Путешествие в нанометровый мир
Все мы знаем как выглядит процессор. Знаем что под крышкой которая передает тепло находится небольшой кремниевый кристалл, в нем и творится вся магия вычислений. Казалось бы, любоваться тут не на что – что может быть красивого в обычном кусочке полированного металла?
Но стоит снять с кристалла верхний слой пустого кремния, добавить капельку иммерсионного масла и чип начинает переливаться всеми цветами радуги, показывая свой богатый внутренний мир. Разумеется, эти цвета ложные — структуры внутри, давно уже имеют нанометровые размеры и на порядки меньше длины волны света.
Но в таком исполнении смотреть на миллиарды транзисторов гораздо интереснее. Сегодня я стану вашим проводником в богатый нанометровый мир. На связи МК, расслабьтесь и наслаждайтесь. Текстовая версия - под видео.
Красота из прошлого – Penitum II
Начнем нашу экскурсию вглубь старичка Pentium II родом из 97 года. Вторые пеньки производились по техпроцессу от 180 до 350 нм, а частоты достигали смешных по современным меркам 450 МГц.
Эти процессоры интересны тем, что среди них есть первые решения, производимые по технологии Flip Chip, то есть когда кристалл припаивается к подложке, а не соединяется с ней проводками.
На фото слева кристалл Pentium II, который изготовлен по старой «проводной» технологии Wire Bonding, справа — чуть более крупный собрат уже с Flip Chip.
При этом, что интересно, техпроцесс у них одинаковый, 250 нм, а увеличение площади произошло только из-за перехода на новую технологию. Да, на тот момент в новом способе производства не было смысла, но это позволило заложить фундамент для создания современных процессоров с тысячей контактов. Момент еще пока заметной глазу эволюции.
Core i9-9900K
И сразу для контраста погрузимся в знакомые многим 14 нанометров. Уничтожать старые чипы может каждый, то вот выводить из строя современные мощные CPU на много дороже. Но все же такие находятся и у нас есть возможность посмотреть что под верхним слоем кремния у быстрого 8-ядерного Core i9-9900K.
На фото отчетливо видны 8 прямоугольников ядер, и большая область справа — это интегрированная графика, которая занимает почти треть всего кристалла — раньше про нее мало кто вспоминал, сейчас другое время. Разумеется, после таких варварских экспериментов процессор умер, но в данном случае красота определенно стоила жертв.
Варварское уничтожение AMD Threadripper
Спасибо AMD, восьмью ядрами сейчас уже никого не удивить. Известный немецкий оверклокер Роман «Der8auer» Хартунг буквально разломал отнюдь недешевый Threadripper 1950X чтобы показать нам его 16-ядер.
В 2017 году это были те же 14 нанометров, вернее назывались так же как у Интел, но по факту на тот момент синие нанометры были меньше. Почему так мы рассказали в выпуске про 2 нм IBM.
Внутри огромного процессора оказались четыре 8-ядерных кристалла в каждом из которых хорошо видны две группы по 4 ядра -в этом и была причина высоких задержек у этих камней. Но все еще такой процессор выглядит как произведение искусства — до многокристальных чипов Intel, например, до сих пор не добралась, а может это уже и не нужно.
Как на самом деле выглядит процессор на примере Intel 4004
Глядя на красивые переливающиеся кристаллы многие, наверно, задаются вопросом — а как на самом деле выглядят процессоры внутри? Можем ли мы как-то это узнать? Разумеется — достаточно взять чип, техпроцесс которого больше длины волны видимого света, что позволяет разглядеть его внутренности в обычный световой микроскоп.
Пожалуй самый яркий пример — Intel 4004 — первый микропроцессор компании, 50 лет назад совершивший настоящую революцию в электронной промышленности. Его техпроцесс в 10 мкм на порядок больше длин волн видимого излучения, что делает его идеальным кандидатом для изучения. И, надо сказать, выглядит он не особо эффектно: оранжевые полоски — это медные дорожки, серые — различные кремниевые структуры. И да, это реальные процессорные цвета.
По оценке Intel, вычислительная мощность 10-летних процессоров Intel Core второго поколения с миллиардом транзисторов, не менее чем в 350 тыс. раз превосходит мощность первого процессора Intel. Невероятный прогресс за 40 лет. Сейчас мы такого уже не увидим.
Разглядываем отдельные транзисторы
Кстати о транзисторах, некоторые свежие процессоры имеют уже больше 40 миллиардов крошечных переключателей, которые увидеть в световой микроскоп невозможно. Но если очень хочется узнать, как на самом деле выглядит один транзистор, то можно обратиться к старым простым логическим микросхемам – например, советской 3320A, которая выпускалась в Зеленограде в 70х годах.
Этот золотой лабиринт не имеет ничего общего со словом техпроцесс ибо структуру микросхемы, которая представляет из себя пару логических элементов 4И-НЕ, можно рассмотреть буквально в школьный микроскоп.
И да, как видите по фото, никакой тут магии и сложной электроники нет — сам по себе транзистор устроен очень просто, что позволяет значительно их уменьшить и производить миллиардами штук.
Огромный кристалл AMD Fiji
Но что-то мы все о процессорах да о процессорах. Давайте посмотрим, как выглядят внутри видеочипы. Да, уничтожать дефицитные графические кристаллы сейчас выглядит кощунством, но спешу успокоить — фото были сделаны еще до дефицита. Итак, мы можем полюбоваться на большой 28 нм кристалл AMD Fiji, который работал в видеокартах Fury 2015 года выпуска и снабжался 4 ГБ памяти HBM.
Почти 9 млрд транзисторов. Прошло 6 лет, новыми эти карты уже не встретить, а на авито они стоят аж 25 000 рублей.
А вот еще фото другого GPU – на этот раз GP102, который ставился в топовую GTX 1080 Ti. Хорошо видны 6 кластеров GPC, что дает аж 3.5 тысячи потоковых процессоров. Мощь 12 млрд. транзисторов в 2017 году за 50 000 рублей.
Сенсор оптической мыши
Теперь, давайте уйдем в сторону. Вы никогда не задумывались, как выглядит сенсор оптической мыши? На самом деле достаточно занятно, ведь это объединение фотосенсора и чипа. Вы видите фотосенсор старенькой мышки с разрешением матрицы всего 22 на 22 пикселя (ST Microelectronics OS MLT 04), однако этого вполне хватает, чтобы улавливать изменения поверхности и тем самым определять сдвиг мыши. А с учетом того, что делать это нужно быстро, сам чип расположен в одном кристалле с фото матрицей.
У современных мышей разрешение матрицы выше и достигает сотни на сотню пикселей, что позволяет им быть точнее и быстрее. Но в целом сенсоры выглядят также. — например, на картинке можно полюбоваться на внутренности PixArt PMW 3310.
Смартфонный ARM-чип
Вернем к процессорам, на этот раз мобильным. Современные ARM-чипы можно в прямом смысле назвать искусством, ведь в одном кристалле прячутся и несколько кластеров ядер, и GPU, и многочисленные контроллеры. Так, например, выглядит 8-нм Exynos 9820.
Сходу тут сложно понять, где что. Но все же получилось определить, что в правом нижнем углу расположены два больших ядра M4, которые могут работать на частоте до 3 ГГц. Над ними 2 средних ядра Cortex A75 и 4 малых Cortex A55, которые ощутимо меньше и слабее. Слева внизу можно увидеть двухъядерный нейропроцессор, ну а выше от него расположен крупный GPU Mali с 12 ядрами.
Консольный чип Xbox One X
Что интересно, ARM-чипы очень напоминают APU из консолей. И это не случайно — последние также на одном кристалле имеют и процессорные ядра, и графику, и различные контроллеры. Так выглядит 16-нанометровый чип из Xbox One X.
Хорошо видно, насколько велика графика от AMD с 40 вычислительными модулями — она занимает 3/4 чипа. А вот 8 процессорных ядер AMD Jaguar можно сначала и не заметить – все дело в том, что по сути это урезанная архитектура, которая применялась для различных ультрабучных чипов «красной» компании, что и отразилось на их размерах.
Огромный кристалл 18-ядерного Core i9
В то время как AMD продолжает приносить в массы многокристальную структуру процессоров, Intel все еще выступает за один большой кристалл.
И в случае с высокопроизводительной линейкой гигантомания компании удивляет — так, в случае с Core i9-7980XE на одном кристалле размещено аж 18 ядер!
Разумеется, стоит такой CPU немало, но все тому же Роману «Дербауэру» он достался нерабочим от подписчика, что и позволило с чистой душой произвести вскрытие пациента. Картинки действительно удивляют — 18 огромных ядер вплотную друг к другу, из-за чего теплопакет составляет аж 165 Вт, а на деле выше 200. Но зато с межъядерными задержками все хорошо.
Российский чип Байкал
И под конец — а вы никогда не задумывались, как выглядят внутри российские процессоры? Много ли в них отличий от забугорных решений? На самом деле — нет, как показало вскрытие последнего Baikal — 2 миллиарда транзисторов на 28 нанометрах. Этот ARM-чип имеет два 4-ядерных кластера и графику Mali, а производится на заводах TSMC.
Так что внутренних отличий от других ARM-чипов, очевидно, немного, и структура действительно похожа на фото Exynos выше. К слову, на основе этого Байкала уже выпускаются и продаются простенькие, но отнюдь не дешевые ПК.
Как видите, процессоры прошли огромный путь от простых интегральных схем, внутренности которых можно разглядеть буквально под лупой, до высокотехнологических чипов, состоящих из миллиардов транзисторов. И уже долгие годы человек не является главным звеном в цепи производства полупроводниковых кристаллов — целой жизни не хватит, чтобы расположить в кусочке кремния размером с ноготь такие огромные количества миниатюрных переключателей.
Да, вы правильно поняли — компьютеры проектируют процессоры. Умные машины создают себе подобных. А может, лет через 10, компьютеры решат, что мы вообще лишние в этой схеме?
Фото чипов в высоком разрешении - https://www.flickr.com/photos/130561288@N04/albums
Мой Компьютер специально для Пикабу.