El objetivo de los átomos: el arte de hacer chips más pequeños


En el mundo de las computadoras, un mayor número suele ser mejor. Más núcleos, mayor GHz, FLOP más grandes, todos buscados por ingenieros y usuarios. Pero hay una medida que es noticia en este momento, y cuanto más pequeña, mejor. Pero, ¿qué es exactamente y por qué es tan importante? ¿Por qué se mide en nanómetros y por qué tomamos todo Sesame Avenue y le traemos este artículo con los números 10, 7 y 5? Hagamos un viaje al mundo de los nodos de proceso …

Antes de profundizar, valdrá la pena dedicar un tiempo a revisar nuestra reciente mirada a la arquitectura de la CPU. En la Parte 1, cubrimos la arquitectura básica de los procesadores, y en la Parte Dos exploramos cómo los ingenieros los planean y diseñan.

La sección más importante relevante para este artículo es la explicación de cómo se componen físicamente los chips de computadora. Desea leer la sección de fotolitografía detenidamente si desea conocer a fondo el proceso de fabricación, mientras que en esta función nos centramos más en este punto, que se mencionó brevemente:

Uno de los términos de advertising and marketing más importantes asociados con la fabricación de chips, es el tamaño de la función

En la industria de chips, el tamaño de la función está relacionado con algo llamado nodo de proceso . Como mencionamos en Cómo diseñar CPUs, Parte 3, este es un término bastante flojo ya que diferentes fabricantes usan el término para describir diferentes aspectos del chip en sí, pero no hace tanto tiempo se refirió al espacio más pequeño entre dos secciones de un transistor.

Hoy es más una señal de advertising and marketing y no es muy útil para comparar métodos de producción. Dicho esto, el transistor es una característica crítica de cualquier procesador, ya que grupos de ellos realizan toda la cantidad de trituración y almacenamiento de datos dentro del chip, y un nodo de proceso más pequeño del mismo fabricante es algo muy deseado. La pregunta obvia que se debe hacer aquí es ¿por qué?

Nada en el mundo de los procesadores ocurre de inmediato, ni sucede sin requerir una fuente de energía eléctrica. Los componentes más grandes tardan más en cambiar de estado, las señales tardan más en ejecutarse y se necesita más energía para mover la electricidad alrededor del procesador. Sin intentar sonar tonto, los componentes más grandes también ocupan más espacio físico, por lo que los chips en sí son más grandes.

En la imagen anterior, observamos tres CPU Intel antiguas. Desde la izquierda tenemos un Celeron de 2006, un Pentium M de 2004 y un Pentium realmente antiguo de 1995. Tienen un nodo de proceso de 65, 90 y 350 nm respectivamente. En otras palabras, las partes críticas del diseño de 24 años son más de 5 veces más grandes que las de 13 años. Otra diferencia importante es que el chip más nuevo tiene alrededor de 290 millones de transistores empaquetados en su inside, mientras que el Pentium unique tiene poco más de Three millones; casi cien veces menos.

Aunque la reducción en el nodo de proceso es solo una de las razones por las que el diseño más nuevo es físicamente más pequeño y tiene más transistores, desempeña un papel importante para que Intel pueda ofrecer esto. [19659002] Pero aquí está la verdadera patada: que Celeron solo produce alrededor de 30 W de calor en comparación con los 12 W. de Pentium. Este calor proviene del hecho de que cuando la electricidad se empuja alrededor de los circuitos en el chip, la energía se pierde debido a varios procesos y La gran mayoría se libera como calor. Sí, 30 es un número mayor que 12, pero no olvide que el chip tiene casi 100 veces más transistores.

Entonces, si los beneficios de tener un nodo de proceso más pequeño resultan en chips más pequeños, aparecerán más transistores que pueden cambiar más rápido, dándonos más cálculos por segundo, y menos energía perdida como calor, plantea otra pregunta: ¿por qué no todos los chips del mundo usan el nodo de proceso más pequeño posible ?

¡Que haya luz!

En este punto tenemos que ver un proceso llamado fotolitografía : la luz pasa a través de algo llamado fotomask que bloquea la luz en algunas áreas y la deja pasar en otras . A medida que pasa, la luz se enfoca bruscamente en un punto pequeño, y luego reacciona con una capa especial utilizada para hacer el chip, lo que ayuda a determinar dónde estarán las diferentes partes.

Piensa en ello como una radiografía de tu mano: los huesos bloquean los rayos, que actúan como una fotomáscara, mientras que la carne lo deja pasar, produciendo una imagen de la estructura interna de las manos.

Fuente de la imagen: Peellden, Wikimedia Commons

La luz no se usa realmente, incluso para chips como el antiguo Pentium, es demasiado grande. Quizás se esté preguntando cómo en la Tierra la luz puede tener cualquier tamaño, pero se refiere a la longitud de onda . La luz es algo llamado una onda electromagnética una mezcla cíclica constante de campos eléctricos y magnéticos.

Aunque utilizamos una onda sinusoidal clásica para visualizar la forma, las ondas electromagnéticas realmente no tienen una forma. Es más una coincidencia que el efecto que generan al interactuar con algo sigue ese patrón. La longitud de onda de este patrón cíclico es la distancia física entre dos puntos idénticos: ver las olas del océano rodando en una playa, la longitud de onda es la distancia que separa la parte superior de estas olas. Las ondas electromagnéticas tienen un amplio rango de posibles longitudes de onda, por lo que las unimos y lo llamamos espectro .

Pequeño, más pequeño, más pequeño

En la imagen a continuación podemos ver que lo que llamamos luz es solo una pequeña parte de este espectro. Hay otros nombres conocidos: ondas de radio, microondas, rayos X, and so on. También podemos ver algunos números para las longitudes de onda; ¡la luz mide entre 10 -7 pies o aproximadamente 0.000004 pulgadas!

Los científicos e ingenieros prefieren utilizar un método ligeramente diferente para describir longitudes que son pequeñas y que son nanómetros o nm demasiado cortas. Si observamos una sección expandida del espectro, podemos ver que la luz en realidad varía de 380 nm a 750 nm.

Fuente de la imagen: Philip Ronan, Gringer

Regrese a este artículo con una impresión y vuelva a leer la antigua sección del chip Celeron: se fabricó en un nodo de proceso de 65 nm. Entonces, ¿cómo podrían hacerse las piezas menos que la luz? Easy: el proceso de fotolitografía no usó luz, usó luz ultravioleta (también conocida como UV).

En el mapa del espectro, la radiación UV comienza a aproximadamente 380 nm (donde termina la luz) y se scale back a aprox. 10 pm Los fabricantes como Intel, TSMC y GlobalFoundries utilizan un tipo de onda electromagnética llamada EUV ( excessive UV), aprox. 190 nm de tamaño. Esta pequeña ola no solo significa que los componentes en sí mismos pueden crearse más pequeños, sino que la calidad common de los mismos puede ser potencialmente mejor. Esto permite que las diversas partes se empaqueten más juntas, lo que ayuda a ampliar el tamaño common del chip.

Las diferentes compañías ofrecen diferentes nombres en la escala del nodo de proceso que usan. Intel rompió llamando a su mejor P1274 o "10 nm" al público, mientras que TSMC simplemente llamó a su "10FF". Los diseñadores de procesadores como AMD crean diseños y estructuras para los nodos de proceso más pequeños y luego confían en que a TSMC le gusta fabricar aquellos que anteriormente han alcanzado sus líneas de producción de "7 nm" años más altos. En esta escala de producción, algunas de las características más pequeñas tienen solo 6 nm de ancho (la mayoría, sin embargo, son mucho más grandes que esto).

Para tener una concept de cuán pequeño es realmente 6 nm, los átomos de silicio que producen hacia arriba la mayoría del procesador se distribuyen aprox. 0.5 nm aparte, los átomos mismos son muy aprox. 0.1 nm de diámetro. Entonces, como una cifra de punta, las fábricas de TSMC emplean aspectos de un transistor que cubre menos de 10 átomos de silicio de ancho.

El desafío de enfocar los átomos

Al establecer el asombroso hecho de que los fabricantes de chips están trabajando hacia funciones que son solo un puñado de átomos, la fotolitografía EUV ha planteado una gran cantidad de problemas técnicos y de producción serios.

Intel en specific ha tenido problemas para lograr que su producción de 10 nm alcance el mismo nivel que su de 14 nm y el año pasado, GlobalFoundries detuvo todo el desarrollo de sus sistemas de producción de 7 nm y más pequeños. Aunque los problemas de Intel y GF pueden no deberse a las dificultades de la fotolitografía EUV, es posible que no estén completamente ajenos.

Cuanto más corta es la longitud de onda de una onda electromagnética, más energía transporta, lo que resulta en un mayor potencial de daño al chip que se produce; La fabricación a muy pequeña escala también es muy smart a la contaminación y los defectos en los materiales utilizados. Otros problemas, como los límites de difracción y el ruido estadístico (variación pure en el lugar donde la energía transmitida por la onda EUV se deposita en la capa de chips), también conspiran contra el objetivo de obtener chips 100% perfectos.

Dos errores de producción en un chip. Fuente: Tecnología de estado sólido

También existe el problema de que en el extraño mundo de los átomos, ya no se puede suponer que el flujo de electricidad y la transferencia de energía siguen los sistemas y las reglas clásicas. Mantener la electricidad en forma de electrones en movimiento (una de las tres partículas que forman los átomos), fluir por los conductores bien colocados juntos es relativamente fácil en la escala a la que estamos acostumbrados: simplemente envuelva los conductores con una gruesa capa de aislamiento

En el nivel en el que Intel y TSMC están trabajando, esto se vuelve mucho más difícil de lograr porque el aislamiento no es lo suficientemente grueso. Por ahora, los problemas de producción están casi exclusivamente relacionados con los problemas asociados con la fotolitografía EUV, por lo que pasarán algunos años más antes de que podamos comenzar a discutir en los foros que Nvidia maneja el comportamiento cuántico mejor que AMD o tonterías similares. [19659002] Esto se debe a que el verdadero problema, la causa última de las dificultades de producción, es que Intel, TSMC y todo lo que hacen son compañías y apuntan a átomos con el único propósito de crear futuros ingresos En un documento de investigación comercial de Mentor, se ofreció la siguiente descripción common, donde cuestan muchos más cortes para nodos de proceso más pequeños.

Si, por ejemplo, Suponiendo que el nodo de proceso de 28 nm es el mismo utilizado por Intel para fabricar su serie de CPU Haswell (como el Core i7-4790Ok), su sistema de 10 nm cuesta casi el doble por disco. El número de chips que puede producir cada porción depende en gran medida de qué tan grande sea cada chip, pero ir con una escala de proceso más pequeña significa que una porción puede potencialmente producir más chips para vender, lo que ayuda a compensar el aumento de los costos. Sin embargo, al remaining, gran parte de estos costos se reducirán al consumidor al aumentar el precio del producto, pero esto debe equilibrarse con la demanda de la industria.

El aumento en las ventas de teléfonos inteligentes en los últimos años, junto con un crecimiento casi exponencial en la tecnología de hogares y automóviles inteligentes, ha significado que los fabricantes de chips se hayan visto obligados a absorber el impacto económico de ir a nodos de proceso más pequeños, hasta que todo el sistema esté lo suficientemente maduro como para descargar cortes de alto rendimiento (es decir, aquellos que contengan la menor cantidad de defectos posible) en grandes cantidades. Dado que estamos hablando de mil millones dólares aquí, es una empresa arriesgada y una buena parte de la razón por la cual GlobalFoundries salvó del proceso de intersección.

Perspectivas

Si todo esto suena una caída y oscuridad, entonces no debemos olvidar que el futuro inmediato parece positivo. Samsung y TSMC no solo están llevando sus líneas de producción de 7 nm a un margen saludable en términos de volumen e ingresos, sino que los diseñadores de chips también planean con anticipación al usar más nodos en sus productos. Más recientemente, el ejemplo más notable de esto ha sido el diseño de chiplet de AMD en las CPU Ryzen de tercera generación recientemente lanzadas.

Este procesador de PC de escritorio de alta gama tendrá dos chips producidos en el nodo de 7 nm de TSMC y un chip de 14 nm fabricado por GlobalFoundries. Las primeras serán las partes reales del procesador, mientras que las segundas manejarán la memoria DDR4 y los dispositivos PCI Categorical conectados a la CPU. Suponiendo que este diseño funciona según lo previsto (y no hay razón para dudar de que debería hacerlo), entonces seguramente veremos más compañías siguiendo esta configuración de múltiples nodos.

La imagen de arriba muestra los cambios de nodo de proceso de Intel en los últimos 50 años. El eje vertical muestra el tamaño del nodo con factores de 10 a partir de 10.000 nm. El gigante de los chips ha seguido una vida media aproximada del nodo (el tiempo que lleva reducir el tamaño del nodo a la mitad cada vez) de 4.5 años.

Entonces, ¿eso significa que veremos un Intel de 5 nm para 2025? Probablemente sí, a pesar de su reciente tropiezo de 10 nm. Samsung y TSMC han avanzado con su investigación de 5 nm, por lo que el futuro se ve bien para los procesadores de todo tipo.

Serán más pequeños y más rápidos, usarán menos energía y ofrecerán más rendimiento. Liderarán el camino hacia autos totalmente autónomos, relojes inteligentes con energía y duración de la batería para los teléfonos inteligentes actuales y gráficos en el juego más allá de todo lo visto en películas multimillonarias de hace diez años.

El futuro es realmente brillante porque el futuro es pequeño .