Максимальна кількість транзисторів у процесорі. Як працює комп'ютерний процесор? Принцип роботи. Вороги невеликих транзисторів. Квантові ефекти

Усі електронні компоненти комп'ютерапобудовані на основі транзисторів. Принцип роботи транзистора було відкрито трьома вченими наприкінці 1940-х років, які у компанії Bell Labs. Цими вченими були Вільям Шоклей (William Shockley), Джон Бардін (John Bardeen) та Вальтер Бретнен (Walter Brettain). 1954 року їм було присуджено Нобелівську премію. Важливість і значення відкриття транзистора для подальших розробок у комп'ютерній галузі рівнозначно відкриттю свого часу колеса та способів видобутку вогню.

Перший комп'ютер, який отримав назву ENIAC (elecronic Numeracal Integrator and Computer), був розроблений на початку 40-х років.

Комп'ютер ENIAC на основі електронні лампи.

У той час не було винайдено транзистори, тому комп'ютер був виготовлений на основі тисяч громіздких і незручних вакуумних ламп, а для його розміщення знадобилося кілька кімнат. Вага досягала 27 тонн. Вакуумні лампи сильно нагрівалися, були дуже ненадійними та вимагали багато електроенергії. Коли ENIAC включали - вогні найближчого міста щоразу тьмяніли. ENIAC виконував лише кілька функцій. Сьогодні ці операції робить будь-який кишеньковий калькулятор.

З моменту винаходу першого транзистора було здійснено величезний стрибок вперед у галузі комп'ютерної техніки. Транзистори — простіші у виготовленні, дешевші, легші, надійніші і споживають набагато менше енергії.

Перший транзистор заміняв 40 електронних ламп, працював з більшою швидкістю, був дешевшим і надійнішим.

Як можна змусити транзистор працювати на нас? Говорячи спрощено, ми використовуємо для цього програмне забезпечення, яке дає вказівки комп'ютеру на включення та вимкнення транзисторів і в результаті призводить до вирішення поставленого завдання. У процесі виконання будь-яких програм відбувається генерація послідовності електричних імпульсів (цифрових сигналів) як двох рівнів напруги. Ця послідовність і визначає роботу транзисторів.

Природно, що універсальним є програмне забезпечення і що більше транзисторів використовується, тим складнішу і трудомістку роботу може виконати комп'ютер.

У комп'ютері транзистор працює як перемикач і складається з трьох основних елементів: колектора, емітера та бази. Припустимо, що колектор транзистора підключений до позитивного полюса 6 - вольт батареї, а емітер до негативного полюса. Електрони при цьому не проходитимуть через транзистор (він закритий). Але якщо ми подамо невелику (відкриваючу) напругу, на базу, то транзисторвідкриється і через нього на ділянці колектор-емітер піде струм.

На комп'ютері використовуються мільйони транзисторів. Наприклад, процесор Intel core i7 містить близько мільярда транзисторів.

Транзистори в процесорі, на материнській платі, різних картах розширення та периферійних пристроях реагують на цифрові сигнали, що надходять з інших пристроїв.

Таким чином сучасний комп'ютер є набір електронних перемикачів – транзисторів.

1. Технологічний процес
2. Частота процесора
3. Тепловиділення
4. Кеш пам'ять, рівні
5. Intel, AMD
6. Socket – спосіб кріплення процесора
7. Як вибрати процесор?

Технологічний процес

Процес розвитку процесорів, якщо захоплюватися, — цікаве заняття. Починалося все із мікросхем, у яких частота вимірювалася в кілогерцях. Потім технології вдосконалювалися, транзисторів ставало дедалі більше, їх розміри дедалі менше, тим самим збільшувалася частота, зменшувалося енергоспоживання і тепловиділення. У результаті сьогодні у нас є процесори, частоти яких вимірюються в кілька гігагерц, а завдяки зменшенню техпроцесу, є можливість вмістити кілька кристалів (ядер) в одній підкладці та розмістити величезну кількість транзисторів плюс додати пам'ять процесору (кеш).

У результаті маємо ефективні багатоядерні процесори з високою частотою, дещо рівневою пам'яттю, зменшеним енергоспоживанням та порівняно невеликим тепловиділенням.

Технологічні процеси починалися від 10 мікрометрів (мкм – 10 -6) та сьогоднішніх процесів до 10 нанометрів (нм – 10 -9)

У короткій частині процес створення: Виплавляється шматок кремнію в циліндричну форму, потім нарізається на тонкі пластини і на них наносяться мікросхеми, потім монтується це все в корпус і герметизується. Усі етапи виробництва дуже складні та високотехнологічні.

Ось як виглядає пластина із нанесеними на неї мікросхемами.

І трохи збільшений варіант пластини із готовими кристалами.

22 нм та 20 нм техпроцеси відповідають виробництву сьогоднішніх процесорів: Intel Ivy Bridge, Intel Haswell (Celeron, Pentium, Core i3, Core i5, Core i7).

Celeron та Pentium з цієї групи в сучасних модифікаціях. Трохи покращені для доступності в ціні, додана підтримка 64-бітної розрядності, кеш - пам'ять, проте все одно слабко справляються з сучасними завданнями, особливо Celeron.

Кількість транзисторів у процесорах, з часів створення, змінювалася від кількох тисяч до сьогоднішніх майже 2-х мільярдів!

Цікаво чи існує межа?

Частота процесора

Можна було б сказати що чим більше частота тим краще, але це зовсім не так. Краще, якщо процесори зроблено за однією архітектурою. В інших випадках продуктивність залежить від архітектури процесора, рівнів та об'єму кеш пам'яті процесора, а також від частоти системної шини. Якщо вона менша (вона зазвичай менша), то частота процесора буде знижуватися до її частот і процесор простоюватиме поки дані будуть передані по шині (материнській платі).

Перший процесор був представлений 15 листопада 1971 і мав частоту 740 кГц. На сьогодні найможніші процесори можуть досягати частоти до 5 ГГц.

Ще одна помилкова думка існує (я сам чув від деяких), що якщо процесор багатоядерний і в нього частота допустимо 2,6 Ггц, то кожне ядро ​​працює на цій частоті. Це абсолютно не так!Це сумарна частота всіх ядер. Цю максимальну частоту треба розділити на кількість ядер і вийде частота одного ядра.

Нижче приблизний графік зміни частоти процесорів (ГГц) та техпроцесу (нм).

Згодом техпроцес стає меншим, а частота збільшується і зменшується енергоспоживання.

Тепловиділення (TDP)

Процесори виділяють велику кількість тепла, без охолодження буквально за чотири секунди можуть нагрітися до 90 градусів і згоріти, а якщо є система захисту від перегріву, то відключити систему.

Тому важливо стежити за станом радіатора з кулером, періодично очищати від пилу, при необхідності змащувати кулер або замінити. Перегрів також може бути наслідком гальмування і зависання системи.

Якщо порівнювати тепловиділення між виробниками процесорів Intel і AMD, то останні вони набагато вищі. Що взагалі-то особисто мене не влаштовує. Так як процесор буде сильніше грітися, отже охолодження буде інтенсивніше працювати, більше нагнітати повітря і пил разом з ним, що призводить до якнайшвидшого засмічення радіатора і кулера, наростання курної кірки, закупорки ребер радіатора, перешкоди проходження повітря і перегріву, а також шум інтенсивного обертання кулера, адже він з більшою потужністю намагатиметься охолодити систему.

Кеш - пам'ять (SRAM), рівні (L1, L2, L3)

Тут опишу роботу в коротко її роботу. Про всі типи пам'яті можете почитати у статті Оперативний пристрій (ОЗУ).

У нас є процесор, у нього є пам'ять першого рівня L1, вона працює на частоті, що дорівнює частоті процесора, тобто дані зберігаються в цій пам'яті миттєво надійдуть для обробки в процесор. Якщо цих даних у цій пам'яті немає, йде звернення до пам'яті рівня L2, яка трохи повільніше, але обсяг її трохи більше. Далі, якщо даних немає у вищій пам'яті, йде звернення до пам'яті рівня L3, якщо така є, аналогічно вона повільніше, але більше. Та й в останню чергу йде звернення до оперативної пам'яті.

Поки йде звернення до оперативної пам'яті, процесор простоює. Простий займає трохи часу, якісь частки секунди, але в сукупності це може зайняти тривалий час.

Intel, AMD

Саме Intel та AMD є лідерами ринку з виробництва процесорів, особливо Intel з часткою близько 87%.

Не починатиму з найдавніших процесорів, а пробіжимося з найходовіших на сьогоднішній день. Список загальний, оскільки в мікроархітектуру можуть входити й інші техпроцеси під кодовими назвами:

Nehalem(1-е покоління).

64-бітові процесори: EM64T - Мікроархітектура Sandy Bridge(2-ге покоління)

64-бітові процесори: EM64T - Мікроархітектура Ivy Bridge(3-тє покоління)

64-бітові процесори: EM64T - Мікроархітектура Haswell(4-е покоління)

У першому та другому поколінні Intel Celeron та Intel Pentium не варто навіть розглядати при покупці, вони вже своє зжили, сучасні завдання не витягують.

i3,i5,i7 поділяються за поколіннями дуже просто, за першою цифрою в маркуванні, наприклад:

Intel Core i3 2100T – 2.5 ГГц, перша цифра в 2100Т це 2, значить процесор другого покоління.

Intel Core i5 3450 – 3.1 ГГц, перша цифра в 3450 це 3, означає процесор третього покоління.

Intel Core i7 4770 – 3.4 ГГц, перша цифра в 4770 це 4, означає процесор третього покоління.

Якщо маркування відсутні перші цифри 2,3,4, швидше це процесор першого покоління.

Розглянемо лінійку процесорів FX від AMD, актуальну зараз.

Мікроархітектура AMD для настільних ПК Bulldozer

Чотириядерні процесори:

Шестиядерні процесори:

Восьмиядерні процесори:

Загальна відмінність між усіма ними – це підтримка будь-яких технологій, нам не потрібних, кількістю ядер та частотою процесора. Головна відмінність є ціна. Я все ж писав що недолюблю AMD за величезне тепловиділення, проте можна підібрати модель порівнянну за потужністю з Intel, але дешевше. Хоча якщо процесор сильніше гріється потрібно відповідне охолодження, яке теж у копійчину обійдеться, то можливо не варто шукати аналог дешевше?

Socket – спосіб кріплення процесора

Socket (Сокет) – спеціальний роз'єм на материнській платі, призначений для встановлення процесора. На материнських платах виробники вказують, які типи процесорів вони підтримують, на коробці або в описі можна це почитати. І в описі процесорів теж вказується які сокети вони підтримують. Тож будьте уважні. Це стосується і кріплень радіатора процесора. Кріплення радіатора можуть бути універсальними, тобто підходити до кількох сокетів.

При встановленні процесора на материнську плату є ключі (мітки), для правильної установки. Наприклад, скошений кут на процесорі і гнізді або виступи або заглиблення в підкладці процесора і навпаки на роз'ємі.

Як виглядають мітки на Сокеті AM3

Приклад Сокета 775

І останній приклад Сокетів LGA 1366, 1150, 1155, 1156. На вигляд виглядають одинково, але при встановленні процесора побачите різницю і неможливість неправильної установки в роз'єм. Потрібно читати опис чи характеристики.

Звідки така різноманітність? Виробництво процесорів постійно вдосконалюється, змінюється кількість висновків і для того, щоб не було плутанини в підтримці та встановлення процесора, вигадують різні способи кріплення.

Як вибрати процесор?

Якщо для ігор, то Вам все одно доведеться переплатити за вбудовану графіку, тому що топові процесори йдуть із вбудованим відео плюс розщедриться на потужну відеокарту. Тут все залежить від Ваших уподобань. Для чого Ви використовуватимете комп'ютер. Якщо для роботи з документами, серфінгу в інтернеті, перегляду відео, то підійде не найпотужніший процесор. Я б ще приписав, щоб вибирали не з вбудованою графікою, але тенденція така, що практично у всі процесори вже впроваджують її. Навіть мабуть і на краще, не потрібно окремо купувати відеокарту.

Напевно найоптимальнішим варіантом на сьогоднішній день було б придбання процесора i5 від Intel другого покоління, в крайньому випадку i3 на сокеті LGA1155, оскільки ці процесори мають більш-менш доступну категорію цін. Процесори на i7 дуже дорогі і в майбутньому, коли ціни спадуть можна без проблем оновитися до більш продуктивного процесора. На мою решту модифікації не варто розглядати, вони на сокетах попередніх поколінь, без можливості оновлення конфігурації.

Наприклад, у мене досі материнська плата на Socket LGA775 з процесором Intel Core 2Duo з 2008 року. Максимум як я можу його проапгрейдить це додати оперативної пам'яті і, наприклад, поставити SSD диск. Якщо я захочу покращити комп'ютер, мені доведеться оновлювати весь комп'ютер, так як моя материнська плата вже не підтримує процесори нового покоління, підтримка оперативної пам'яті тільки DDR2, а в нових DDR3 або 4.

Принаймні Вам варто орієнтуватися на процесори, що підтримують актуальний і поширений Socket, щоб з більшою ймовірністю оновити конфігурацію обладнання в майбутньому. Хоча є ймовірність того, що з'являться нові види процесорів і роз'ємів, так що купуйте що зараз актуально на ринку. Ще є така чутка, що процесори від Intel будуть підтримувати тільки операційну систему Windows 10 і вище, кому вона не до душі, теж варто задуматися.

Є такий чудовий сайт CPUBoss, в якому можна порівняти процесори між собою за продуктивністю, параметрами і ціною. Так що вбивайте назву процесорів та вибирайте найкращий для Вас.

Редакція gg 50 років закону Мура

Редакція gg разом з усім прогресивним світом не втомлюється цього року святкувати 50-річчя закону Мура, який, нагадаємо, говорить: «Кількість елементів у мікросхемах подвоюється кожні два роки» (до речі, у нас було кілька розкішних статей на цю тему, які ви можете знайти на сайті у темі « 50 років закону Мура »). Не втомлюються його святкувати і компанії, які причетні до особистості Гордона Мура. Наприклад, Intel нещодавно підбила підсумок багаторічного втілення у життя теорії із Закону. Приголомшливі цифри були озвучені, скажу вам. Ні за що не здогадаєтеся, наскільки крутішим ваш відсталий смартфон порівняно з суперпросунутим комп'ютером, який уможливив перший політ людини на Місяць, як часто компаніям доводиться повністю модернізувати виробництво, щоб ваш ноутбук міг працювати довше, і наскільки ми страшенно близькі до моменту, коли комп'ютери стануть розумнішими за нас. Втім, навіщо гадати, ми вже всі написали!

1. Порівняно з першим процесором Intel 4004, випущеним у 1971 році, сучасний процесор має у 5,6 млн разів більше транзисторів (1,3 трлн) та у 3500 разів вищу продуктивність. Енергоефективність збільшилася у 90 000 разів. Розміри сучасних транзисторів вимірюються кількістю атомів і один транзистор неможливо побачити неозброєним оком.

2. Щоб налагодити виробництво процесорів за новим техпроцесом, кожні два роки Intel стикається з необхідністю будувати новий завод. Від старого залишається затребуваною лише будівля з підведеними комунікаціями – все обладнання треба оновлювати. Це не тільки дорого саме по собі, але вимагає й того, щоб прибуток від продажу кожного нового покоління пристроїв з новою технологією покривав витрати на будівництво ще нового заводу.

3. Цей пункт випливає із попереднього. З кожним новим поколінням процесорів кількість їх виробників зменшується, це пов'язано із значним подорожчанням технологій. Більше того, компанії змушені об'єднуватися у розробці заради прогресу, щоб хоч якось зменшити витрати. На слайді нижче видно, скільки заводів зійшло з рейок із розвитком прогресу.

4. Тактова частота процесорів, якими оснащується сучасний типовий автомобільний навігатор, становить 500 МГц. Для порівняння у космічного корабля «Аполлон» 1966 року був процесор із тактовою частотою 2 МГц. Я просто не вірю, що ця штуковина змогла підкорити Місяць!

5. Сучасний смартфон, що лежить у вас у кишені, перевершує за потужністю комп'ютер, який встановлений у марсоході Curiosity, запуск якого відбувся 6 квітня 2012 року. Хоча за фактом їх поділяє приблизно два покоління техніки.

6. 20 років тому суперкомп'ютер Cray-2 мав таку ж потужність, що й сучасний смартфон за 300 доларів. А коштував 17 млн. доларів.

Нещодавно в московському Політехнічному музеї стенд обчислювальної техніки серйозно оновився - компанія Intel розмістила там свій стенд, який отримав назву Від піску до процесораВідтепер цей стенд стане невід'ємною частиною шкільних екскурсій, але навіть дорослим я раджу не відкладати відвідування закладу на термін більше п'яти років – до 2016 року компанія Intel планує серйозно «проапгрейдити» музей, щоб він зміг увійти до десятки найкращих музеїв науки у світі!

До цієї події було присвячено однойменний цикл лекцій із трьох частин. Дві лекції вже пройшло – їх зміст ви зможете знайти під катом. Ну а якщо вас все це зацікавить, то встигнете ще відвідати третю лекцію, інформація про яку знаходиться в кінці посту.

Мені не соромно зізнатися – більша частина цього тексту справді є конспектом першої лекції, яку провів Микола Суєтін, директор із зовнішніх проектів у сфері досліджень та розробок Intel у Росії. Здебільшого йшлося про сучасні напівпровідникові технології та проблеми, які перед ними стоять.

Пропоную приступити до читання цікавого, і почнемо ми з основ.

Процесор

Докладніше (і наочно) про технологію виробництва процесорів я ще розповім, ну а поки що зовсім коротко.

Пластини справді робляться з піску – за поширеністю в земній корі кремній посідає друге місце після кисню. Шляхом хімічних реакцій оксид кремнію (SiO 2) ретельно очищають, роблячи із «брудного» чистий. Для мікроелектроніки потрібен монокристалічний кремній – його одержують із розплаву. Все починається з невеликого кристала (який і опускають у розплав) – пізніше він перетворюється на спеціальний монокристалічний «буль» на зріст з людини. Далі забираються основні дефекти та спеціальними нитками (з алмазним порошком) буль нарізається на диски – кожен диск ретельно обробляється до абсолютно рівної та гладкої (на атомарному рівні) поверхні. Товщина кожної пластини близько 1мм - виключно для того, щоб вона не ламалася і не прогиналася, тобто щоб з нею було можна комфортно працювати.

Діаметр кожної пластини складає рівно 300мм – трохи пізніше на цій площі виростуть сотні, а то й тисячі процесорів. До речі, компанії Intel, Samsung, Toshiba і TSMC вже повідомили про те, що займаються розробкою обладнання, здатного працювати з 450мм-пластинами (на більшій площі поміститься більше процесорів, а значить і ціна кожного буде нижчою) – перехід на них планується вже до 2012 року.

Ось зображення поперечного перерізу процесора:

Зверху знаходиться захисна металева кришка, яка крім захисної функції, так само виконує роль теплорозподільника - саме її ми рясно мажемо термопастою, коли встановлюємо кулер. Під теплорозподільником знаходиться той самий шматочок кремнію, який виконує всі завдання користувача. Ще нижче - спеціальна підкладка, яка потрібна для розведення контактів (і збільшення площі ніжок), щоб процесор можна було встановити в сокет материнської плати.

Сам чіп складається з кремнію, на якому знаходиться до 9 шарів металізації (з міді) – саме стільки рівнів потрібно, щоб за певним законом можна було поєднати транзистори, що знаходяться на поверхні кремнію (оскільки зробити все на одному рівні просто неможливо). По суті, ці шари виконують роль з'єднувальних проводів, лише у значно меншому масштабі; щоб «дроти» не закорочували один одного, їх розділяють шаром оксиду (з низькою діелектричною проникністю).

Як я вже писав вище, елементарним осередком процесора є польовий транзистор. Перші напівпровідникові вироби були з германію і перші транзистори виготовлялися з нього. Але як тільки почали робити польові транзистори (під затвором якого знаходиться спеціальний ізолюючий шар - тонка діелектрична плівка, що управляє «вмиканням» і «вимиканням» транзистора), германій тут же «вимер», поступившись дорогою кремнію. Останні 40 років як основний матеріал для діелектрика затвора використовувався діоксид кремнію (SiO 2), що було зумовлено його технологічністю та можливістю систематичного поліпшення характеристик транзисторів у міру зменшення їх розмірів.

Правило масштабування просте – зменшуючи розміри транзистора, товщина діелектрика має зменшуватись пропорційно. Так, наприклад, у чіпах з техпроцесом 65нм товщина шару діелектрика затвора з SiO 2 становила порядку 1.2 нм, що еквівалентно п'яти атомарним шарам. Фактично, це фізична межа для даного матеріалу, оскільки в результаті подальшого зменшення самого транзистора (а значить і зменшення шару діоксиду кремнію) струм витоку через діелектрик затвора значно зростає, що призводить до суттєвих втрат струму і надлишкового тепловиділення. У такому разі шар з діоксиду кремнію перестає бути перешкодою для квантового тунелювання електронів, через що зникає можливість гарантованого керування станом транзистора. Відповідно, навіть при ідеальному виготовленні всіх транзисторів (кількість яких у сучасному процесорі досягає кількох мільярдів), неправильна робота хоча б одного з них означає неправильну роботу всієї логіки процесора, що запросто може призвести до катастрофи – це якщо врахувати, що мікропроцесори здійснюють керування роботою практично всіх цифрових пристроїв (від сучасних мобільних телефонів до паливних систем автомобілів).

Процес мініатюризації транзисторів не пішов усупереч законам фізики, а й комп'ютерний прогрес, як бачимо, не зупинився. Це означає, що проблему з діелектриком якимось чином вирішили. І справді вирішили – при переході на 45нм компанія Intel стала використовувати новий матеріал, так званий high-k діелектрик, який замінив безперспективно тонкий шар діоксиду кремнію. Шар на базі окису рідкоземельного металу гафнію з високим (20 проти 4 у SiO 2) показником діелектричної проникності k (high-k) став товстішим, але це дозволило скоротити струм витоку більш ніж у десять разів, зберігши при цьому можливість коректно та стабільно керувати роботою транзистора. Новий діелектрик виявився погано сумісним із затвором із полікремнію, але й це не стало перешкодою – для підвищення швидкодії затвор у нових транзисторах було виконано з металу.

Таким чином, компанія Intel стала першою у світі компанією, що перейшла до масового виробництва мікропроцесорів із використанням гафнію. Понад те, пальма першості досі належить корпорації - досі ніхто неспроможна відтворити цю технологію, т.к. плівка з діелектрика створюється методом атомарного напилення, причому матеріал наноситься послідовними шарами завтовшки всього один атом.
Цікаво, після прочитання цих абзаців у вас виникла думка про те, як мільярди транзисторів проектують, роблять та вміщують на такій маленькій площі? І як це зрештою все працює і, при цьому, коштує цілком розумних грошей? Я дуже сильно задумався, хоча раніше вважав усе це очевидним і в мене навіть вистачало совісті думати. Гей, а чого так дорого? За один процесор тільки!»:)

У 1965 році один із засновників корпорації Intel, Гордон Мур, зафіксував емпіричне спостереження, яке згодом стало знаменитим законом його імені. Представивши як графіка зростання продуктивності мікросхем пам'яті, він виявив цікаву закономірність: нові моделі мікросхем розроблялися через рівні проміжки часу - приблизно 18-24 місяці - після появи їх попередників, а ємність мікросхем у своїй зростала щоразу приблизно вдвічі.

Пізніше Гордон Мур передбачив закономірність, припустивши, що кількість транзисторів у мікропроцесорах подвоюватиметься кожні два роки – власне, постійно створюючи інноваційні технології, корпорація Intel забезпечує виконання закону Мура вже понад 40 років.

Кількість транзисторів продовжує зростати, хоча розміри процесора на виході залишаються відносно незмінними. Секрету знову ж таки ніякого немає – це стає зрозумілим, якщо поглянути на наступну залежність.

Як бачите, раз на два роки топологічні розміри зменшуються у 0.7 разів. Як результат зменшення розмірів транзисторів – вища швидкість їх перемикання, нижча ціна та менша споживана потужність.

На даний момент компанія Intel випускає процесори за технологією 32нм. Ключові технічні відмінності від технології 45нм:
- використовується 9 рівнів металізації
- застосовується high-k діелектрик нового покоління (теж оксид гафнію, але зі спеціальними добавками – отриманий шар еквівалентний 0.9нм оксиду кремнію)

Створення нового технологічного процесу для створення металевого затвора призвело до 22% збільшення продуктивності всіх транзисторів (порівняно з 45нм), а також до найбільшої щільності елементів, що вимагало найбільшої щільності струму.

Виробництво

Вартість такого заводу складає близько $5 млрд, а якщо робити відразу кілька заводів, то суму інвестицій можна сміливо помножити. Якщо врахувати, що зміна технологій відбувається раз на два роки, то виходить, що завод має рівно 4 роки на те, щоб «відбити» вкладені в нього $5млрд і принести прибуток. З чого напрошується очевидний висновок - економіка навіть диктує розвиток технічного прогресу… але, незважаючи на всі ці величезні цифри, вартість виробництва одного транзистора продовжує падати - зараз вона становить менше однієї мільярдної долара.

Не треба думати, що з переходом кількох фабрик на 32нм, все раптом стане вироблятися за цим техпроцесом - тим же чіпсетам та іншим периферійним схемам це просто не потрібно - здебільшого в них використовується 45нм. Рубіж у 22нм планується повноцінно взяти вже наступного року, а до 2013 року з великою ймовірністю буде і 16нм. Принаймні цього року вже було зроблено тестову пластину (на 22нм), на якій було продемонстровано працездатність усіх елементів, необхідних для роботи процесора.

* UPD від nE0 * Необхідність зменшення товщини підзатворного діелектрика диктується простою формулою плоского конденсатора:

Площа затвора транзистора зменшується, а працездатності транзистора ємність підзатворного діелектрика потрібно зберігати.
Тому доводилося зменшувати його товщину, а коли це стало неможливо, знайшли матеріал з більшою величиною діелектричної проникності.

Коли закінчиться ера кремнію? Точна дата поки невідома, але вона безумовно не за горами. У технології 22нм він ще виразно «повоює», швидше за все і в 16нм залишиться… а далі почнеться найцікавіше. Періодична таблиця, в принципі, досить велика і вибрати є з чого) Але, швидше за все, все упреться не тільки в хімію. Збільшення ефективності роботи процесора можна буде домогтися або зменшення топологічних розмірів (зараз так і роблять), або використовуючи інші сполуки, що володіють вищою рухливістю носіїв - можливо, арсенід галію, можливо "нашумілий" і перспективний графен (до речі, у нього рухливість у сотні разів) вище, ніж кремнію). Але тут є проблеми. Зараз технології розраховані на обробку пластин з діаметром 300мм – потрібної для такої пластини кількості арсеніду галію просто немає в природі, а графен (ворд наполегливо пропонує писати «графин») такого розміру виготовити ще вкрай складно – робити це навчилися, але багато дефектів, проблеми відтворення, легування тощо.

Швидше за все, наступним кроком стане нанесення монокристалічного арсеніду галію на кремній, а потім вже графен. А, можливо, розвиток мікроелектроніки піде не тільки шляхом поліпшення технологій, але й шляхом розвитку принципово нової логіки - адже таке теж виключати не можна. Зробимо ставки, панове? ;)

Загалом, зараз триває боротьба за технології та високі рухливості. Але зрозуміло одне – причин для зупинення прогресу немає.

Тик так

У компанії Intel запровадження нової технології та архітектури рознесено за часом – в один рік вводиться технологія (і вже відпрацьована архітектура виробляється за новою технологією – якщо щось піде «не так», то винні будуть технологи); а коли нову технологію буде відпрацьовано – архітектори зроблять під неї нову архітектуру і якщо на відпрацьованій технології щось не запрацює, то винні будуть вже архітектори. Таку стратегію назвали «Тік-так».
Наочніше:

З існуючими темпами розвитку технологій, потрібні фантастичні розміри вкладення в дослідження та розробку - щорічно Intel вкладає в цю справу $4-5млрд. Частина роботи відбувається всередині компанії, але дуже багато – поза її межами. Просто тримати в компанії цілу лабораторію на кшталт Bell Labs(кузня нобелівських лауреатів) у наш час практично неможливо.
Як правило, перші ідеї закладаються в університетах – для того, щоб університети знали над чим саме має сенс працювати (які технології затребувані та що буде актуально), усі «напівпровідникові компанії» були об'єднані в консорціум. Після цього вони надають свого роду roadmap – у ньому йдеться про всі проблеми, які стоятимуть перед напівпровідниковою промисловістю у найближчі 3-5-7 років. За ідеєю, будь-яка компанія має право буквально зайти в університет і «скористатися» тією чи іншою інноваційною розробкою, але права на них, як правило, залишаються у університету-розробника – такий підхід називається «відкритими інноваціями». Компанія Intel не стала винятком і періодично прислухається до ідей студентів – після захисту, відбору на інженерному рівні та тестування в реальних умовах, ідея має всі шанси стати новою технологією.

Ось список дослідницьких центрів у всьому світі, з якими працює Intel (крім університетів):

Збільшення продуктивності призводить до подорожчання фабрик, але це своє чергу веде до природного добору. Так, наприклад, щоб окупити себе за 4 роки, кожна фабрика Intel повинна випускати щонайменше 100 працюючих пластин на годину. На кожній пластині тисячі чіпів ... і якщо зробити певні розрахунки, то стане зрозуміло - якби не було у Intel 80% світового ринку процесорів, компанія просто не змогла б окупати витрати. Висновок – мати у себе і власний «дизайн» і власне виробництво в наш час досить невигідне – як мінімум потрібно мати величезний ринок. Результат природного відбору можна бачити нижче – як видно, зі своїм «дизайном» та виробництвом у ногу з технічним прогресом крокує дедалі менше компаній. Всім іншим довелося перейти в режим fabless – так, наприклад, ні Apple, ні NVIDIA, ні навіть AMD не має власних фабрик і їм доводиться користуватися послугами інших компаній.

Крім Intel, до технології 22нм у всьому світі потенційно готові лише дві компанії - Samsung і TSMC, які вклали торік у свої фабрики понад $1 млрд. Причому TSMC не має свого підрозділу дизайну (лише foundry) – по суті, це просто високотехнологічна кузня, яка приймає замовлення від інших компаній і часто навіть не знає того, що кує.

Як можна помітити, природний відбір пройшов досить швидко – лише за 3 роки. Звідси можна зробити два висновки. Перший - що без своєї фабрики лідером індустрії стати навряд чи вдасться; другий – по суті, процвітати можна і без свого заводу. За великим рахунком, вистачить хорошого комп'ютера, мізків і вміння «малювати» - поріг входження на ринок сильно знизився і саме з цієї причини з'явилося дуже багато «стартапів». Хтось вигадує якусь схему, для якої є або штучно створюється якийсь ринок - виробники-початківці піднімаються ... PROFIT! Але поріг на ринок foundry сильно піднявся і далі тільки зростатиме...

Що ще змінилося останніми роками? Якщо згадувати, то року так до 2004 року твердження «що більша частота процесора, тим краще» було цілком справедливим. Починаючи з 2004-2005 частота процесорів майже перестала зростати, що пов'язано з виходом на своєрідні фізичні обмеження. Зараз нарощувати продуктивність можна за рахунок багатоядерності – виконуючи завдання паралельно. Але зробити багато ядер на одному чіпі не є великою проблемою – набагато складніше змусити їх правильно працювати у навантаженні. Як наслідок – з цього моменту роль софту кардинально зросла і значущість професії «програміст» найближчим часом тільки набиратиме обертів.

Загалом, підбиваючи підсумок вищесказаного:
- Закон Мура продовжує діяти
- зростання вартості розробки нових технологій і матеріалів, а також витрати на утримання фабрик зростають
- Продуктивність також зростає. Очікується стрибок під час переходу на 450мм пластини

Як результат:
- Поділ компаній на "fabless" та "foundry"
- Outsource основних R&D
- Диференціація за рахунок розвитку софту

The end

Минулого тижня у московському Політехнічному музеї відбулася друга лекція, яку

Нещодавно в московському Політехнічному музеї стенд обчислювальної техніки серйозно оновився - компанія Intel розмістила там свій стенд, який отримав назву Від піску до процесораВідтепер цей стенд стане невід'ємною частиною шкільних екскурсій, але навіть дорослим я раджу не відкладати відвідування закладу на термін більше п'яти років – до 2016 року компанія Intel планує серйозно «проапгрейдити» музей, щоб він зміг увійти до десятки найкращих музеїв науки у світі!

До цієї події було присвячено однойменний цикл лекцій із трьох частин. Дві лекції вже пройшло – їх зміст ви зможете знайти під катом. Ну а якщо вас все це зацікавить, то встигнете ще відвідати третю лекцію, інформація про яку знаходиться в кінці посту.

Мені не соромно зізнатися – більша частина цього тексту справді є конспектом першої лекції, яку провів Микола Суєтін, директор із зовнішніх проектів у сфері досліджень та розробок Intel у Росії. Здебільшого йшлося про сучасні напівпровідникові технології та проблеми, які перед ними стоять.

Пропоную приступити до читання цікавого, і почнемо ми з основ.

Процесор

Докладніше (і наочно) про технологію виробництва процесорів я ще розповім, ну а поки що зовсім коротко.

Пластини справді робляться з піску – за поширеністю в земній корі кремній посідає друге місце після кисню. Шляхом хімічних реакцій оксид кремнію (SiO 2) ретельно очищають, роблячи із «брудного» чистий. Для мікроелектроніки потрібен монокристалічний кремній – його одержують із розплаву. Все починається з невеликого кристала (який і опускають у розплав) – пізніше він перетворюється на спеціальний монокристалічний «буль» на зріст з людини. Далі забираються основні дефекти та спеціальними нитками (з алмазним порошком) буль нарізається на диски – кожен диск ретельно обробляється до абсолютно рівної та гладкої (на атомарному рівні) поверхні. Товщина кожної пластини близько 1мм - виключно для того, щоб вона не ламалася і не прогиналася, тобто щоб з нею було можна комфортно працювати.

Діаметр кожної пластини складає рівно 300мм – трохи пізніше на цій площі виростуть сотні, а то й тисячі процесорів. До речі, компанії Intel, Samsung, Toshiba і TSMC вже повідомили про те, що займаються розробкою обладнання, здатного працювати з 450мм-пластинами (на більшій площі поміститься більше процесорів, а значить і ціна кожного буде нижчою) – перехід на них планується вже до 2012 року.

Ось зображення поперечного перерізу процесора:

Зверху знаходиться захисна металева кришка, яка крім захисної функції, так само виконує роль теплорозподільника - саме її ми рясно мажемо термопастою, коли встановлюємо кулер. Під теплорозподільником знаходиться той самий шматочок кремнію, який виконує всі завдання користувача. Ще нижче - спеціальна підкладка, яка потрібна для розведення контактів (і збільшення площі ніжок), щоб процесор можна було встановити в сокет материнської плати.

Сам чіп складається з кремнію, на якому знаходиться до 9 шарів металізації (з міді) – саме стільки рівнів потрібно, щоб за певним законом можна було поєднати транзистори, що знаходяться на поверхні кремнію (оскільки зробити все на одному рівні просто неможливо). По суті, ці шари виконують роль з'єднувальних проводів, лише у значно меншому масштабі; щоб «дроти» не закорочували один одного, їх розділяють шаром оксиду (з низькою діелектричною проникністю).

Як я вже писав вище, елементарним осередком процесора є польовий транзистор. Перші напівпровідникові вироби були з германію і перші транзистори виготовлялися з нього. Але як тільки почали робити польові транзистори (під затвором якого знаходиться спеціальний ізолюючий шар - тонка діелектрична плівка, що управляє «вмиканням» і «вимиканням» транзистора), германій тут же «вимер», поступившись дорогою кремнію. Останні 40 років як основний матеріал для діелектрика затвора використовувався діоксид кремнію (SiO 2), що було зумовлено його технологічністю та можливістю систематичного поліпшення характеристик транзисторів у міру зменшення їх розмірів.

Правило масштабування просте – зменшуючи розміри транзистора, товщина діелектрика має зменшуватись пропорційно. Так, наприклад, у чіпах з техпроцесом 65нм товщина шару діелектрика затвора з SiO 2 становила порядку 1.2 нм, що еквівалентно п'яти атомарним шарам. Фактично, це фізична межа для даного матеріалу, оскільки в результаті подальшого зменшення самого транзистора (а значить і зменшення шару діоксиду кремнію) струм витоку через діелектрик затвора значно зростає, що призводить до суттєвих втрат струму і надлишкового тепловиділення. У такому разі шар з діоксиду кремнію перестає бути перешкодою для квантового тунелювання електронів, через що зникає можливість гарантованого керування станом транзистора. Відповідно, навіть при ідеальному виготовленні всіх транзисторів (кількість яких у сучасному процесорі досягає кількох мільярдів), неправильна робота хоча б одного з них означає неправильну роботу всієї логіки процесора, що запросто може призвести до катастрофи – це якщо врахувати, що мікропроцесори здійснюють керування роботою практично всіх цифрових пристроїв (від сучасних мобільних телефонів до паливних систем автомобілів).

Процес мініатюризації транзисторів не пішов усупереч законам фізики, а й комп'ютерний прогрес, як бачимо, не зупинився. Це означає, що проблему з діелектриком якимось чином вирішили. І справді вирішили – при переході на 45нм компанія Intel стала використовувати новий матеріал, так званий high-k діелектрик, який замінив безперспективно тонкий шар діоксиду кремнію. Шар на базі окису рідкоземельного металу гафнію з високим (20 проти 4 у SiO 2) показником діелектричної проникності k (high-k) став товстішим, але це дозволило скоротити струм витоку більш ніж у десять разів, зберігши при цьому можливість коректно та стабільно керувати роботою транзистора. Новий діелектрик виявився погано сумісним із затвором із полікремнію, але й це не стало перешкодою – для підвищення швидкодії затвор у нових транзисторах було виконано з металу.

Таким чином, компанія Intel стала першою у світі компанією, що перейшла до масового виробництва мікропроцесорів із використанням гафнію. Понад те, пальма першості досі належить корпорації - досі ніхто неспроможна відтворити цю технологію, т.к. плівка з діелектрика створюється методом атомарного напилення, причому матеріал наноситься послідовними шарами завтовшки всього один атом.
Цікаво, після прочитання цих абзаців у вас виникла думка про те, як мільярди транзисторів проектують, роблять та вміщують на такій маленькій площі? І як це зрештою все працює і, при цьому, коштує цілком розумних грошей? Я дуже сильно задумався, хоча раніше вважав усе це очевидним і в мене навіть вистачало совісті думати. Гей, а чого так дорого? За один процесор тільки!»:)

У 1965 році один із засновників корпорації Intel, Гордон Мур, зафіксував емпіричне спостереження, яке згодом стало знаменитим законом його імені. Представивши як графіка зростання продуктивності мікросхем пам'яті, він виявив цікаву закономірність: нові моделі мікросхем розроблялися через рівні проміжки часу - приблизно 18-24 місяці - після появи їх попередників, а ємність мікросхем у своїй зростала щоразу приблизно вдвічі.

Пізніше Гордон Мур передбачив закономірність, припустивши, що кількість транзисторів у мікропроцесорах подвоюватиметься кожні два роки – власне, постійно створюючи інноваційні технології, корпорація Intel забезпечує виконання закону Мура вже понад 40 років.

Кількість транзисторів продовжує зростати, хоча розміри процесора на виході залишаються відносно незмінними. Секрету знову ж таки ніякого немає – це стає зрозумілим, якщо поглянути на наступну залежність.

Як бачите, раз на два роки топологічні розміри зменшуються у 0.7 разів. Як результат зменшення розмірів транзисторів – вища швидкість їх перемикання, нижча ціна та менша споживана потужність.

На даний момент компанія Intel випускає процесори за технологією 32нм. Ключові технічні відмінності від технології 45нм:
- використовується 9 рівнів металізації
- застосовується high-k діелектрик нового покоління (теж оксид гафнію, але зі спеціальними добавками – отриманий шар еквівалентний 0.9нм оксиду кремнію)

Створення нового технологічного процесу для створення металевого затвора призвело до 22% збільшення продуктивності всіх транзисторів (порівняно з 45нм), а також до найбільшої щільності елементів, що вимагало найбільшої щільності струму.

Виробництво

Вартість такого заводу складає близько $5 млрд, а якщо робити відразу кілька заводів, то суму інвестицій можна сміливо помножити. Якщо врахувати, що зміна технологій відбувається раз на два роки, то виходить, що завод має рівно 4 роки на те, щоб «відбити» вкладені в нього $5млрд і принести прибуток. З чого напрошується очевидний висновок - економіка навіть диктує розвиток технічного прогресу… але, незважаючи на всі ці величезні цифри, вартість виробництва одного транзистора продовжує падати - зараз вона становить менше однієї мільярдної долара.

Не треба думати, що з переходом кількох фабрик на 32нм, все раптом стане вироблятися за цим техпроцесом - тим же чіпсетам та іншим периферійним схемам це просто не потрібно - здебільшого в них використовується 45нм. Рубіж у 22нм планується повноцінно взяти вже наступного року, а до 2013 року з великою ймовірністю буде і 16нм. Принаймні цього року вже було зроблено тестову пластину (на 22нм), на якій було продемонстровано працездатність усіх елементів, необхідних для роботи процесора.

* UPD від * Необхідність зменшення товщини підзатворного діелектрика диктується простою формулою плоского конденсатора:

Площа затвора транзистора зменшується, а працездатності транзистора ємність підзатворного діелектрика потрібно зберігати.
Тому доводилося зменшувати його товщину, а коли це стало неможливо, знайшли матеріал з більшою величиною діелектричної проникності.

Коли закінчиться ера кремнію? Точна дата поки невідома, але вона безумовно не за горами. У технології 22нм він ще виразно «повоює», швидше за все і в 16нм залишиться… а далі почнеться найцікавіше. Періодична таблиця, в принципі, досить велика і вибрати є з чого) Але, швидше за все, все упреться не тільки в хімію. Збільшення ефективності роботи процесора можна буде домогтися або зменшення топологічних розмірів (зараз так і роблять), або використовуючи інші сполуки, що володіють вищою рухливістю носіїв - можливо, арсенід галію, можливо "нашумілий" і перспективний графен (до речі, у нього рухливість у сотні разів) вище, ніж кремнію). Але тут є проблеми. Зараз технології розраховані на обробку пластин з діаметром 300мм – потрібної для такої пластини кількості арсеніду галію просто немає в природі, а графен (ворд наполегливо пропонує писати «графин») такого розміру виготовити ще вкрай складно – робити це навчилися, але багато дефектів, проблеми відтворення, легування тощо.

Швидше за все, наступним кроком стане нанесення монокристалічного арсеніду галію на кремній, а потім вже графен. А, можливо, розвиток мікроелектроніки піде не тільки шляхом поліпшення технологій, але й шляхом розвитку принципово нової логіки - адже таке теж виключати не можна. Зробимо ставки, панове? ;)

Загалом, зараз триває боротьба за технології та високі рухливості. Але зрозуміло одне – причин для зупинення прогресу немає.

Тик так

У компанії Intel запровадження нової технології та архітектури рознесено за часом – в один рік вводиться технологія (і вже відпрацьована архітектура виробляється за новою технологією – якщо щось піде «не так», то винні будуть технологи); а коли нову технологію буде відпрацьовано – архітектори зроблять під неї нову архітектуру і якщо на відпрацьованій технології щось не запрацює, то винні будуть вже архітектори. Таку стратегію назвали «Тік-так».
Наочніше:

З існуючими темпами розвитку технологій, потрібні фантастичні розміри вкладення в дослідження та розробку - щорічно Intel вкладає в цю справу $4-5млрд. Частина роботи відбувається всередині компанії, але дуже багато – поза її межами. Просто тримати в компанії цілу лабораторію на кшталт Bell Labs(кузня нобелівських лауреатів) у наш час практично неможливо.
Як правило, перші ідеї закладаються в університетах – для того, щоб університети знали над чим саме має сенс працювати (які технології затребувані та що буде актуально), усі «напівпровідникові компанії» були об'єднані в консорціум. Після цього вони надають свого роду roadmap – у ньому йдеться про всі проблеми, які стоятимуть перед напівпровідниковою промисловістю у найближчі 3-5-7 років. За ідеєю, будь-яка компанія має право буквально зайти в університет і «скористатися» тією чи іншою інноваційною розробкою, але права на них, як правило, залишаються у університету-розробника – такий підхід називається «відкритими інноваціями». Компанія Intel не стала винятком і періодично прислухається до ідей студентів – після захисту, відбору на інженерному рівні та тестування в реальних умовах, ідея має всі шанси стати новою технологією.

Ось список дослідницьких центрів у всьому світі, з якими працює Intel (крім університетів):

Збільшення продуктивності призводить до подорожчання фабрик, але це своє чергу веде до природного добору. Так, наприклад, щоб окупити себе за 4 роки, кожна фабрика Intel повинна випускати щонайменше 100 працюючих пластин на годину. На кожній пластині тисячі чіпів ... і якщо зробити певні розрахунки, то стане зрозуміло - якби не було у Intel 80% світового ринку процесорів, компанія просто не змогла б окупати витрати. Висновок – мати у себе і власний «дизайн» і власне виробництво в наш час досить невигідне – як мінімум потрібно мати величезний ринок. Результат природного відбору можна бачити нижче – як видно, зі своїм «дизайном» та виробництвом у ногу з технічним прогресом крокує дедалі менше компаній. Всім іншим довелося перейти в режим fabless – так, наприклад, ні Apple, ні NVIDIA, ні навіть AMD не має власних фабрик і їм доводиться користуватися послугами інших компаній.

Крім Intel, до технології 22нм у всьому світі потенційно готові лише дві компанії - Samsung і TSMC, які вклали торік у свої фабрики понад $1 млрд. Причому TSMC не має свого підрозділу дизайну (лише foundry) – по суті, це просто високотехнологічна кузня, яка приймає замовлення від інших компаній і часто навіть не знає того, що кує.

Як можна помітити, природний відбір пройшов досить швидко – лише за 3 роки. Звідси можна зробити два висновки. Перший - що без своєї фабрики лідером індустрії стати навряд чи вдасться; другий – по суті, процвітати можна і без свого заводу. За великим рахунком, вистачить хорошого комп'ютера, мізків і вміння «малювати» - поріг входження на ринок сильно знизився і саме з цієї причини з'явилося дуже багато «стартапів». Хтось вигадує якусь схему, для якої є або штучно створюється якийсь ринок - виробники-початківці піднімаються ... PROFIT! Але поріг на ринок foundry сильно піднявся і далі тільки зростатиме...

Що ще змінилося останніми роками? Якщо згадувати, то року так до 2004 року твердження «що більша частота процесора, тим краще» було цілком справедливим. Починаючи з 2004-2005 частота процесорів майже перестала зростати, що пов'язано з виходом на своєрідні фізичні обмеження. Зараз нарощувати продуктивність можна за рахунок багатоядерності – виконуючи завдання паралельно. Але зробити багато ядер на одному чіпі не є великою проблемою – набагато складніше змусити їх правильно працювати у навантаженні. Як наслідок – з цього моменту роль софту кардинально зросла і значущість професії «програміст» найближчим часом тільки набиратиме обертів.

Загалом, підбиваючи підсумок вищесказаного:
- Закон Мура продовжує діяти
- зростання вартості розробки нових технологій і матеріалів, а також витрати на утримання фабрик зростають
- Продуктивність також зростає. Очікується стрибок під час переходу на 450мм пластини

Як результат:
- Поділ компаній на "fabless" та "foundry"
- Outsource основних R&D
- Диференціація за рахунок розвитку софту

The end

Минулого тижня у московському Політехнічному музеї відбулася друга лекція, яку