده می شود ، ترکیبی دائمی از دو میدان الکتریکی و مغناطیسی است.

    اگرچه ما از موج سینوسی کلاسیک برای تجسم شکل استفاده می کنیم ، امواج الکترومغناطیسی واقعاً شکلی ندارند. این بیشتر موردی است که تأثیری که آنها هنگام تعامل با چیزی ایجاد می کنند از آن الگو پیروی کند. طول موج این الگوی چرخه ای ، فاصله فیزیکی بین دو نقطه یکسان است: تصویر امواج دریا را که بر ساحل می غلتند ، طول موج را نشان می دهد که قله های آن امواج چقدر از هم فاصله دارند. امواج الکترومغناطیسی دارای طیف وسیعی در طول موج های احتمالی هستند ، بنابراین آنها را کنار هم قرار می دهیم و آن را طیف می نامیم. در زیر می بینیم که آنچه ما نور می نامیم تنها یک قسمت کوچک از این طیف است. نامهای آشنا دیگری نیز وجود دارد: امواج رادیویی ، امواج مایکروویو ، اشعه ایکس و غیره. اندازه نور در حدود 10-7 متر یا تقریباً 0.000004 اینچ است.

    دانشمندان و مهندسین ترجیح می دهند از روش کمی متفاوت برای توصیف طولهای کوچک و نانومترها یا "نانومتر " استفاده کنند. به طور خلاصه اگر به بخش گسترده طیف نگاه کنیم ، می بینیم که نور واقعاً بین 380 نانومتر تا 750 نانومتر است.

     https://techbord.com هدف اتمها: هنر کوچکتر کردن چیپس

    تصویر: فیلیپ رونان ، گرینگر

    به عقب برگردید این مقاله قسمتی از تراشه سلرون قدیمی را لمس کرده و مجدداً بخوانید - روی یک گره 65 نانومتری تولید شده است. بنابراین چگونه می توان قطعات کوچکتر از نور را ساخت؟ ساده: فرایند سنگ نگاری از نور استفاده نمی کرد ، از اشعه ماوراء بنفش استفاده می کرد (معروف به UV). تا حدود 10 نانومتر تولیدکنندگانی مانند Intel ، TSMC و GlobalFoundries از نوعی موج الکترومغناطیسی به نام EUV (UV UV) ، با اندازه ای در حدود 190 نانومتر استفاده می کنند. این موج کوچک نه تنها به این معنی است که اجزای خود را می توان کوچکتر ایجاد کرد ، بلکه کیفیت کلی آنها می تواند به طور بالقوه بهتر باشد. این اجازه می دهد تا قسمت های مختلف به هم نزدیک شوند و به کاهش اندازه کلی تراشه کمک می کند.

    شرکت های مختلف اسامی مختلفی را برای مقیاس گره فرایندی که استفاده می کنند ارائه می دهند. اینتل به سرعت یکی از جدیدترین آنها را P1274 یا "10 نانومتر " برای عموم مردم می نامد ، در حالی که TSMC به سادگی آنها را "10FF. " می نامد. طراحان پردازنده مانند AMD طرح و ساختارهایی را برای گره های فرایند کوچکتر ایجاد می کنند و سپس برای تولید آنها به افرادی مانند TSMC تکیه کنید.

    TSMC با جدیت روی گره های کوچکتر (7 نانومتر ، 5 نانومتر و به زودی 3 نانومتر) کار می کند و تراشه هایی را برای بزرگترین مشتریان خود تولید می کند که شامل اپل ، مدیاتک ، کوالکام ، انویدیا است. و AMD در این مقیاس تولید ، برخی از کوچکترین ویژگی ها فقط 6 نانومتر عرض دارند (با این حال ، اکثریت بسیار بزرگتر از این هستند). برای درک این که واقعاً چقدر کوچک است 6 نانومتر ، اتم های سیلیکون که قسمت اعظم پردازنده را تشکیل می دهند ، تقریباً 0.5 نانومتر از یکدیگر فاصله دارند و قطر خود اتم ها نیز تقریباً 0.1 نانومتر است. بنابراین ، کارخانه های TSMC به عنوان یک شکل توپ با جنبه های یک ترانزیستور که عرض کمتر از 10 اتم سیلیکون را پوشش می دهد ، سروکار دارند. h2>

    اگر این حقیقت شگفت انگیز را کنار بگذاریم که تولیدکنندگان تراشه در حال کار بر روی ویژگی هایی هستند که تنها تعداد انگشت شماری اتم هستند ، فوتولیتوگرافی EUV مجموعه ای از مشکلات مهندسی و تولیدی جدی را ایجاد کرده است.

    اینتل به ویژه در تلاش بود تا تولید 10 نانومتر خود را به همان اندازه 14 نانومتر برساند و GlobalFoundries مشکلاتی در زمینه عملکرد سیستم های تولید 7 نانومتری و کوچکتر خود داشت. اگرچه مشکلات اینتل و GF ممکن است به دلیل مشکلات ذاتی فوتولیتوگرافی EUV نباشد ، اما نمی توانند کاملاً بی ارتباط باشند.

    هرچه طول موج یک موج الکترومغناطیسی کوتاهتر باشد ، انرژی بیشتری حمل می کند ، که منجر به آسیب بیشتر تراشه در حال تولید می شود ؛ تولید در مقیاس بسیار کوچک به آلودگی و نقص در مواد مورد استفاده نیز بسیار حساس است. مسائل دیگر ، مانند محدودیت های پراش و سر و صدای آماری (تنوع طبیعی در جایی که انرژی منتقل شده توسط موج EUV به لایه تراشه رسوب می کند) ، همچنین بر خلاف هدف دستیابی به تراشه های 100٪ کامل توطئه می کنند.

    https://techbord.com هدف اتمها: هنر کوچکتر ساختن چیپس

    < p> دو نقص تولید در تراشه. تصویر: فناوری حالت جامد

    همچنین این مشکل وجود دارد که در دنیای عجیب اتمها ، جریان الکتریسیته و انتقال انرژی را دیگر نمی توان از سیستم ها و قوانین کلاسیک پیروی کرد. نگه داشتن برق ، به شکل الکترون های متحرک (یکی از سه ذره ای که اتم ها را تشکیل می دهند) ، جریان دادن هادی ها به هم در فاصله ای نزدیک به هم در مقیاسی که قبلاً عادت کرده ایم نسبتاً آسان است - فقط رساناها را با یک لایه ضخیم عایق.

    در سطحی که اینتل و TSMC در حال کار هستند ، دستیابی به این امر بسیار سخت تر می شود زیرا عایق واقعا ضخامت کافی ندارد. در حال حاضر ، اما مسائل مربوط به تولید تقریباً کاملاً به مشکلات ذاتی فوتولیتوگرافی EUV مربوط می شود ، بنابراین چند سالی طول می کشد تا بتوانیم در انجمن ها بحث کنیم که Nvidia رفتار کوانتومی را بهتر از AMD یا سایر مزخرفات مشابه دیگر مدیریت می کند!

    این به این دلیل است که مشکل واقعی ، دلیل نهایی مشکلات تولید این است که اینتل ، TSMC و همه تولیدکنندگان آنها مشاغل تجاری هستند و آنها تنها به منظور ایجاد درآمد در آینده به دنبال اتم هستند. در مقاله تحقیقی توسط Mentor ، نمای کلی در مورد اینکه هزینه ویفر برای گره های کوچکتر فرآیند چقدر است ...

     https://techbord.com هدف اتم ها: هنر کوچکتر ساختن چیپس

    برای مثال ، اگر فرض کنیم گره 28 نانومتری یکسان است یکی که اینتل برای تولید طیف وسیعی از پردازنده های Haswell خود (مانند Core i7-4790K) استفاده می کرد ، سپس سیستم 10 نانومتری آنها تقریباً دو برابر هر ویفر هزینه دارد. تعداد چیپس هایی که هر ویفر می تواند تولید کند بستگی زیادی به اندازه هر تراشه دارد ، اما انجام مقیاس کوچکتر به این معناست که ویفر می تواند به طور بالقوه تراشه های بیشتری برای فروش داشته باشد و به جبران افزایش هزینه ها کمک کند. با این وجود ، در نهایت ، با افزایش قیمت خرده فروشی محصول ، تا حد ممکن این هزینه به مصرف کننده کاهش می یابد ، اما باید با تقاضای صنعت متعادل شود.

    افزایش فروش گوشی های هوشمند در گذشته سالها ، همراه با رشد چشمگیر فناوری هوشمند در خانه ها و اتومبیل ها ، به این معنی است که تولیدکنندگان تراشه مجبور شده اند ضربه های مالی ناشی از رفتن به گره های فرایند کوچکتر را تا زمانی که کل سیستم به اندازه کافی بالغ شود تا ویفرهای با بازده بالا تولید کند ، جذب کنند. مواردی که تا حد ممکن دارای نقص هستند) در حجم زیاد. با توجه به اینکه در اینجا در مورد میلیاردها دلار صحبت می کنیم ، این یک تجارت خطرناک است و دلیل خوبی است که GlobalFoundries از مسابقه گره فرار نجات داد.

    چشم اندازهای آینده

    اگر همه اینها تا حدودی تیره و تار به نظر می رسند ، پس نباید فراموش کنیم که آینده نزدیک به نظر مثبت می رسد. سامسونگ و TSMC مدتی است که خطوط تولید 7 نانومتری خود را از نظر حجم و درآمد در حد مطلوبی قرار داده اند و طراحان تراشه نیز با استفاده از چندین گره در محصولات خود برنامه ریزی می کنند.

    AMD طراحی و استراتژی چیپلت هایی که با پردازنده های نسل سوم Ryzen آنها آغاز شد ، توسط سایر سازندگان تراشه تکرار می شود. در این مورد ، پردازنده کامپیوتر رومیزی AMD از دو تراشه تولید شده بر روی گره 7 نانومتری TSMC و یک تراشه 14 نانومتری ساخته شده توسط GlobalFoundries استفاده کرد. اولی قطعات پردازنده واقعی بودند ، در حالی که دومی حافظه DDR4 و دستگاههای PCI Express متصل به CPU را کنترل می کرد.

     https://techbord.com هدف اتم ها: هنر کوچکتر کردن تراشه ها

    نمودار فوق تغییرات گره فرایند اینتل را در 50 سال گذشته نشان می دهد. محور عمودی اندازه گره را با فاکتورهای 10 نشان می دهد که از 10000 نانومتر شروع می شود. این نیمه تراشه یک نیمه عمر گره (زمان لازم برای کاهش اندازه گره در هر بار نصف) 4.5 سال را دنبال کرده است.

    آیا این بدان معناست که ما تا سال 2025 شاهد 5 نانومتر اینتل خواهیم بود؟ احتمالاً بله ، با وجود اینکه با 10 نانومتر دچار مشکل شدند ، آنها در راه بازگشت سخت کار می کنند. سامسونگ و TSMC در تولید 5 نانومتر خود و فراتر از آن پیش رفته اند ، بنابراین آینده برای انواع پردازنده ها خوب به نظر می رسد.

    آنها کوچکتر و سریعتر هستند ، از انرژی کمتری استفاده می کنند و عملکرد بیشتری را ارائه می دهند. به آنها راه را به سمت اتومبیل های کاملاً خودمختار ، ساعت های هوشمند با قدرت و عمر باتری تلفن های هوشمند فعلی و گرافیک در بازی ها فراتر از هر چیزی که در فیلم های چند میلیون دلاری ده سال پیش دیده می شود ، خواهند برد. آینده در واقع روشن است ، زیرا آینده کوچک است.





خبرهای دیگر از امکانات