Переход на 2 нм и тонкости техпроцесса

Иан Катрис с AnandTech написал интересную заметку о новом первом в мире 2 нм процессоре от IBM. Вещь интересная, так что считаю полезным поделиться. 

По материалам AnandTech

Каждое новое десятилетие проверяет на прочность пределы закона Мура, и это десятилетие ничем не отличается. Благодаря Extreme Ultra Violet (EUV) и другим технологическим улучшениям появилась возможность ещё больше уменьшить размер транзисторов.

Тут следует пояснить, что несмотря на то, что новость озаглавлена как «переход на технологический процесс производства 2 нм», это переход не в классическом понимании. Дело в том, что раньше уменьшение техпроцесса было эквивалентной метрикой для размера элемента на кристалле в 2D (в смысле, в двух измерениях, то есть на плоскости), например, так было с 90 нм, 65 нм и 40 нм. Однако с распространением технологии производства FinFETs и 3D-дизайна транзисторов произошло изменение, и теперь для простоты по-прежнему говорят «5-нанометровые транзисторы», но понимают как «пятинанометровые транзисторы в эквиваленте 2D-дизайна». По факту некоторые вспомогательные части транзисторов (например, ребра с изоляцией) могут быть «толще», чем 5 нм. Однако тут нанометровая метрика используется в контексте повышения плотности расположения транзисторов на плате.  То есть транзисторы могут быть толще, но на плоскости их разместили так, что это количество соответствует заявленному техпроцессу. 

В пресс-релизе говорится, что разработка IBM 2-нм техпроцессов улучшит производительность на 45% при той же мощности или приведет к 75% энергоэффективности при той же производительности по сравнению с современными 7-нм процессорами. IBM также подчеркивает, что компания была первой как при разработке 7 нм техпроцесса в 2015 году, так и 5 нм в 2017 году. При этом с 5 нм произошел переход с FinFET на технологии нанолистов, которые позволяют более точно настраивать характеристики напряжения отдельных транзисторов.

Таким образом, IBM заявляет, что, во-первых, она по-прежнему великая и инновационная компания, а, во-вторых, с помощью этой технологии можно разместить «50 миллиардов транзисторов на микросхеме размером с ноготь». Журналисты Anandtech первым делом обратились к IBM с просьбой разъяснить, что в компании понимают под размером ногтя, и получили ответ, что речь о площади 150 квадратных миллиметров. Таким образом, плотность транзисторов IBM составляет 333 миллиона транзисторов на квадратный миллиметр.

Пиковая плотность транзисторов в миллионах транзисторов на квадратный миллиметр

Как видите, у разных производителей официальные названия техпроцессов обладают разной плотностью. Стоит отметить, что значения плотности часто указываются как пиковая плотность для компоновки транзисторов. Однако, например, самые быстрые части процессора могут обладать даже в 2 раза меньшей плотностью расположения транзисторов. Обычно это связано с вопросами температуры (то есть, по сути, им дают больше пространства, чтобы они в кучке не перегревались и не выходили из строя).

Судя по картинкам, IBM использует трехступенчатую технологию посадки транзисторов (Gate-All-Around — GAA). Samsung планирует использовать GAA при переходе на 3 нм, а TSMC хочет подождать до перехода на 2 нм. В свою очередь, Intel по ожиданиям аналитиков перейдет на GAA при производстве процессоров по техпроцессу 5 нм. 

Трехступенчатая GAA башенка от IBM обладает высотой 75 нм и шириной 40 нм. Расстояние между блоками — 5 нм.

Если вас интересует, почему вообще IBM является первой компанией, разработавшей 2-нм техпроцесс, то ответ прост. Сегодня IBM обладает одним из ведущих мировых R&D (исследовательским центром) по полупроводниковым технологиям. Несмотря на отсутствие портфеля привычных коммерческих решений на продажу (как у Samsung или Qualcomm), IBM вместе с другими компаниями занята разработкой.  

Также тут можно отметить, что IBM продала свое производство GlobalFoundries (это американская компания, занимающаяся производством полупроводниковых интегральных схем) с 10-летним партнерским соглашением еще в 2014 году. Ещё IBM в настоящее время работает с Samsung и недавно объявила о партнерстве с Intel. Несомненно, Intel и Samsung будут сотрудничать с IBM, так как обе компании разрабатывают собственные коммерческие чипсеты. 

Кроме пресс-релиза, фотографию «вафли» (wafer – полупроводниковая пластина, на поверхности которой производится массив полупроводников и интегральных схем) и заявления, что продукт создали в исследовательской лаборатории в Олбани, пока что никакой подробной информации IBM не представила, так что можно предположить, что на текущий момент собрали лишь демо-образец с базовой логикой, демонстрирующий, что в целом всё работает. 

Заключение

2 нм чипсеты или процессоры – это вещь, безусловно, интересная. Например, учитывая, что и текущую мощность чипсетов в смартфонах некуда девать, возможно, будут представлены новые энергоэффективные решения, которые при сохранении текущих показателей производительности будут на 75% экономичнее. А вот процессорам в ноутбуках больше пригодится прирост производительности. 

Интересно, что получается, что IBM значительно обходит по времени остальных игроков рынка. Впрочем, TSMC говорит, что уже в следующем году перейдет на производство чипсетов и процессоров по технологии 4 нм и 3 нм. 

Так как IBM в основном разрабатывает решения для собственных нужд, непонятно, когда будут представлены конкретные продукты. Хотя, учитывая сотрудничество с Intel и Samsung, наработки IBM могут опосредованно попасть на рынок. Ну и для полноты картины стоит отметить, что в этом году IBM планирует представить свой собственный 7-нм процессор, который будет использоваться в Power Systems (Power Systems – это линейка серверов от IBM, работающая на архитектуре POWER (RISC)).

Очевидно, что порядок вещей релиз IBM не изменит и на рынок 2 нм чипсеты раньше времени не попадут. Однако хорошо знать, что технологии развиваются, а нам как пользователям электроники есть чему радоваться и удивляться.