Говорят техпроцесс - НЕНАСТОЯЩИЙ!
Привет Пикабу на связи МК! В начале мая компания IBM объявила о прорыве и представила чип, построенный по техпроцессу 2 нм. Казалось бы, это же шедевр! Однако если посмотреть на официальные слайды компании невольно задаешься вопросом — а где тут 2 нм? Затвор транзистора 12 нм, линейные размеры вообще до 44 нм.
Получается, что — IBM обманула? В общем и целом — да. И не только она: на протяжение десятилетий нам врали об используемых техпроцессах в различных чипах. Так что пора стряхнуть лапшу с ушей и разобраться, что же такое техпроцесс на самом деле, и что вместо него указывают производители кремниевых чипов. Как всегда - текстовая версия под видео.
Немного истории в смеси с физикой
Ни для кого не секрет, что любой процессор состоит из тысяч, миллионов и даже миллиардов транзисторов — таких крошечных переключателей. Если ток через транзистор не течет, это можно обозвать логическим нулем. Течет — единицей. Поздравляю, мы только что изобрели двоичную логику. Проблема лишь в том, что для большинства пользовательских процессоров даже 70-ых годов требовалось тысячи транзисторов.
Разумеется, пинцетами их никто по процессорам не раскладывал, а вместо этого использовали фотолитографию, то есть буквально вытравливали в кремнии транзисторы через специальные маски мощными лазерами.
И тогда, да и сейчас, именно оборудование для фотолитографии было ограничивающим фактором роста — по сути все упирается в то, насколько маленький объект лазер может вытравить в пластине. И производители чипов быстро смекнули, что этой величиной можно писькомериться, но правда в обратную сторону, чем меньше — тем лучше.
И назвали ее техпроцессом. Да, техпроцесс — это не размер транзистора. Это именно разрешающая способность оборудования — иными словами, какой толщины может быть штрих, оставляемый лазером в кремнии. Ну и так как в транзисторе самой тонкой областью является затвор, то можно говорить, что техпроцесс — это размер затвора транзистора.
Почему этот параметр настолько важен? Чем меньше техпроцесс — тем больше транзисторов можно будет упихнуть в ту же площадь, и тем быстрее будет работать процессор. К тому же чем меньше транзистор — тем меньше энергии ему нужно для работы, и тем энергоэффективнее получается процессор.
Первые проблемы
В итоге с 70-ых годов прошлого века и до начала нового тысячелетия никаких особых проблем с техпроцессами не было: если все начиналось с красных 700-нм лазеров и техпроцесса в 10 мкм, то миллениум мы отметили уже с фиолетовыми лазерами на 400 нм и техпроцессом в 130 нм.
То есть техпроцесс стал тоньше на два порядка, при этом частоты выросли более чем в тысячу раз — с нескольких сотен килогерц у Intel 4004 до гигагерца у Athlon и Pentium 3.
Причем, кстати, пока техпроцесс составлял несколько микрометров, то есть был больше длины волны видимого света, можно было разглядеть отдельные транзисторы в обычный световой микроскоп. Сейчас это уже нереально — нужен дорогущий электронный микроскоп.
И я не просто так остановился на 130-нмах. Это был последний честный техпроцесс, по которому можно было сравнивать процессоры от различных компаний. Дальше начался легкий мухлеж, и положила этому начало Intel.
Компания стала откровенно подгонять свои процессоры под закон Мура, который гласит о том, что число транзисторов на интегральной схеме должно удваиваться раз в два года. Теперь вспомним школьный курс математики: для удваивания количества объектов на той же площади нужно уменьшить их линейные размеры в корень из 2 раз, или приблизительно в 1.4 раза.
А теперь поделите 130 на 90 — вы как раз получите около 1.4. И да, именно 90-нм техпроцесс использовался в Pentium 4, и, сюрприз, честным он не был.
На деле фотолитографическое оборудование было лишь слегка лучше чем то, что использовалось для 130-нм — и, к слову, это объясняет то, почему Pentium 4 были такими горячими и требовали уже серьезное охлаждение с медным пятаком.
Дальше — больше: в середине нулевых Intel была занята догонялками с AMD, ибо компании нужен был крутой двухъядерный процессор. Так и родилась линейка Core Duo, которая даже сейчас используется в офисных ПК. Официально эти процессоры работали на 65-нм техпроцессе. А теперь поставьте видео на паузу и поделите 90 на 65. Ну вы поняли, да? Опять получилось около 1.4.
Но, в общем и целом, тогда Intel этот мухлеж простили, ибо, с одной стороны, о нем знали далеко не все, а с другой — язык не поворачивается назвать что Pentium 4, что Core Duo плохими процессорами. В итоге маркетологов было уже не остановить, и что же мы получили?
От четкого физического понятия «разрешающая способность фотолитографического оборудования» мы перешли к достаточно размытому линейному размеру транзистора, который, вообще говоря, далеко не жестко связан с размерами затвора. Но, надо отметить, что хоть какая-то привязка к железу осталась. Правда, не надолго.
Полный отказ от логики и физики
Следовать букве закона Мура перестало получать уже в начале 2010-ых годов: последним техпроцессом, привязанным к линейным размерам транзистора, стали 32 нм, или знаменитые процессоры Sandy Bridge, они же Intel Core 2-ого поколения.
А дальше снова вмешалась физика: и хотя линейные размеры транзисторов не жестко связаны с затвором, все же уменьшение первых влечет к уменьшению вторых. И в итоге дошло до того, что больше уменьшать затвор просто не получалось: он переставал работать барьером, позволяя относительно свободно проходить через себя электронам.
И тогда появилась технология FinFET, дословно — плавниковый транзистор. Ключевым моментом стал уход из 2D в 3D: теперь затвор транзистора был не прямой, а имел П-образную структуру, что позволило увеличить его длину и избежать туннеллирования электронов через него.
К чему это привело? К тому, что это убило само понятие техпроцесса. Если раньше была хоть какая-то связь между размерами транзистора и его затвора, то с переходом к 3D-транзисторам и FinFET она совсем исчезла. То есть теперь нет никакой связи между фотолитографическим оборудованием и техпроцессом.
Разумеется, маркетологи радостно сказали «ага» и бросились клепать маркетинговые нанометры уже совершенно не стесняясь и не придерживаясь логики или физики.
В основном все продолжили считать техпроцессы по поверхностной плотности транзисторов, однако уровень достоверности с учетом их текущей 3D-шнести зашкаливает.
Причем, что забавно, наглость маркетологов у разных компаний разная, в итоге получаются смешные ситуации: например, принято хейтить Intel за то, что она только-только перешла на 10-нм техпроцесс, тогда как у TSMC во всю развивается 7-нм производство. Окей, глянем на линейные размеры транзисторов и что же мы видим?
Разница-то совсем невелика, а с 7-нм техпроцессом от Global Foundries у Intel вообще почти паритет.
А теперь просьба фанатов AMD отойти от экранов. Если перейти к настоящим нанометрам, то есть к затвору транзисторов, то у Zen 2 — а это 7 нм TSMC, напоминаю, — он составляет 22 нм. А вот у 14-нм Intel 10-ого поколения затвор 24-нмый.
Оценили всю силу маркетинга?
Будущее
И когда думаешь, что «ну хуже уже точно некуда», в пол обычно стучат снизу. Встречайте — HNS, Horizontal NanoSheets или горизонтальные нанолисты. Все дело в том, что уже и П-образный затвор с уменьшением размеров начинает пропускать электроны, поэтому теперь плавник предлагают разделить на несколько частей.
То есть теперь само понятие длины затвора не будет играть большой физической роли, так как он не сплошной. Так что техпроцесс чисто технически не получится высчитать. Goodnight, sweet prince.
Ну и подводя итог: техпроцесс не значит сейчас ровным счетом ничего. Его рисуют красивым маркетологи для улучшения продаж. Поэтому не имеет никакого смысла смотреть на этот показатель у современных CPU или GPU — лучше обратить внимание на бенчмарки, которые честно покажут превосходство того или иного чипа. И даже данные по поверхностным плотностям, которыми делятся многие производители чипов, теперь можно просто подтереться, так как они не учитывают их объемную структуру. Поэтому еще раз повторюсь — забудьте про нанометры, бенчмарки наше все.
Подписывайтесь если было интересно!
Мой Компьютер - специально для Пикабу.