En el mundo de los chips de computadora, los números más grandes son generalmente mejores. Más núcleos, GHz más altos, FLOP más grandes por parte de ingenieros y usuarios. Pero hay una medida que es una noticia candente en este momento, y cuanto menor, mejor. Pero, ¿qué es exactamente y por qué es tan importante? ¿Por qué se mide en nanómetros y por qué vamos por Barrio Sésamo y les traemos este artículo con los números 10, 7 y 5? Hagamos un viaje al mundo de los nodos informáticos ...

Antes de explorar cualquier cosa, vale la pena dedicar un tiempo a revisar nuestro análisis final de la arquitectura de la CPU. En la primera parte, arquitectura básica de procesadores y en la segunda parte, ingenieros planifican y diseñan ellos.

La parte clave de este artículo es una explicación de cómo funcionan los chips de computadora. físicamente juntos. Si desea una comprensión profunda del proceso de fabricación, querrá leer la sección de fotolitografía detenidamente, nos centraremos más en este punto que se menciona brevemente en esta función:

Uno de los términos de marketing más importantes asociados con la fabricación de chips es el tamaño de las características.




En la industria de chips, tamaño de característica, nodo de cálculo. Como mencionamos Cómo diseñar procesadores, parte 3, Este es un término bastante vago ya que diferentes fabricantes usan la frase para describir diferentes aspectos del chip, pero no hace mucho tiempo refiriéndose al espacio más pequeño entre dos secciones de un transistor.




Hoy en día es más un término de marketing y no es muy útil para comparar métodos de producción. Sin embargo, el transistor es una característica crítica de cualquier procesador porque los grupos manejan todos los crujidos numéricos y el almacenamiento de datos dentro del chip, y es muy deseable un nodo de procesamiento más pequeño del mismo fabricante. La pregunta obvia que se debe hacer aquí ¿por qué?

Nada sucede instantáneamente en el mundo de los procesadores, ni sucede sin requerir una fuente de energía eléctrica. Los componentes más grandes tardan más en cambiar su estado, las señales tardan más en viajar y se requiere más energía para llevar electricidad al procesador. Sin intentar hacer un sonido grande, los componentes más grandes ocupan más espacio físico, por lo que los chips son más grandes.







En la imagen de arriba, estamos viendo tres CPU Intel heredadas. Comenzando por la izquierda, hay un Celeron 2006, un Pentium M 2004 y un Pentium realmente antiguo de 1995. Hay un nodo de proceso de 65, 90 y 350 nm respectivamente. En otras palabras, las piezas críticas en el diseño de 24 años son 5 veces más grandes que el diseño de 13 años. Otra diferencia clave es que el nuevo chip contiene 290 millones de transistores, mientras que el Pentium original tiene poco más de 3 millones; casi cientos de veces menos.

Aunque la reducción en el nodo de procesamiento es parte de la razón por la que el diseño más nuevo es físicamente más pequeño y tiene más transistores, juega un papel importante en la capacidad de Intel para entregarlo.




Pero el verdadero éxito: el Celeron solo genera unos 30 W de calor en comparación con los 12 W del Pentium. Este calor es el resultado de la pérdida de energía debido a varios procesos y energía a medida que la electricidad se empuja alrededor de los circuitos del chip. la gran mayoría se libera en forma de calor. Sí, 30 es un número mayor que 12, pero recuerde que el chip tiene aproximadamente 100 veces más transistores.

Entonces, si los beneficios de tener un nodo de cómputo más pequeño dan como resultado chips más pequeños, revela más transistores que pueden cambiar más rápido, lo que hace más cálculos por segundo, y si pierde menos energía en forma de calor, surge otra pregunta: ¿Por qué no todos los chips del mundo utilizan el nodo de cálculo más pequeño posible??

¡Hágase la luz!

En este punto, fotolitografi: ligero, Máscara de luzbloqueando la luz en algunas áreas y traslúcida en otras. La luz por donde pasa se enfoca luego en un pequeño punto y luego reacciona con una capa especial utilizada en la fabricación del chip para ayudar a determinar dónde estarán las distintas partes.




Piense en ello como una radiografía de su mano: los huesos bloquean los rayos, actuando como una fotomáscara, mientras producen una imagen de la estructura interna de la mano.

Fuente de imagen: Peellden, Wikimedia Commons

La luz en realidad no se usa, es demasiado grande incluso para chips como el antiguo Pentium. Quizás se pregunte cómo la luz en el mundo puede tener cualquier tamaño, pero longitud de onda. Ligero, onda electromagnéticaes una mezcla cíclica continua de campos eléctricos y magnéticos.

Aunque usamos una onda sinusoidal clásica para visualizar la forma, las ondas electromagnéticas realmente no tienen forma. Esta es más una situación en la que el efecto que producen al interactuar con algo sigue ese patrón. La longitud de onda de este patrón cíclico es la distancia física entre dos puntos idénticos: la imagen es qué tan lejos están las crestas de estas olas, mientras que las olas del mar llegan a una playa. Las ondas electromagnéticas tienen una amplia gama de posibles longitudes de onda, así que únalas y espectro.

Pequeño más pequeño más pequeño

En la imagen de abajo, 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, etc. También podemos ver algunos números para longitudes de onda; la luz está en algún lugar alrededor de las 10-7 metros o aproximadamente 0.000004 pulgadas!

Los científicos e ingenieros prefieren utilizar un método ligeramente diferente para describir longitudes pequeñas y nanómetros o nm para abreviar. Si miramos la porción extendida del espectro, podemos ver que la luz en realidad varía de 380 nm a 750 nm.

Fuente de imagen: Philip Ronan, Gringer

Regrese a este artículo y vuelva a leer la parte sobre el antiguo chip Celeron: se produjo en un nodo de proceso de 65 nm. Entonces, ¿cómo se pueden hacer pequeñas piezas de luz? Simple: el proceso de fotolitografía no usó luz, usó luz ultravioleta (también conocida como UV).

En el gráfico de espectro, la radiación ultravioleta comienza alrededor de 380 nm (donde termina la luz) y se reduce a unos 10 nm. Fabricantes como Intel, TSMC y GlobalFoundries EUV (extremo UV) tiene un tamaño de aproximadamente 190 nm. Esta pequeña ola no solo significa que los componentes en sí se pueden crear más pequeños, sino que su calidad general podría ser potencialmente mejor. Esto permite que las distintas partes se empaqueten más juntas y ayuda a reducir el tamaño total del chip.

Diferentes empresas ofrecen varios nombres para la escala de nodo de cálculo que utilizan. TSMC simplemente dice "10FF", mientras que Intel dice que el más nuevo para el público es P1274 o "10 nm". Diseñadores de procesadores como AMD Creando diseños y estructuras confiar en los gustos de TSMC para nodos de proceso más pequeños y luego actualizar las líneas de producción de alto volumen de "7 nm" a principios de este año. En esta escala de producción, algunas de las características más pequeñas tienen solo 6 nm (pero la mayoría son más grandes que eso).

De hecho, para comprender cuán pequeños son realmente 6 nm, los átomos de silicio que forman la masa del procesador se colocan aproximadamente a 0,5 nm de distancia, con los átomos en sí de aproximadamente 0,1 nm de diámetro. Por lo tanto, como figura de una cancha de baloncesto, las fábricas de TSMC se ocupan de aspectos de un transistor que abarcan menos de 10 átomos de silicio de ancho.

Dificultad para apuntar a los átomos

Dejando de lado el hecho inconcebible de que los fabricantes de chips están trabajando para obtener propiedades que son solo un puñado de átomos, la fotolitografía EUV ha creado una serie de serios problemas de ingeniería y fabricación.

Intel ha luchado particularmente con GlobalFoundries para llevar la producción de 10 nm a una de 14 nm y nivelarla con la del año pasado. detuvo todo el desarrollo Si bien los problemas de Intel y GF, de 7 nm y sistemas de producción más pequeños, no son causados ​​por las dificultades inherentes de la fotolitografía EUV, no pueden estar completamente desvinculados.

Cuanto más corta es la longitud de onda de una onda electromagnética, más energía transporta, lo que proporciona un mayor potencial de daño al chip generado; La fabricación a muy pequeña escala es muy susceptible a la contaminación y defectos en los materiales utilizados. Otros problemas, como los límites de difracción y el ruido estadístico (variación natural en la que la energía transferida por la onda EUV se acumula en la capa de chip) también conspiran contra el objetivo de lograr chips 100% perfectos.

Dos defectos de fabricación en un chip. Fuente: Tecnología de estado sólido

También existe la suposición de que en el extraño mundo de los átomos, el flujo de electricidad y la transferencia de energía ya no pueden seguir los sistemas y reglas clásicos. Mantener la electricidad en forma de átomos en movimiento (una de las tres partículas que forman los átomos) es relativamente fácil para que los conductores fluyan juntos, separados, en la escala a la que estamos acostumbrados: envolver los conductores con una capa gruesa de aislamiento.

En el nivel en el que están trabajando Intel y TSMC, esto es mucho más difícil de lograr porque el aislamiento no es lo suficientemente grueso. Sin embargo, por ahora, los problemas de fabricación están casi completamente relacionados con los problemas inherentes de la fotolitografía EUV, por lo que pasarán algunos años antes de que podamos comenzar a discutir el comportamiento cuántico de Nvidia mejor que AMD u otras tonterías similares.

Porque el problema real es la razón última detrás de las dificultades de fabricación, Intel, TSMC y todos sus fabricantes. negociosy solo están apuntando a los átomos para obtener ingresos futuros. En trabajo de investigación de trabajo MentorLa siguiente descripción general de cuánto más se ha presentado oblea costo para nodos de proceso más pequeños.

Por ejemplo, suponiendo que el nodo de proceso de 28 nm es el mismo que usa Intel para fabricar las CPU de la serie Haswell (como el Core i7-4790K), el sistema de 10 nm cuesta casi el doble por oblea. La cantidad de chips que puede producir cada oblea depende en gran medida del tamaño de cada chipPero ir con una escala de transacciones más pequeña significa que una oblea puede traer potencialmente más chips para vender y ayuda a compensar el aumento de costos. En última instancia, gran parte de este costo se reducirá para el consumidor al aumentar el precio minorista del producto, pero esto debe equilibrarse con la demanda de la industria.

El aumento en las ventas de teléfonos inteligentes en los últimos años, con un crecimiento casi exponencial en la tecnología inteligente en hogares y automóviles, significa que los fabricantes de chips han tenido que absorber el golpe financiero de ir a nodos informáticos más pequeños hasta que todo el sistema madure. Suficiente para cortar obleas de alto rendimiento (es decir, aquellas con la menor cantidad de defectos posible) en grandes volúmenes. Dado de lo que estamos hablando miles de millones de Es un negocio arriesgado y una buena parte de la razón por la que GlobalFoundries se está rescatando de la carrera de los nodos informáticos.

Perspectiva del futuro

Si todo esto suena un poco apocalíptico y si esto suena un poco a apocalipsis, debemos recordar que el futuro cercano parece positivo. Samsung y TSMC no solo están ejecutando sus líneas de producción de 7 nm con un margen saludable en términos de volumen e ingresos, sino que sus diseñadores de chips también planean avanzar utilizando múltiples nodos en sus productos. Recientemente, el ejemplo más notable de esto ha sido el diseño de chip recientemente lanzado por AMD. Ryzen de tercera generación CPU'lar.

Este procesador de PC de escritorio de alta gama constará de dos chips fabricados en el nodo de 7 nm de TSMC y un chip de 14 nm fabricado por GlobalFoundries. La primera serán las partes reales del procesador, la segunda procesará la memoria DDR4 y los dispositivos PCI Express conectados a la CPU. Suponiendo que este diseño funciona según lo previsto (y no hay razón para dudar de que así sea), veremos casi más empresas siguiendo esta configuración de múltiples nodos.

La imagen de arriba muestra los cambios en el nodo de cómputo de Intel durante los últimos 50 años. El eje vertical muestra el tamaño del nodo por un factor de 10, comenzando a 10 000 nm desde la parte superior. El chip gigante siguió una semivida aproximada de 4,5 años (el tiempo necesario para reducir a la mitad el tamaño del nodo cada vez).

Entonces, ¿eso significa que veremos Intel de 5 nm para 2025? Probablemente sí, a pesar de su último tropiezo con 10 nm. Samsung y TSMC progresando Gracias a la investigación de 5 nm, es bueno para cualquier procesador futuro.

Al consumir menos energía, se vuelven más pequeños y más rápidos y ofrecen más rendimiento. Llevarán a automóviles totalmente autónomos, relojes inteligentes con la potencia y duración de la batería de los teléfonos inteligentes actuales, y gráficos en juegos más allá de lo visto en películas de millones de dólares hace una década.

El futuro es realmente brillante porque vendrá pequeña.