Partnerská síť pro spolupráci vysokých škol, výzkumných ústavů a průmyslu pro rozvoj mikroelektroniky a nanotechnologií

1. Úvod

Vždy, když si začínáme myslet, že naše digitální technologie dosáhla technologického maxima, přijde zpráva, která ukáže, že vrcholu ještě dosaženo nebylo. V digitální technice nás často zajímá výpočetní výkon, který je daná sestava schopna poskytnout, a ten závisí na mnoha faktorech, jako taktovací frekvence procesoru, šířka sběrnice atd. A právě šířka sběrnice se nyní ukazuje jako další milník, který se výrobcům podařilo překonat. Začínali jsme na čtyřbitové sběrnici, která pak byla velmi rychle (a na dlouhou dobu) nahrazena osmi a následně šestnácti bytovou sběrnicí. Ve všech „Smart" telefonech dnes využíváme sběrnice o šířce 32 bitů.

Trochu jiné a možná i zavádějící je to u grafických čipů, kde se dnes běžně pohybujeme na šířce pásma 256 až 384 bitů, zde se sice jedná o jedno slovo, ale to je například následně uloženo do osmi 32 bitových modulů. V poslední době se množí informace o sběrnici s šířkou 512 bitů, ta by umožnila při zachování stejné rychlosti paměťových modulů přenést mnohem větší množství dat. Přesný nárůst výkonu nelze určit, protože např. 4x vyšší datová propustnost neznamená automaticky 4x vyšší výkon, ale můžeme říct, že dosáhneme 4x nižší limitaci ze strany paměťové sběrnice. Systém je vždy tak rychlý, jak jeho nejpomalejší součást, a úzké hrdlo existuje v každém systému. V tomto případě se naopak přesune v hierarchii o úroveň výš. Tato změna však může výrobci umožnit použití low-power pamětí např. DDR3 na 1066 MHz, při stejném výkonu, který by měl systém se sběrnicí 128bit a pamětmi GDDR5 na 4 GHz.

 

2. Nanotechnologie pro mikroprocesory a paměti

Ve výrobě mikroprocesorů a pamětí jsou hlavními hráči firmy Intel, AMD, Samsung, Global Foundries a TMSC. Pozorujeme přechod z technologie 45 nm na 32 nm, aktuálně na 22 nm a v brzkém výhledu na 14 nm a snad i 10 nm.

 vyvoj vyrobnich procesu

Obr. 1: Vývoj výrobních procesů [2]

 

Až do konce 90. let bylo zvykem nazývat výrobní proces podle rozměrů nejmenší části tranzistoru, což byla délka hradla. Později se však z marketingových důvodů toto číslo začalo zmenšovat rychleji než skutečný rozměr hradla. Výrobci pamětí, značí výrobní proces jiným číslem, tzv. „half-pitch“ nebo „technology node“, které odpovídá polovině vzdálenosti mezi kovovými spoji (původně byl rozměr half-pitch zvolen právě proto, že v rámci daného procesu odpovídal délce hradla).

 

Tab. 1 Technologie a procesory firmy Intel

 

Vývoj technologických procesů u firmy Intel

rozměr

45 nm

32 nm

22 nm

14 nm

10 nm

první výroba

2007

2009

2011

(2013)

(2015)

 

Nové procesory fy Intel

označení

Sandy Bridge

Ivy Bridge a Haswell

Broadwell

výrobní proces

32 nm

22 nm

14 nm

typ tranzistoru

2D (planární)

3D (Tri-gate)

3D (Tri-gate)

 

 

Procesory Intel byly nejprve pojmenovávány podle řek (především) ve státě Oregon, posléze nastoupily mosty a města (Haswell, Broadwell).

vyvoj technologii

Obr. 2: Vývoj technologií pro výrobu procesorů a pamětí

 

S rozvojem procesorů pro mobilní zařízení kolem roku 2000 Intel opustil strategii stále rostoucího taktovacího kmitočtu a začal vyvíjet vícejárové procesory s nižší spotřebou výkonu. V roce 2003 to byl procesor Centrino s jádrem Banias (řeka v severním Izraeli). Byl vyvinut v pobočce Intelu v Haifě a uvádí se, že jeho hlavní problém nebyl v technickém řešení, ale jak přesvědčit akcionáře, že si někdo takový procesor koupí, když je vlastně v rozporu i s Mooreovým zákonem.
Další zajímavostí u firmy Intel je dvojstupňový proces poeticky nazvaný (jak to často potkáváme v americké angličtině) podle tikání hodinek. Proces Tik-Tak (v USA Tick-Tock). V první fázi přijde změna výrobního procesu, tedy tzv. Tick, ve druhé fázi pak přechod na novou architekturu, tedy tzv. Tock. U technologie 32 nm bylo původní jádro Nethhalem (45 nm) nejprve vyrobeno v technologii 32 nm (pod názvem Westmere) a následně ve stejné technologii bylo předpracováno pod jménem Sandy Bridge. V jedné fázi tedy dělají jen jednu skupinu změn (buď technologie, nebo obvodové řešení/architektura). Obdobně u technologie 22 nm jádro Ivy Bridge (přepracované Sandy Bridge) bude nahrazené jádrem Haswell. V souvislosti s nástupem technologie 22 nm se očekával přechod na wafery 450 mm, ten je opožděn nejméně o 5 let, protože ještě nezačala ani stavba potřebné továrny.

 

zmensovani struktury unipolarniho tranzistoru

Obr. 3: Postupné zmenšování struktury unipolárního tranzistoru

 

Technologie 45 nm představuje svým způsobem revoluci v technologii CMOS. Byl opuštěn oxid křemičitý a nahrazen oxidem hafnia pro oblasti hradel (hradlový oxid). Tento oxid se vyznačuje “velkou” hodnotou permitivity. Pro ostatní oblasti (tzv. polní oxid) se používá směs oxidů, která dociluje nízkou permitivitu (snižují se parazitní kapacity). Epitaxní křemík je tzv. napjatý na mezivrstvě germania. Obdobně technologie Intel 32 nm již nemá litograficky vymezeným kanál. Obr. 3 ukazuje postupné zmenšování struktury unipolárního tranzistoru, tendence je k izolovanému substrátu a použití dvojitého nebo trojitého hradla, jehož rozměry nezávisí na litografii (pro jednoduchost není uváděna vrstva oxidu pod hradlem). Zájemce najde základní i podrobné informace např. v knihách [1, 4- 9].

3. Výrobní procesy 14 nm, 20 nm, 28 nm

Velmi často se dnes setkáváme s informacemi, že firmy jsou schopny vyrábět čipy v technologii 10 nm. Pokud se však podíváme na to, jaká je realita v produkci čipů, zjistíme, že drtivá většina dnes používaných CPU je vyráběna technologií 28 nm. Hlavní důvod je ten, že výroba v 20 nm procesu přinese úsporu pouze z hlediska úspory energie. Z celkového hlediska vyjde výrobce 20 nm proces dráž, než proces 28 nm. V počátcích výroby můžeme říct, že i několikanásobně. Většina velkých výrobců proto s přechodem na novější technologie minimálně nespěchá a využívají je pouze tam, kde přináší nějakou přidanou hodnotu, takže například 20 nm proces se uplatí hlavně v malých grafických čipech určených pro mobilní sféru.
Jiný pohled, ale vidíme u technologických firem, které dané čipy vyrábějí. Ty se snaží s předstihem ukázat, jak jsou technologicky vyspělé a připravené v daných technologiích vyrábět. Například generace čipů pro iPhone 5 je vyráběna procesem 28 nm, generace Apple A8/A8X má být vyráběna procesem 20 nm u TSMC a další generace A9/A9X 14nm FinFET technologickým procesem společnosti Samsungu. Podle The Korea Economic Daily za tímto rozhodnutím stojí zejména skutečnost, že Samsung 14 nm FinFET proces odladil dříve než jeho tchaj-wanský rival TSMC. To je krásný příklad toho, jak jinak dvě znepřátelené firmy jsou nuceny spolu spolupracovat. Na druhou stranu Apple jedná i s GlobalFoundries, která má mít 14 nm FinFET 14 XM proces připraven také [11,12].

4. Paměti

Operační paměti DDR4 SDRAM (Double Data Rate 4 Synchronous Dynamic Random Access Memory) jsou přímým nástupcem současně používaného typu DDR3. Architekturou jsou paměti podobné už 50 let, stále jde o typ DRAM (Dynamic Random Access Memory). Aby se dosáhlo nižších energetických nároků (reálně až 40% oproti DDR3) došlo ke snížení provozní napětí na 1,05 až 1,2V (DDR3 1,35 až 1,5 V). Počáteční přenosová rychlost je 2 667 Mbit/s . Architektura modulů DDR4umožňuje jednodušší komunikaci se sběrnicemi PCI. Čipy jsou vytvářeny technologií „20 nm-class", což lze s největší pravděpodobností považovat za technologii 28 nm (viz výše), kterou mají výrobci již dlouhodobě otestovanou. Zároveň jsou paměťové moduly osazena více piny (DIMM - 284 a u SO-DIMM - 256), které jsou pouze 0,85 mm široké. Zmenšení struktury tedy umožnilo vyšší frekvence, ale i nižší energetické nároky. Mezi první zástupce patří například 4 Gbitové čipy SAMSUNG, s nimiž se vyrábí 16GB a 32GB moduly DDR4. Slibované energetické úspory se však dosáhne především tím, když výrobci CPU přinesou na trh nové čipsety s podporou modulů DDR4. Díky výrobní technologii jde současně o rozměrově velmi malé čipy.
Nyní jsou technologické firmy zaměřeny již na nástupce pamětí DDR4, které budou paměti GDDR5 a GDDR5+ (GDDR6). Dosažení většího výkonu můžeme v tomto případě dosáhnout třemi způsoby. Prvním způsobem je přetaktování, jejichž potenciál ovšem končí (při zachování stávající spotřeby) na 8 Gb/s. Vzhledem k tomu, že dnes používáme moduly s přenosovou kapacitou 6 Gb/s, byla by taková rezerva velmi rychle vyčerpána. Druhou možností je použití technologie differential signaling, díky níž se sice propustnost dostane na dvojnásobek, ale na úkor velkého nárůstu spotřeby. Tato možnost je v současnosti nepoužitelná, protože samotné energetické nároky nejrychlejších pamětí GDDR5 jsou poměrně velké.
Třetí z cest nazvala firma Hynix zkratkou HBM - High Bandwidth Memory (paměť s vysokou propustností). Podstata HBM spočívá v nižších frekvencích (nižší energetické nároky) a počítá s výrazným rozšířením komunikačního rozhraní - sběrnice. Nástup HBM by přinesl zhruba 65% nárůst přenosové kapacity oproti GDDR5 při 60 % energetických nároků. HBM by již nebyly klasickými moduly, které jsou přichycené na plošném spoji grafické karty, ale lišily by se jak konstrukcí, tak připojením k systému. Samotné křemíkové moduly jsou v sendvičové struktuře nad sebou a propojené technologií TSV (through silicon vias), která zajistí spoj pomoci křemíku), základna nenese BGA rozhraní, ale mikrospoje pro připojení k substrátu. [5]

5. Závěr

V současnosti je reálná vyhlídka na zhruba 10 až 15 let pokračování dosavadního trendu polovodičových technologií. Díky stálému růstu trhu informačních technologií a růstu trhu s polovodičovými součástkami se máme v příštích letech na co těšit. Z minulých zkušeností polovodičového průmyslu vyplývá, že nové technologie neuvolňují okamžitě svoji skrytou sílu. To se stane v okamžiku, kdy jednotlivá zařízení mají nízkou výrobní cenu, jsou-li spojena do fungujícího systému, může-li být tento systém spojen s okolním světem a když může být systém programován a řízen, aby splňoval určitou funkci.

 

 

Článek ke stažení zde. 

Přidat komentář


Bezpečnostní kód
Obnovit