Что такое нанометры в технологии изготовления чипов, кратко и человеческим языком (mastersam11)
Что такое нанометры в технологии изготовления чипов, кратко и человеческим языком (mastersam11
Последнее время в своих статьях я часто упоминаю технологию изготовления процессоров, указывая её характеристику в нанометрах - 28 нм, 90 нм и т.д. Но поскольку мой канал читает большое количество простых людей, не разбирающихся в тонкостях изготовления микропроцессоров, в комментариях регулярно появляются вопросы, а что это вообще такое, и на что оно влияет. Сегодня я постараюсь максимально доступно но по-возможности компактно это объяснить.
Итак, чтобы изготовить микропроцессор, требуется огромное количество шагов на очень сложном и тонком оборудовании, но их суть сводится к банальной послойной фотопечати. То есть, кладём кремниевую пластину, наносим на неё светочувствительный слой (фоторезист) и получаем аналог фотобумаги при фотопечати. Теперь с фотошаблона, на котором изображён рисунок топологии микропроцессора (аналог фотоплёнки), через фотоуменьшитель проецируем его на этот слой.
Там, куда попал свет, фоторезист меняет свои свойства, и его смывают. Всё точно так же, как и при фотопечати или при травлении печатной платы. Далее кремниевая пластина проходит необходимую обработку для формирования первого слоя и очередную засветку новым фотошаблоном. Так послойно на пластине вырастают транзисторы, конденсаторы, резисторы, диэлектрические изолирующие слои, металлические межсоединения и другие элементы.
Как мы с вами понимаем, все эти элементы получаются настолько мелкими, что измеряются в нанометрах. Чем меньше транзистор, тем меньше ему требуется питания для работы, а стало быть, тем меньше он греется. Поэтому, уменьшая размер транзисторов, можно сделать процессор той же площади, но с большим их количеством, не опасаясь проблем с теплоотводом и, как следствие, перегрева.
Так случилось, что начиная с определённого момента, в каждом новом поколении процессоров производители вдвое увеличивали количество транзисторов в них при сохранении площади чипа, и впоследствии эта закономерность стала правилом. При удвоении плотности размер любого элемента чипа (например, длина затвора транзистора) уменьшается в 0,7 раз (математическая взаимозависимость площади и длины стороны).
Отсюда у нас появился и этот ряд величин нанометров в названии техпроцессов, каждый в 0,7 раз меньше предыдущего - 500, 350, 250, 180, 130, 90, 65, 45, 32, 22, 16, затем ряд не такой стройный: 14, 10, 7, (6), 5, (4), 3, 2, 1.4, ну и далее, очевидно, последует 1 и 0.7 (или 10А и 7А, если в ангстремах (Å).
Итак, сначала нанометры техпроцесса определяли очень наглядно и логично - это был размер самого малого по длине или ширине геометрического элемента, сформированного данным технологическим процессом. Обычно он равнялся линейному разрешению оборудования. И так было до техпроцесса 250 нм включительно: 3 мкм, 1,5 мкм, 800 нм, 500 нм, 350 нм и 250 нм.
Затем величина техпроцесса согласно плана ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors - международный технологический план для производителей полупроводников) начала определяться минимальной шириной дорожки нижнего уровня металла (полушаг дорожки, что примерно вдвое длиннее затвора транзистора. Напомню, что шаг дорожек - это дорожка плюс промежуток между дорожками). Это правило должно было соблюдаться для норм 180 нм, 130 нм, 90 нм и 65 нм. Но фактически, как выясняется, это не соблюдалось:
Фактически измеренные фирмой Chipworks (специализирующейся на «инженерной разборке» микросхем) параметры
Пока ещё соблюдалась только тенденция удвоения плотности, достигаемая за счёт изменения конструкции транзисторов и других мер.
В конце концов на форуме IEDM (International Electron Devices Meeting - международная встреча инженеров электроники) название техпроцесса «45 нм» и всех последующих постановили считать маркетинговым понятием. Intel предложила привязать переход на каждый следующий шаг к фактически происходящему удвоению степени интеграции (удельной плотности компоновки, измеряемой в МТр/мм² - миллионах транзисторов на квадратный миллиметр). То есть, фиксировалось правило, что в каждом новом поколении на той же площади кристалла должно помещаться примерно вдвое больше элементов, которое некоторое время соблюдалось.
Однако, начиная с техпроцесса 22 нм часть производителей перестало соблюдать это правило, а у оставшихся его соблюдение уже не давало возможности столь же эффективно снижать энергопотребление и тепловыделение. Именно поэтому процессоры от Intel, изготовленные по техпроцессу 22 нм, при разгоне сильно перегреваются.
С этого момента каждая новая цифра нанометров фактически обозначает только переход к некой новой совокупности технических решений, и ничего более.
Так что не пугайтесь приближению размера техпроцесса к размеру кристаллической решётки кремния (0,54307 нм) - это совсем разные нанометры ))) И судя по всему, суровый маркетинг продолжит уменьшать эту цифру ещё неопределённо длительное время )))
Более углублённо и развёрнуто по этой теме вы можете почитать тут( ссылка на IXBT ).
Что это означает для России ?
То, что мы (внезапно) несильно то и отстаём в техпроцессах. Разница в производительности процессоров, сделанных по технологиям 130 нм и 90 нм существенно выше, чем между процессорами, сделанными по технологиям 16 нм и 7 нм, и ещё выше, чем между процессорами, которые будут сделаны по технологиям 2 нм и 1,4 нм.
Рост частоты, в целом, закончился на техпроцессе 90 нм, а начиная с 22 нм перестали фактически уменьшаться и транзисторы. Точнее, по площади они уменьшились, но стали выше, получив высокий трёхмерный затвор. В результате электроны проходят через него путь практически той же длины, только по дуге, а это значит, что энергопотребление и тепловыделение такого транзистора сохраняются на относительно высоком уровне.
Зная это, становится понятно, почему Россия отказалась от прежних планов создать к 2030-му году технологию 7 нм, а сосредоточилась на технологии 28 нм. Ведь это последняя технология, после которой рост эффективности процессоров за счёт размера транзистора сильно тормозится, а увеличение производительности достигается другими средствами, доступными для реализации и на более толстых техпроцессах. Так что, как говорится, «а нафига козе баян».
Использованные источники:
Дзен.Электромозг
IXBT
Что такое нанометры в технологии изготовления чипов, объясняю кратко и человеческим языком.
Последнее время в своих статьях я часто упоминаю технологию изготовления процессоров, указывая её характеристику в нанометрах - 28 нм, 90 нм и т.д. Но поскольку мой канал читает большое количество простых людей, не разбирающихся в тонкостях изготовления микропроцессоров, в комментариях регулярно появляются вопросы, а что это вообще такое, и на что оно влияет. Сегодня я постараюсь максимально...
Как считают нанометры, как их на самом деле надо считать, и почему не все с этим согласны
Есть в микроэлектронике такое понятие, как технорма, ныне измеряемая теми самыми любимыми маркетологами нанометрами. Задача дать определение этому важнейшему термину не столь проста, как кажется.
Комментарий автора:
Иногда почитываю Дзен, включая тот канал, с которого перенёс статью.
Сильно более подробное объяснение по процам есть по второй ссылке( на IXBT ), в т.ч на основе материалов которой, похоже, и писалась дзеновкая статья.
На Пульсе, поскольку проливает свет на некоторые особенности со стороны иной, чем ранее описывалось на АШ.
Описано более-менее просто и понятно и, что немаловажно, отчасти проливает свет именно на 28нм и почему в РФ в итоге пока что решили остановиться именно на них.
Равно как и наглядно показывает фундаментальную нелепость большинства сказок, поверий и мифов деревенских дурачков Древней Руси, касающихся полупроводникового нанометризма, согласно которым, рост энергоэффективности и производительности процов и размер кристалла связан исключительно с уменьшением нанометров и никак иначе( то что на каждом следующем этапе делается другой проц, а не тот же самый но "меньше" - история, почему-то, почти всегда умалчивает, равно как и о том, что огромная часть прироста энергоэффективности и производительности особенно последних лет обычно достигается архитектурными решениями, будь то включении в один проц ядер разной производительности и энергопотребления, хитрые режимы управления частотой и электропитанием итд итп. Часто это целые ПАКи - или к разговору о том, за сколько минут или единиц часов десктопная ОСь разогреет до состояния утюга новенький телефон и посадит его аккум, если её накатить на него, хотя, вроде бы, и 6-8 ядер на мобилах давно не редкость и аккум ёмкий и с "родной" ОСью обычно хватает более чем на сутки и особо не греется )
Последнее время в своих статьях я часто упоминаю технологию изготовления процессоров, указывая её характеристику в нанометрах - 28 нм, 90 нм и т.д. Но поскольку мой канал читает большое количество простых людей, не разбирающихся в тонкостях изготовления микропроцессоров, в комментариях регулярно появляются вопросы, а что это вообще такое, и на что оно влияет. Сегодня я постараюсь максимально доступно но по-возможности компактно это объяснить.
Итак, чтобы изготовить микропроцессор, требуется огромное количество шагов на очень сложном и тонком оборудовании, но их суть сводится к банальной послойной фотопечати. То есть, кладём кремниевую пластину, наносим на неё светочувствительный слой (фоторезист) и получаем аналог фотобумаги при фотопечати. Теперь с фотошаблона, на котором изображён рисунок топологии микропроцессора (аналог фотоплёнки), через фотоуменьшитель проецируем его на этот слой.
Там, куда попал свет, фоторезист меняет свои свойства, и его смывают. Всё точно так же, как и при фотопечати или при травлении печатной платы. Далее кремниевая пластина проходит необходимую обработку для формирования первого слоя и очередную засветку новым фотошаблоном. Так послойно на пластине вырастают транзисторы, конденсаторы, резисторы, диэлектрические изолирующие слои, металлические межсоединения и другие элементы.
Как мы с вами понимаем, все эти элементы получаются настолько мелкими, что измеряются в нанометрах. Чем меньше транзистор, тем меньше ему требуется питания для работы, а стало быть, тем меньше он греется. Поэтому, уменьшая размер транзисторов, можно сделать процессор той же площади, но с большим их количеством, не опасаясь проблем с теплоотводом и, как следствие, перегрева.
Так случилось, что начиная с определённого момента, в каждом новом поколении процессоров производители вдвое увеличивали количество транзисторов в них при сохранении площади чипа, и впоследствии эта закономерность стала правилом. При удвоении плотности размер любого элемента чипа (например, длина затвора транзистора) уменьшается в 0,7 раз (математическая взаимозависимость площади и длины стороны).
Отсюда у нас появился и этот ряд величин нанометров в названии техпроцессов, каждый в 0,7 раз меньше предыдущего - 500, 350, 250, 180, 130, 90, 65, 45, 32, 22, 16, затем ряд не такой стройный: 14, 10, 7, (6), 5, (4), 3, 2, 1.4, ну и далее, очевидно, последует 1 и 0.7 (или 10А и 7А, если в ангстремах (Å).
Итак, сначала нанометры техпроцесса определяли очень наглядно и логично - это был размер самого малого по длине или ширине геометрического элемента, сформированного данным технологическим процессом. Обычно он равнялся линейному разрешению оборудования. И так было до техпроцесса 250 нм включительно: 3 мкм, 1,5 мкм, 800 нм, 500 нм, 350 нм и 250 нм.
Затем величина техпроцесса согласно плана ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors - международный технологический план для производителей полупроводников) начала определяться минимальной шириной дорожки нижнего уровня металла (полушаг дорожки, что примерно вдвое длиннее затвора транзистора. Напомню, что шаг дорожек - это дорожка плюс промежуток между дорожками). Это правило должно было соблюдаться для норм 180 нм, 130 нм, 90 нм и 65 нм. Но фактически, как выясняется, это не соблюдалось:
Фактически измеренные фирмой Chipworks (специализирующейся на «инженерной разборке» микросхем) параметры
Пока ещё соблюдалась только тенденция удвоения плотности, достигаемая за счёт изменения конструкции транзисторов и других мер.
В конце концов на форуме IEDM (International Electron Devices Meeting - международная встреча инженеров электроники) название техпроцесса «45 нм» и всех последующих постановили считать маркетинговым понятием. Intel предложила привязать переход на каждый следующий шаг к фактически происходящему удвоению степени интеграции (удельной плотности компоновки, измеряемой в МТр/мм² - миллионах транзисторов на квадратный миллиметр). То есть, фиксировалось правило, что в каждом новом поколении на той же площади кристалла должно помещаться примерно вдвое больше элементов, которое некоторое время соблюдалось.
Однако, начиная с техпроцесса 22 нм часть производителей перестало соблюдать это правило, а у оставшихся его соблюдение уже не давало возможности столь же эффективно снижать энергопотребление и тепловыделение. Именно поэтому процессоры от Intel, изготовленные по техпроцессу 22 нм, при разгоне сильно перегреваются.
С этого момента каждая новая цифра нанометров фактически обозначает только переход к некой новой совокупности технических решений, и ничего более.
Так что не пугайтесь приближению размера техпроцесса к размеру кристаллической решётки кремния (0,54307 нм) - это совсем разные нанометры ))) И судя по всему, суровый маркетинг продолжит уменьшать эту цифру ещё неопределённо длительное время )))
Более углублённо и развёрнуто по этой теме вы можете почитать тут( ссылка на IXBT ).
Что это означает для России ?
То, что мы (внезапно) несильно то и отстаём в техпроцессах. Разница в производительности процессоров, сделанных по технологиям 130 нм и 90 нм существенно выше, чем между процессорами, сделанными по технологиям 16 нм и 7 нм, и ещё выше, чем между процессорами, которые будут сделаны по технологиям 2 нм и 1,4 нм.
Рост частоты, в целом, закончился на техпроцессе 90 нм, а начиная с 22 нм перестали фактически уменьшаться и транзисторы. Точнее, по площади они уменьшились, но стали выше, получив высокий трёхмерный затвор. В результате электроны проходят через него путь практически той же длины, только по дуге, а это значит, что энергопотребление и тепловыделение такого транзистора сохраняются на относительно высоком уровне.
Зная это, становится понятно, почему Россия отказалась от прежних планов создать к 2030-му году технологию 7 нм, а сосредоточилась на технологии 28 нм. Ведь это последняя технология, после которой рост эффективности процессоров за счёт размера транзистора сильно тормозится, а увеличение производительности достигается другими средствами, доступными для реализации и на более толстых техпроцессах. Так что, как говорится, «а нафига козе баян».
Использованные источники:
Дзен.Электромозг
IXBT
Что такое нанометры в технологии изготовления чипов, объясняю кратко и человеческим языком.
Последнее время в своих статьях я часто упоминаю технологию изготовления процессоров, указывая её характеристику в нанометрах - 28 нм, 90 нм и т.д. Но поскольку мой канал читает большое количество простых людей, не разбирающихся в тонкостях изготовления микропроцессоров, в комментариях регулярно появляются вопросы, а что это вообще такое, и на что оно влияет. Сегодня я постараюсь максимально...
Как считают нанометры, как их на самом деле надо считать, и почему не все с этим согласны
Есть в микроэлектронике такое понятие, как технорма, ныне измеряемая теми самыми любимыми маркетологами нанометрами. Задача дать определение этому важнейшему термину не столь проста, как кажется.
Комментарий автора:
Иногда почитываю Дзен, включая тот канал, с которого перенёс статью.
Сильно более подробное объяснение по процам есть по второй ссылке( на IXBT ), в т.ч на основе материалов которой, похоже, и писалась дзеновкая статья.
На Пульсе, поскольку проливает свет на некоторые особенности со стороны иной, чем ранее описывалось на АШ.
Описано более-менее просто и понятно и, что немаловажно, отчасти проливает свет именно на 28нм и почему в РФ в итоге пока что решили остановиться именно на них.
Равно как и наглядно показывает фундаментальную нелепость большинства сказок, поверий и мифов деревенских дурачков Древней Руси, касающихся полупроводникового нанометризма, согласно которым, рост энергоэффективности и производительности процов и размер кристалла связан исключительно с уменьшением нанометров и никак иначе( то что на каждом следующем этапе делается другой проц, а не тот же самый но "меньше" - история, почему-то, почти всегда умалчивает, равно как и о том, что огромная часть прироста энергоэффективности и производительности особенно последних лет обычно достигается архитектурными решениями, будь то включении в один проц ядер разной производительности и энергопотребления, хитрые режимы управления частотой и электропитанием итд итп. Часто это целые ПАКи - или к разговору о том, за сколько минут или единиц часов десктопная ОСь разогреет до состояния утюга новенький телефон и посадит его аккум, если её накатить на него, хотя, вроде бы, и 6-8 ядер на мобилах давно не редкость и аккум ёмкий и с "родной" ОСью обычно хватает более чем на сутки и особо не греется )