7 nm

22, 14, 12, 10, 7 nm…

Fot. Piotr Sokołowski
Stale mówi się o najnowszych 7 nm układach scalonych. Dlaczego producenci krok po kroku zmniejszają skalę? I co ma z tym wspólnego Polak, Jan Czochralski? Zapraszamy do fascynującego świata nanometrów.

Ile nanometrów jest w nanometrach?

Dawniej wartość wyrażana w nanometrach odnosząca się do produkcji układów scalonych definiowała po prostu szerokość bramki, czyli tego obszaru, który jest izolatorem, gdy tranzystor jest wyłączony i przewodnikiem, gdy tranzystor jest włączony. Jest jeszcze inne wyjaśnienie: w nanometrach wyrażano rozmiar najmniejszego elementu, który dało się naszkicować na powierzchni krzemowego wafla za pomocą techniki litograficznej. To już jednak historia. Obecnie owe nanometry podnoszące ciśnienie pasjonatom nowoczesnych technologii nie mają wiele wspólnego z faktycznymi wymiarami konkretnych układów i ich elementów. To bardziej marketing. Weźmy na przykład dwa procesory klasy 14 nm – Intela i AMD. „Niebiescy”, chwaląc się układami 14 nm, pokazywali, że ich układ ma bramkę 42 nm, szerokość finu 8 nm i wysokość 42 nm (widzicie tu gdzieś 14 nm?). Teraz AMD. Ich układ klasy 14 nm charakteryzuje się również bramką 42 nm, fin 10 nm, a wysokość 25 nm. Znowu nie ma 14. Czy to znaczy, że producenci procesorów nas oszukują? Nie. Podkreślane na slajdach nanometry odnoszą się do pewnej szacowanej, niejako wirtualnej klasy procesu technologicznego, uwzględniającego fotolitografię, pobór mocy czy wydajność układu – i w tym sensie ma to o tyle wartość dla konsumentów, że proces klasy o mniejszej liczbie nanometrów jest efektywniejszy energetycznie (tak samo wydajny przy mniejszym poborze mocy lub wydajniejszy przy takim samym poborze energii). Ale tych 10 czy 7 nm w żaden sposób nie odnosi się do faktycznych wielkości poszczególnych elementów w układach scalonych.

Mało tego, podobny stan trwa od dawna. Kilka lat temu TSMC, IBM, Samsung i GlobalFoundries zarzuciły Intelowi, że zachwala swój „proces technologiczny 32 nm”, podczas gdy faktyczna gęstość elementów w układzie produkowanym w rzeczonym procesie odpowiadała gęstości elementów w układzie powstającym u innych producentów w procesie 40 nm. Efekt? Wszyscy zaczęli na potęgę przerzucać się nanometrami. IBM chwalił się 16 nm procesem, który zapewnia gęstość taką jak de facto 20 nm, choć jest pewna różnica – zamiast tranzystorów planarnych zaczęto używać FinFET-ów. Z kolei Intel ma swoje tranzystory przestrzenne Tri-Gate, ale opowieść o tranzystorach to już całkiem inna historia. To co dla nas, użytkowników i konsumentów jest ważne, to fakt, że na wydajność jakiegokolwiek układu powinniśmy patrzeć całościowo, polegać na testach wydajności przeprowadzanych przez kompetentnych specjalistów i analizować wyniki w kontekście konkretnych zastosowań chipu, a nie patrzeć wyłącznie na wielkie napisy na reklamowych plakatach w stylu: „FIRST, EVER 7 nm!!!” Bo marketingowe nanometry w branży półprzewodnikowej dawno rozminęły się z prawdą.

Co nam daje 7 nm?

Produkcja procesorów to proces niezwykle skomplikowany. Powyższy opis jest bardzo uproszczonym wyjaśnieniem tego, co dzieje się w fabrykach TSMC, Samsunga, Intela czy GlobalFoundries. Marketingowe nanometry mają za zadanie poinformować konsumentów, że oto mamy układ wykonany w nowszy sposób niż starsze układy. Jak zatem powinniśmy interpretować 7 nm ogłoszone m.in. przez Huawei (chip Kirin 980) albo AMD (Vega 20, procesory EPYC 2 generacji)? Przede wszystkim zmniejszenie liczby nanometrów w danej klasie produkcyjnej – mówimy tu zasadniczo o najbardziej nas interesującym w tej chwili procesie 7 nm – wskazuje na układ, którego moc obliczeniowa, przy zachowaniu tej samej architektury w porównaniu do układów ze starszej klasy produkcyjnej (np. proces 14 nm) i tej samej powierzchni chipu, powinna być wyższa. Mniejszy wymiar w nanometrach oznacza po prostu gęstsze upakowanie aktywnych elementów układu na tej samej powierzchni.

Tymczasem IBM wykonało już chip w skali 5 nm, mieszcząc w jednym układzie 30 miliardów tranzystorów (graf. Generation NT)

Inny przykład: wyobraźmy sobie, że produkujemy identyczny układ z wykorzystaniem dwóch różnych procesów produkcyjnych: 14 i 7 nm. Ten wykonany w 7 nm będzie fizycznie mniejszy (bo liczba elementów, np. tranzystorów, w obu układach jest identyczna) i będzie pobierał mniej energii, choć będzie tak samo wydajny (bo przecież jest de facto identycznym układem co 14 nm odpowiednik, tylko wykonanym w mniejszej skali). To oczywiście duże uproszczenie, bo pomijamy problem bariery potencjału czy napięcia przyłożonego do bramki tranzystora układu, by ten w ogóle pełnił rolę przewodnika. Wracając do nanometrów, mniejsza klasa procesu technologicznego oznacza też, że przy większej gęstości upakowania elementów układu na powierzchni wafla krzemowego producent zmieści większą liczbę chipów. To oszczędność, oczywiście po części zjadana przez wymagane inwestycje podczas wprowadzania nowego procesu produkcyjnego. Ale w tym już głowa włodarzy producentów układów, by to wszystko się kalkulowało.

Reklama

Absolutnie nie powinniśmy wpadać w pułapkę myślową typu: „mniejszy proces technologiczny to szybszy procesor”, bo to błędne twierdzenie. Mniejszy i – co ważne – stabilny proces technologiczny pozwala tworzyć lepsze układy, ale ich wydajność możemy porównywać wyłącznie w kontekście podobnych architektur. Na przykład Kirin 980 czy AMD Zen 2 Rome, choć oba są zachwalane jako 7 nm, to dwa zupełnie odmienne (o różnej architekturze) układy, których wydajności nie ma najmniejszego sensu porównywać. Akurat w przypadku tych dwóch chipów mniejszy proces technologiczny w układzie HiSilicon (cześć Huawei zajmująca się produkcją układów scalonych) Kirin 980 oznacza większą energooszczędność, co ma przecież znaczenie w przypadku sprzętu mobilnego, do którego ten chip jest kierowany.

Litograficzne plany AMD

Podobnie jest w przypadku AMD EPYC, czyli układów wielordzeniowych przeznaczonych do serwerów. Jako ciekawostkę warto zaznaczyć, że w przypadku najnowszych serwerowych układów AMD galimatias z nanometrami jest jeszcze większy. Jeden procesor w architekturze Zen 2 zawiera dwa rodzaje krzemowych jąder, które wykonane są w dwóch różnych procesach technologicznych, na dodatek w dwóch różnych fabrykach. I tak, rdzenie x86 oraz najbliższe poziomy pamięci podręcznej procesora są, owszem, wykonane w procesie klasy 7 nm i produkowane przez tajwańskie TSMC, ale już kontroler pamięci oraz interfejsy I/O (wejścia/wyjścia) są produkowane przez należące do AMD fabryki GlobalFoundries wciąż w procesie klasy 14 nm.

Recepta na koniec? Nie dajmy się zwariować. Fakt pojawienia się układów określanych jako 7 nm to generalnie dobra wiadomość. Otrzymujemy układy bardziej energooszczędne i często wydajniejsze, dzięki unowocześnianiu samej architektury. Ale klasa procesu technologicznego wyrażana w nanometrach dziś ma niewiele wspólnego z faktycznymi wymiarami fizycznymi wewnątrz układu czy z rozmiarem tranzystora w 7 nanometrowym procesorze. | CHIP


Nasz ranking procesorów >>

Na pierwszych miejscach w zestawieniu POWER są w tej chwili: Intel Core i9-9900K (14 nm), AMD Ryzen 7 2700X (12 nm) i AMD Ryzen 7 1700X (14 nm).

Close

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.