Žetonų gamybos iššūkiai susiduria su Moro įstatymais

Kas keleri metai yra pasakojimų apie tai, kaip miršta Mūro įstatymas - samprata, kad tranzistorių skaičius tam tikroje srityje padvigubėja maždaug kas dvejus metus. Tokios istorijos gyvuoja dešimtmečius, tačiau mes vis tiek ir toliau matome naujus lustus su daugiau tranzistorių kas kelerius metus, beveik pagal tvarkaraštį.

Pavyzdžiui, vasario mėn. „Intel“ pristatė 4, 3 milijardo tranzistorių lustą, vadinamą „Xeon E7v2“ arba „Ivytown“, esant 541 kvadratinio milimetro štampui, naudojant 22 nm procesą. Prieš dešimtmetį „Intel“ aukščiausios klasės „Xeon“, žinomas kaip „Gallatin“, buvo 130 nm lustas su 82 milijonais tranzistorių 555 kvadratinių milimetrų štampu. Tai ne visai neatsilieka nuo dvigubinimo kas dvejus metus, bet tai yra arti.

Žinoma, tai nereiškia, kad jis veiks amžinai, o iš tikrųjų lustų gamyboje vyksta dideli pokyčiai, turintys įtakos tiek lustų gamybai, tiek dizainui, ir visa tai turės ilgalaikį poveikį vartotojams.

Akivaizdu, kad ilgą laiką buvo aišku, kad laikrodžio greitis netampa greitesnis. Galų gale, „Intel“ 2004 m. Pristatė „Pentium“ lustus, kurių dažnis buvo 3, 6 GHz; Šiandien bendrovės aukščiausios klasės „Core i7“ veikia 3, 5 GHz dažniu, o maksimalus turbo greitis yra 3, 9 GHz. (Be abejo, yra žmonių, kurie nebendrauja, bet taip buvo visada).

Vietoj to, dizaineriai reagavo pridedant daugiau gyslų prie lustų ir padidindami kiekvienos atskiros šerdies efektyvumą. Šiandien net ir žemiausios klasės lustas, kurį galite įsigyti staliniam ar nešiojamajam kompiuteriui, yra dviejų branduolių lustas, o keturių branduolių versijos yra įprasta. Net telefonuose mes dabar matome daug keturių ir net aštuonių branduolių dalių.

Tai puikiai tinka tuo pačiu metu naudojant kelias programas (daugialypės užduotys) arba toms, kurios iš tikrųjų gali pasinaudoti kelių branduolių ir gijų pranašumais, tačiau dauguma programų to vis dar nedaro. Kūrėjai, ypač tie, kurie kuria kūrėjo įrankius, praleido daug laiko, kad jų programos geriau veiktų su keliais branduoliais, tačiau vis dar yra daugybė programų, kurios daugiausia priklauso nuo vieno sriegio našumo.

Be to, procesorių kūrėjai programinės įrangos procesoriuose įdeda daug daugiau grafikos branduolių ir kitų specializuotų branduolių (tokių, kurie koduoja arba dekoduoja vaizdo įrašus, arba užšifruoja ar iššifruoja duomenis) programinės įrangos procesoriuje, tai, ką didžioji pramonės dalis pavadino nevienalyčiu apdorojimu. „AMD“, „Qualcomm“ ir „MediaTek“ visi rėmė šią koncepciją, kuri kai kuriems dalykams daro didelę prasmę. Tai neabejotinai padeda integruoti - mikroschemos tampa mažesnės ir joms trūksta daugiau energijos; ir atrodo, kad tai turi puikią prasmę mobiliuosiuose procesoriuose, pavyzdžiui, dideliuose.LITTLE metoduose, kurių ARM ėmėsi, kai jie sujungia galingesnius, bet daugiau energijos reikalaujančius branduolius su tais, kurie užima tik mažai jėgos. Daugeliui iš mūsų reikia daug gauti mikroschemų, kurios sunaudoja mažiau energijos tam pačiam našumui - ir todėl mobilieji įrenginiai, kurie ilgiau užima akumuliatoriaus įkrovą.

Didžiulio skaičiaus branduolių - nesvarbu, ar tai yra grafikos branduoliai, ar specializuotų x86 branduolių - naudojimas neabejotinai daro didelę įtaką didelio našumo skaičiavimui, kur didžiulį poveikį daro tokie dalykai kaip „Nvidia“ „Tesla“ plokštės ar „Intel“ „Xeon Phi“ („Knight's Corner“). Iš tikrųjų dauguma šiuolaikinių superkompiuterių naudoja vieną iš šių metodų. Tačiau jis vis dar veikia tik tam tikrais atvejais, visų pirma programose, kurios naudoja SIMD (viena instrukcija, keli duomenys) komandas. Dėl kitų dalykų, šis metodas neveikia.

Ir tai ne tik, kad lustai negali paleisti greičiau. Gamybos srityje yra ir kitų kliūčių, dėl kurių daugiau tranzistorių užmauna ant die. Per pastarąjį dešimtmetį mes matėme daugybę naujų drožlių gamybos būdų, pereinant nuo tradicinio silicio, deguonies ir aliuminio mišinių prie naujų metodų, tokių kaip „įtemptas silicis“ (kur inžinieriai ištiesia silicio atomus), pakeisdami vartai su aukštos kokybės K / metalinėmis vartų medžiagomis, o pastaruoju metu pereinant nuo tradicinių plokštuminių vartų link trimačių vartų, žinomų kaip „FinFETs“ arba „TriGate“ „Intel“ kalboje. Pirmuosius du metodus dabar naudoja visi pažangūs lustų gamintojai, o liejyklos planuoja pristatyti „FinFET“ maždaug per kitus metus, po „Intel“ 2012 m. Įvedimo.

Viena alternatyva yra vadinama FD-SOI (visiškai išeikvotas silikonas ant izoliatoriaus) - tai technika, kurią ypač pastūmėjo „ST Microelectronics“, kuri naudoja ploną izoliacinį sluoksnį tarp silicio substrato ir kanalo, kad būtų galima geriau valdyti mažus tranzistorius. teorija, užtikrinanti geresnį našumą ir mažesnę galią. Tačiau kol kas atrodo, kad „FinFETs“ neturi didelių impulsų iš didžiųjų gamintojų.

Pastaruoju metu „Intel“ labai stengiasi, kad galėtų dar labiau pažengti į lustą, ir iš tikrųjų maždaug prieš dvejus metus pradėjo „Core“ mikroprocesorių gamybą 22 nm procesoriuje, naudodamas „TriGate“ technologiją, ir ketina išsiųsti 14 nm produktų antrąją pusę. šių metų. Tuo tarpu didžiosios lustų liejyklos planuoja 20 nm gamybos apimtį vėliau šiais metais, naudodamos tradicinius plokštuminius tranzistorius, kitiems metams numatydamos 14 arba 16 nm gaminius su „FinFET“.

„Intel“ demonstravo skaidres, kuriose rodoma, kiek toli jis siekia lustų tankio, pavyzdžiui, šis nuo savo analitikų dienos:

Bet liejyklos nesutinka. Štai paskutinio TSMC investuotojo skambučio skaidrė, teigianti, kad ji gali užpildyti spragą kitais metais.

Aišku, tik laikas parodys.

Tuo tarpu tradicinėms litografijos priemonėms, naudojamoms linijoms išgraviruoti į silicio drožlę, sunkiau gauti mažesnius štampų dydžius. Panardinamoji litografija, kuria pramonė naudojosi metų metus, pasiekė savo ribą, todėl pardavėjai dabar siekia „dvigubo rašto“ ar dar daugiau leidimų, kad gautų tikslesnius matmenis. Nors pastaruoju metu pastebėjome nedidelę pažangą, ilgai lauktas žingsnis link kraštutinės ultravioletinės (EUV) litografijos, kuri turėtų būti tikslesnė, yra daugelio metų atstumas.

Tokie dalykai, kaip „FinFETs“ ir daugybė modelių, padeda kurti naujos kartos žetonus, tačiau vis brangiau. Iš tiesų nemažai analitikų sako, kad 20nm gamybos tranzistoriui tenkanti kaina negali būti didesnė nei 28nm kaina, nes reikia dvigubo modeliavimo. Ir naujos struktūros, tokios kaip „FinFETs“, greičiausiai, taip pat bus brangesnės, bent jau pradžioje.

Dėl to daugelis lustų gamintojų ieško dar egzotiškesnių tankio didinimo būdų, net jei tradiciniai Mūro įstatymai neveikia.

NAND „flash“ atmintyje naudojama pažangiausia proceso technologija, todėl ji jau susiduria su rimtomis problemomis dėl įprastos horizontalios mastelio keitimo. Sprendimas yra sukurti vertikalias NAND stygas. Atskiri atminties elementai nebus mažesni, bet kadangi jūs galite sukrauti tiek daug vienas ant kito - visi tame pačiame substrate -, tuo pačiu pėdsaku gausite daug didesnį tankį. Pavyzdžiui, 16 sluoksnių 3D NAND lustas, pagamintas 40 nm proceso metu, būtų maždaug lygus įprastam 2D ​​NAND lustui, pagamintam 10 nm proceso metu (pažangiausias dabar naudojamas procesas yra 16 nm). „Samsung“ sako, kad ji jau gamina savo „V-NAND“ (vertikalią-NAND), o „Toshiba“ ir „SanDisk“ seks tai, ką ji vadina „p-BiCS“. „Micron“ ir „SK Hynix“ taip pat kuria 3D NAND, tačiau panašu, kad ateinančius porą metų jie bus orientuoti į standartinę 2D NAND.

Atminkite, kad tai nėra tas pats dalykas, kaip 3D lustų krovimas. DRAM atmintis taip pat smogia į mastelio sieną, tačiau jos architektūra skiriasi, todėl kiekvienoje ląstelėje reikia vieno tranzistoriaus ir vieno kondensatoriaus. Sprendimas yra sukrauti keletą pagamintų DRAM atminties lustų vienas ant kito, gręžti skyles per pagrindus ir sujungti jas naudojant technologiją, vadinamą per silicio vamzdžius (TSV). Galutinis rezultatas yra tas pats - didesnis tankis mažesniame pėdsake -, bet tai daugiau pažengęs pakavimo procesas, o ne naujas gamybos procesas. Pramonė planuoja naudoti tą pačią techniką atminties kaupimui pagal logiką ne tik norėdama sumažinti pėdsaką, bet ir pagerinti našumą ir sumažinti galią. Vienas daug dėmesio sulaukęs sprendimas yra „Micron“ hibridinės atminties kubas. Galų gale 3D lustų krovimas galėtų būti naudojamas kuriant galingus mobiliuosius lustus, kuriuose CPU, atmintis, jutikliai ir kiti komponentai sujungiami į vieną paketą, tačiau vis dar yra daug problemų, kurias reikia išspręsti gaminant, išbandant ir naudojant šiuos vadinamuosius nevienalyčius. 3D rietuvės.

Bet tai yra daug egzotiškesni naujos kartos būdai, apie kuriuos lustų gamintojai kalbėjo. Lustų konferencijose jūs daug girdite apie „Direct Direction Self Assembly“ (DSA), kai naujos medžiagos iš tikrųjų susideda į pagrindinį tranzistoriaus modelį - bent jau vienam lusto sluoksniui. Tai šiek tiek skamba kaip mokslinė fantastika, bet aš žinau nemažai tyrėjų, kurie tiki, kad tai tikrai nėra toli.

Tuo tarpu kiti tyrėjai nagrinėja naujų medžiagų klasę - tradicinių gamybos stilių vadinamus III – V puslaidininkiais; tuo tarpu kiti ieško skirtingų puslaidininkių struktūrų, skirtų papildyti ar pakeisti FinFET, pavyzdžiui, nanolaidus.

Kitas išlaidų mažinimo būdas yra tranzistorių gaminimas ant didesnio plokštelės. Pramonė išgyveno tokius perėjimus prieš maždaug dešimtmetį pereidama nuo 200 mm plokštelių prie 300 mm plokštelių (apie 12 colių skersmens). Dabar daug kalbama apie perėjimą prie 450 mm plokštelių. Dauguma didžiųjų plokštelių gamintojų ir įrankių tiekėjų sukuria konsorciumą, reikalingą reikalingoms technologijoms ieškoti. Toks perėjimas turėtų sumažinti gamybos sąnaudas, tačiau pareikalaus didelių kapitalo išlaidų, nes reikės naujų gamyklų ir naujos kartos drožlių gamybos įrankių. „Intel“ turi gamyklą Arizonoje, kuri galėtų gaminti 450 mm, tačiau vėlavo užsisakyti įrankius, be to, daugelis įrankių pardavėjų taip pat delsia savo pasiūlą, todėl tikėtina, kad pirmoji tikra 450 mm plokštelių gamyba bus tik Ne anksčiau kaip 2019 ar 2020 m.

Atrodo, kad viskas tampa sunkiau ir brangiau. Bet tai buvo daroma puslaidininkių gamyboje nuo pat pradžių. Didelis klausimas visada yra, ar našumo ir papildomo tankio pagerinimas bus vertas papildomų išlaidų gaminant.

ISSCC: Moro įstatymo pratęsimas

Kaip pratęsti Moore'io įstatymą, pagrindinė tema buvo praėjusio mėnesio tarptautinėje kietojo kūno grandinių konferencijoje (ISSCC). Markas Horowitzas, Stanfordo universiteto profesorius ir „Rambus“ įkūrėjas, pažymėjo, kad priežastis, dėl kurios mes visose dienomis skaičiuojame kompiuterius, yra ta, kad skaičiavimas tapo pigus dėl Moore'io įstatymo ir Dennard'o taisyklių dėl mastelio keitimo. Tai leido tikėtis, kad skaičiavimo įrenginiai taps vis pigesni, mažesni ir galingesni. (Stanfordas per tam tikrą laiką nubraižė procesorių našumą svetainėje cpudb.stanford.edu).

Tačiau jis pažymėjo, kad mikroprocesorių takto dažnis nustojo didėti maždaug 2005 m., Nes galios tankis tapo problema. Inžinieriai pasiekė realią galios ribą - kadangi jie negalėjo lustų padaryti dar karštesnių, todėl dabar visų kompiuterių sistemų galia yra ribota. Kaip jis pažymėjo, galios mastelis - maitinimo įtampa - keičiasi labai lėtai.

Pirmasis pramonės atstovas yra linkęs išspręsti šią problemą - pakeisti technologijas. „Deja, nesu optimistiškas, kad ieškosime technologijos, pakeisiančios CMOS skaičiavimui“, - sakė jis tiek dėl techninių, tiek dėl ekonominių problemų. Vienintelis būdas padidinti operacijų skaičių per sekundę, todėl sumažėja vienos operacijos metu sunaudojama energija, sakė jis, teigdamas, kad todėl šiandien visi turi daugiagyslius procesorius, net savo mobiliuosiuose telefonuose. Tačiau problema yra ta, kad jūs negalite nuolat dėti šerdies, nes greitai pasiekiate mažėjančią grąžą pagal eksploatacinę energiją ir mirti. CPU dizaineriai jau kurį laiką apie tai žinojo ir ilgą laiką optimizavo procesorius.

Horowitzas sakė, kad neturėtume pamiršti apie atminties naudojamą energiją. Savo pranešime jis parodė dabartinio nenustatyto 8 branduolių procesoriaus energijos paskirstymą, kuriame procesoriaus branduoliai sunaudojo apie 50 procentų energijos, o atmintyje (L1, L2 ir L3 talpyklos) sunaudojo kitus 50 procentų.. Tai neapima net išorinės DRAM sistemos atminties, kuri gali baigtis 25 procentais visos sistemos sunaudojamos energijos.

Daugelis žmonių kalba apie specializuotos aparatūros (tokios kaip ASIC) naudojimą, kuri gali būti tūkstantį kartų geresnė energijos, tenkančios vienai operacijai, atžvilgiu, palyginti su bendrosios paskirties CPU. Tačiau, kaip pažymėjo Horowitzas, efektyvumas iš dalies kyla dėl to, kad jis naudojamas specifinėms programoms (tokioms kaip modemo apdorojimas, vaizdų apdorojimas, vaizdo įrašų glaudinimas ir išskleidimas), kurios iš esmės neprieina atminties. Štai kodėl jis padeda tiek daug energijos - ne tiek aparatinė įranga, kiek algoritmo perkėlimas į daug labiau apribotą vietą.

Blogos žinios yra tai, kad tai reiškia, kad yra ribojamos jūsų kuriamos programos. Geros žinios yra tai, kad galbūt pavyks sukurti bendresnį variklį, galintį valdyti tokio tipo programas su „dideliu lokalumu“, reiškiančiu, kad jiems nereikia pasiekti atminties. Jis tai vadina labai vietiniu skaičiavimo modeliu ir juo naudojamomis „trafaretinėmis programomis“. Žinoma, tam reikia naujo programavimo modelio. Stanfordas sukūrė domenui būdingą kalbą - kompiliatorių, kuris gali sukurti šias trafaretines programas ir paleisti jas FPGA ir ASIC.

Taip pat ISSCC konferencijoje Ming-Kai Tsai, „MediaTek“ pirmininkas ir generalinis direktorius, teigė, kad žmonės nuo 1990-ųjų pradžios klausia, kiek ilgai Moore'io įstatymas veiks. Bet kaip Gordonas Moore'as ISSCC sakė 2003 m., "Joks eksponentas nėra amžinai. Bet mes galime jį atidėti amžinai". Jis teigė, kad pramonė padarė puikų darbą išlaikydama Moore'o įstatymą. Tranzistoriaus kaina toliau mažėjo. Už 100 gramų ryžių (apie 10 centų) kainą 1980 m. Galėjai nusipirkti tik 100 tranzistorių, tačiau iki 2013 m. Galėjai nusipirkti 5 milijonus tranzistorių.

Tsai teigė, kad mobilieji įrenginiai pasiekė aukščiausią ribą, nes procesoriai negali efektyviai veikti didesniu nei 3 GHz greičiu ir todėl, kad akumuliatorių technologija mažai pagerėjo. „MediaTek“ stengėsi išspręsti šią problemą naudodama daugiagyslius centrinius procesorius ir nevienalytį daugiaprocesinį apdorojimą (HMP). Jis sakė, kad bendrovė pristatė pirmąjį tikrąjį 8 branduolių HMP procesorių 2013 m., O anksčiau šią savaitę ji paskelbė apie 4 branduolių procesorių, naudojantį savo PTP (našumo, šiluminės ir galios) technologiją, kad dar labiau padidintų našumą ir sumažintų galią. Jis taip pat kalbėjo apie spartų ryšį. Jis sakė, kad daugelis mobiliųjų programų, kurios anksčiau buvo neįmanomos, dabar yra perspektyvios dėl šių WLAN ir WWAN tinklų patobulinimų.

Jis teigė, kad „MediaTek“ kuria skirtingas „Cloud 2.0“ technologijas, įskaitant bevielio įkrovimo sprendimus, nešiojamųjų įrenginių „Aster“ SoC (matmenys tik 5, 4x6, 6 milimetrai) ir nevienalytes sistemas. „Cloud 2.0“, pasak Tsai, bus būdingas daug daugiau prietaisų, ypač nešiojamų, su daug daugiau radijo imtuvų; daugiau nei 100 radijo imtuvų vienam asmeniui iki 2030 m.

„Tsai“ teigė, kad dideli „Cloud 2.0“ iššūkiai bus energija ir pralaidumas. Pirmajam reikės novatoriškų integruotų sistemų, aparatinės ir programinės įrangos sprendimų; geresnė akumuliatorių technologija; ir tam tikra energijos išgavimo forma. Antrajam reikės veiksmingiau naudoti turimą spektrą, pritaikomuosius tinklus ir patikimesnį ryšį.

Kad ir kas nutiktų lustų gamyboje, be abejo, atsiras naujų programų ir naujų sprendimų, su kuriais susidurs lustų gamintojai, gaminių dizaineriai ir galiausiai galutiniai vartotojai.