Физика вашего процессора
Мы привыкли, что в нашем компьютерном мире больше – значит лучше. Чем больше ядер или частота процессора – тем быстрее он работает. Чем больше объем памяти – тем больше информации в нем можно хранить. Однако есть у кремниевых чипов один параметр, работающий ровно наоборот, чем он меньше – тем лучше.
Он называется техпроцессом. Мы уже говорили о нем в одном из предыдущих роликов, где рассказали о физической сути технологического процесса и о маркетинговых обманах современности. Но как техпроцесс влияет на производство современных чипов? Почему в его случае уменьшение – это хорошо? Что такое фотолитография? Давайте об этом сегодня и поговорим.
Фотолитография и техпроцесс – как они связаны?
Давайте вспомним, что такое техпроцесс? Это процесс получения определенного рисунка на поверхности материала. Для того, чтобы рисунок имел определенную форму, свет проходит через специальную фотомаску. Идеальная аналогия здесь – рентгеновский снимок. Кости лучше блокируют это излучение, поэтому их и отчетливо видно на итоговом снимке, в отличие от плоти, через которую рентгеновское излучение проходит более свободно.
Но вернемся к фотолитографии. На самом деле сам этот процесс чем-то похож на старый принцип получения фото, только с постобработкой. Свет, проходя через фотомаску, попадает на чистейшую кремниевую пластину, предварительно покрытую фоточувствительной пленкой – так называемым фоторезистом. Участки, на которые попал свет, засвечиваются и в дальнейшем удаляются в проявителе, и тем самым на пластине остается рисунок ключа – по сути фото всех транзисторов будущих процессоров.
А дальше в ход идет травление, электроосаждение и вакуумное напыление, чтобы рисунок превратился в полноценные транзисторы, проводящие ток когда их об этом попросят. Казалось бы, ничего сложного – но почему тогда каждый новый техпроцесс сейчас дается с боем? Кто является ограничителем?
Ответ вас удивит – длина волны используемого излучения. Все просто: именно свет, проходя через маску, оставляет на фоторезисте реальные очертания транзисторов. И если использовать видимый свет, минимальная длина волны которого составляет около 380 нм в фиолетовой области спектра, то не получится с его помощью создать транзистор, наименьшая часть которого ощутимо меньше этой длины волны, даже если использовать линзы.
Так что все просто: наименьшая часть транзистора – это ширина его затвора, и она, как видите, напрямую связана с длиной волны используемого света. Поэтому такую важную характеристику, которая напрямую говорит о «тонкости» чипа, решили выделить и назвать техпроцессом.
Правда, так продолжалось где-то до середины нулевых, пока не пришли маркетологи и не начилась вакханалия с подтасовками, которая привела к тому, что фейковые 10-нм от Intel теперь назвали еще более фейковым техпроцессом Intel 7, другие компании делают тоже самое.
Но почему производители так сильно гонятся за уменьшением размеров транзисторов? Почему бы не делать микрометровые чипы, как в 80-ые?
А вот тут с двух ног врывается ее величество физика.
Во-первых, чем меньше размер транзистора при прочих равных, тем меньше он выделяет тепла, так как току физически приходится проходить меньший путь, а КПД в 100% не бывает. С другой стороны, самый действенный способ поднять производительность – это увеличить количество транзисторов, благодаря которым и творится магия вычислений.
Но при этом есть и третий фактор – это возможность по теплоотводу. 100, 200, 300 Вт – для отвода которых уже потребуется СЖО, что едва ли смогут себе позволить большинство пользователей. Вот и получается, что для увеличения производительности нужно увеличивать количество транзисторов, а чтобы обуздать рост тепловыделения – нужно постоянно снижать техпроцесс.
При этом наращивать количество транзисторов – задача максимально простая, именно поэтому мы от 3 миллионов переключателей в Pentium из 1995 года пришли к более чем 10 млрд в топовых Ryzen 5000. То есть рост за 25 лет – на три порядка, при этом техпроцесс даже с маркетинговой точки зрения уменьшился лишь в несколько десятков раз, с 350 до 7 нм, а на деле и того меньше.
И, как итог, если Pentium потребляли от силы 10-15 Вт, то вот топовые ряженки доходят до 150 и даже 200 Вт, что близко к пределу охлаждения в десктопах. И это отлично показывает, почему все производители из кожи вон лезут, чтобы продолжать уменьшать техпроцессы и снижать жор чипов.
Но это – не единственная проблема, которую подбрасывает бессовестная наука. Современные процессоры достигли уже настолько высоких частот, что скорость света перестает казаться чем-то бесконечным. Например, возьмем чип с частотой в 3 ГГц – то есть он совершает 3 миллиарда тактов в секунду.
С учетом скорости света в 300 000 км за эту же секунду мы получаем, что за один такт электромагнитная волна успеет пролететь… всего 10 сантиметров. Казалось бы, процессорные кристаллы меньше, но не забываем, что внутри них извилистые лабиринты миллиардов транзисторов, из-за чего пути внутри чипа могут быть достаточно длинными, чтобы требовалось учитывать скорость света и отставание по тактам в разных частях кристалла.
Именно поэтому мы и не видим огромных кремниевых чипов – рассчитать все возможные отставания по тактам крайне сложно, и разумеется это негативно сказывается на итоговой производительности. Второе ограничение на размер – брак: чем больше и сложнее кристалл, чем он дороже и выше шанс не кондиции.
Получается еще одна ловушка: толстый техпроцесс плюс ограничение на размер кристалла – значит, меньше транзисторов поместится в сам кристалл и меньше будет производительность. Выход тут очевиден – все проблемы решит уменьшение техпроцесса. Но есть костыль и иного рода, и называется он чиплет.
Идея максимально проста: раз не получается создать огромный чип, то почему бы не создать несколько маленьких и объединить их общей шиной с известной одинаковой задержкой. Таким образом убиваются сразу оба зайца: мелкие чипы проще производить, они дешевле и среди них меньше брака. К тому же снимается вопрос с внутрикристалльными задержками.
По этому пути и пошла AMD: например, ее Ryzen 3000 и 5000 имеют внутри по три кристалла, два с ядрами и один с контроллерами, объединенные общей шиной Infinity Fabric. Работает такая схема? Их пользователи явно ответят «да». А увеличившуюся межъядерную задержку из-за пары кристаллов с успехом решает большой объем кэша L3.
Но, повторюсь, чиплеты – все равно костыль: в случае с теми же Ryzen крошечные кусочки кремния размером с ноготь легко греются под сотню градусов, то есть по итогу мы снова приходим к все тому же выводу: нужно снижать техпроцесс.
Жесткий ультрафиолет
И у многих в голове наверное вертится вопрос – а в чем проблема-то его снизить? Ну хорошо, он зависит от длины волны используемого при фотолитографии света, и видимое излучение не подходит. Но в чем проблема использовать тот же ультрафиолет, который простирается до 10 нм? И его как раз и используют!
Например, УФ-излучение с длиной волны в 248 нм позволяет при помощи системы линз создавать полупроводники с минимальными размерами около сотни нанометров. Но, если мы посмотрим на современные чипы, там линейные размеры могут быть в несколько десятков нанометров. Как этого удалось добиться?
Правильно, дальнейшем снижением длины волны и уходом в экстремальный ультрафиолет.
А в чем проблема, спросите вы? В самом оборудовании. Когда речь идет о десятках нанометров, то приходится работать уже буквально с конкретными атомами, ведь шаг кристаллической решетки кремния всего 0.5 нм.
Поэтому для фотолитографии в жестком ультрафиолете используются зеркала всемирно известной компании Zeiss, который отполированы настолько, что ради убирания дефектов сбивают с поверхности отдельные молекулы!
Резко усложняются и сами фотомаски. Если для литографии в ультрафиолете нередко достаточно однослойной маски из хрома, то для экстремального ультрафиолета используются шаблоны с 40 слоями кремния и молибдена.
Там уже идут физические эффекты на грани квантов, когда даже с одной длиной волны из-за дифракции чипы на пластине получают различные характеристики, кому интересно – гуглите условие Брэгга.
И да, в случае с жестким ультрафиолетом маски, линзы и зеркала поглощают 95% изначального излучения. То есть для прохождения самой магии фотолитографии лазеры должны быть на порядок мощнее, чем при обычном ультрафиолете.
Для лучшего понимания, одна современная установка ASML для литографии в жестком ультрафиолете может потреблять под полтора мегаватта (68 стр), причем до самих кремниевых вафель долетит лишь 10 кВт. Да, КПД тут – 1%. Паровоз эффективнее на порядок. К слову, такой станок позволяет обрабатывать около 2 пластин в минуту.
Короче говоря, такая фотолитография – это предел современной науки на стыке с чудесами инженерии. И все для того, чтобы достичь шага в десяток нм в кремниевых полупроводниках и позволить дальше наращивать число транзисторов без ухода TDP в облака.
И это отчасти объясняет, почему процессоры из года в год становятся все дороже. Например, в случае с Intel их 10-нанометровые чипы, такие как Core 12-ого поколения, обходятся компании вдвое дороже, чем 28-нм Core 4-ого поколения.
И каждый новый техпроцесс, даже будучи маркетинговым, требует огромных затрат на сложнейшие станки и ученых, лезущих в самые глубины мироздания.
Рентген
Но что дальше? Рано или поздно мы придем к пределу и в случае с жестким ультрафиолетом. Сейчас лучшие станки ASML имеют разрешающую способность в 13 нм, что всего на три нанометра больше теоретической границы, которая разделяет ультрафиолет и рентген. Так что рано или поздно придется окунуться еще глубже – в рентгеновскую литографию, которая позволит создавать проводящие структуры размерами в нанометры или даже десятые доли нанометра.
Звучит круто! Проблема лишь в том, что в сравнении с рентгенолитографией жесткий ультрафиолет покажется мягким и пушистым. Во-первых, оборудование станет еще дороже. Для эффективного блокирования рентгеновского излучения потребуются маски из золота, тантала или вольфрама.
При этом подложку для маски, прозрачной для рентгена, придется делать, возможно, из алмаза. А ведь это – лишь вершина айсберга. В случае с ренгеном мы имеем дело с настолько высокоэнергетическим излучением, что его носители при попадании в вещество способны генерировать мощное вторичное излучение с пробегом в десятки нанометров, которое может серьезно изменить «рисунок ключа» на кремниевой пластине. А еще начинает серьезно влиять такое явление, как ионизация, которая генерирует свободные электроны. В общем, проблем с точки зрения физики в рентгенолитографии – вагон и маленькая тележка, и ученые со всего мира уже пытаются их решить.
Одно уже ясно – это будет концом кремния. Литография в рентгене позволит дойти до размеров кристаллической решетки кремния, то есть уменьшать техпроцесс дальше просто не получится. Однако конец кремния – не конец чипов, о чем мы поговорили в одном из предыдущих роликов.
Читайте нас в:
Телеграм - https://t.me/mknewsru
Вконтакте - https://vk.com/mknews
