`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Intel vs. TSMC: лидерство в технологии — больше, чем плотность транзисторов

+44
голоса

Технологии производства полупроводников от TSMC, Samsung и Intel часто сравнивают на основании их плотности: количества транзисторов на кв. мм. Тайваньская компания в настоящее время считается лидером в этом подходе. Однако эти процессы охватывают гораздо больше, чем просто плотность. Не менее важны показатели мощности и производительности, а также инновации.

Свои размышления по этому поводу опубликовал эксперт из Tom’s Hardware Арне Верхайде (Arne Verheyde). Вот, что он пишет.

Большая часть роста TSMC происходит за счет передовых технологических процессов, которые служат, чтобы следовать закону Мура: они обеспечивают двукратное повышение плотности транзисторов на поколение каждые два-три года. Это дает разработчикам микросхем больший бюджет транзисторов, более мощные и более эффективные транзисторы, что позволяет им увеличивать функциональность чипов. Кроме того, стоимость минимальной вычислительной единицы также имеет тенденцию к снижению.

Аналогичным образом для Intel использование преимуществ закона Мура было и остается жизненно важным для того, чтобы иметь возможность конкурировать с предлагаемыми продуктами и выходить на новые рынки, такие как IoT, графические процессоры и ИИ.

Учитывая, что закон Мура имеет экспоненциальный характер, то даже опережение всего на один шаг может дать огромное конкурентное преимущество. Например, для геймеров двукратное увеличение производительности графического процессора может означать достижение 60 кадров в секунду вместо 30.

Ранее Intel потеряла лидерство, которое она прежде твердо установила с помощью каденции Tick-Tock, из-за трехлетней задержки технологии 10 нм. Однако теперь эти отставания остались позади, и Intel, похоже, восстановила свою двухлетнюю цель по темпам роста.

Тем не менее, как следует из названия данной статьи, полупроводниковые технологические процессы — это нечто большее, чем просто показатель плотности транзисторов, на который, в основном, обращают внимание инвесторы и даже энтузиасты. И в этих аспектах хорошо известное и устоявшееся лидерство TSMC не так однозначно.

Аргументом этой статьи является то, что производительность и мощность транзисторов так же важны (как и плотность). Числа в нанометрах — это уже просто маркетинг, вместо того, чтобы ссылаться на фактические размеры транзисторов, и еще меньше говорят о том, сколько энергии потребляет транзистор при переключении или как быстро он может переключаться.

Однако, прежде всего, когда дело доходит до других показателей, помимо плотности, то они, по общему признанию, несколько менее ясны, чем просто число, такое как плотность транзисторов. На них (также) сильно влияют дизайнерские решения высшего уровня. Инновации в транзисторах могут проиллюстрировать этот аспект на некоторых исторических примерах.

В конце 1990-х годов масштабирование характеристик транзисторов, известное как закон масштабирования Деннарда (Robert Dennard) — уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы можем легко повышать его производительность, — достигло предела и стало прелюдией к окончанию войн в области тактовых частот. Intel изобрела технику, известную как напряженный кремний с технологией 90 нм в 2001 году, прежде чем другие перешли на 65 нм примерно в 2004 году. Дальнейшие усовершенствования этого метода позволили транзисторам продолжать улучшать ток возбуждения (производительность) с течением времени.

Далее, не все транзисторы имеют одинаковую длину. Например, между затвором (который управляет транзистором) и истоком-стоком (где течет ток) есть относительно небольшой изолирующий слой. В начале 2000-х этот слой приближался к ширине, измеряемой в монослоях атомов. Отсутствие возможности его масштабировать еще больше приводит к снижению производительности. Его небольшая ширина также привела к значительному увеличению утечки (из-за квантовых эффектов). Чтобы преодолеть эти проблемы, Intel представила набор инноваций в области материаловедения, известный как HKMG (high-k, metal gate) в 2007 году с допусками 45 нм, прежде чем другие скопировали это на 28 нм в 2011-2012 годах. Это уменьшило утечку, увеличивающуюся до неприемлемого уровня, а также позволили непрерывно масштабировать размер элемента (следовательно, предотвратить прекращение действия закона Мура).

Тем не менее, исторический КМОП-транзистор, как он был известен, уже себя исчерпал, поскольку утечка оставалась проблемой. Снижение возможностей бесполезно, если при этом также нельзя уменьшить мощность и постоянно увеличивающуюся утечку, по мере того как компоненты становятся все меньше. Intel, опять же, лидирует в разработке Tri-Gate/FinFET. Это была, так сказать, новая «архитектура» транзистора, которая позволяла затвору более полно охватить канал исток-сток. Следовательно, это увеличивало контроль тока или, другими словами, уменьшало утечку. Intel представила эту технологию на 22 нм в начале 2012 года, прежде чем другие на 16 нм в начале 2015 года.

Следует отметить, что TSMC, вероятно, была застигнута врасплох ведущим в отрасли внедрением Intel FinFET на 22 нм. Как объяснялось в прессе, TSMC вытащила свой FinFET из своего 14-нм узла, вставила его в свой 20-нм техпроцесс и назвала этот «новый» процесс 16-нм (и, следовательно, переименовала свой 14-нм в 10-нм, 10-нм в 7-нм и т. д.)

 лидерство в технологии — больше, чем плотность транзисторов

Рис. Очень долгий период Intel использовала техпроцесс 14 нм, что позволило TSMC вырваться вперед

Каждое из трех основных нововведений в области материаловедения, указанных выше (напряженный кремний, HKMG, FinFET), обеспечило Intel большое технологическое преимущество, поскольку корпорация представила их на три-четыре года раньше, чем другие передовые предприятия. Тем не менее, они лишь слабо связаны с плотностью: они были изобретены для продолжения исторического масштабирования, но, помимо простого масштабирования, они также обеспечили преимущества в мощности и производительности.

Кроме того, дело не только в транзисторах. Не менее важно и межсоединения, которые, как следует из названия, соединяют транзисторы.

Межсоединение также является узким местом с точки зрения мощности и производительности: отдельные транзисторы могут переключаться на частотах до десятков или сотен ГГц. Это также все больше и больше становится препятствием для масштабирования.

На уровне 14 нм Intel представила «воздушные зазоры» между несколькими избранными слоями. Известно, что воздух является одним из лучших изоляторов, так что это действительно улучшило мощность и производительность. Intel по-прежнему остается единственной фабрикой с этой технологией. Итак, в этом аспекте у Intel в настоящее время есть шестилетнее лидерство, и оно продолжается.

Чтобы продолжить масштабирование транзисторов до EUV (Extreme Ultra Violet), промышленность использовала множественное формирование паттернов: экспонирование пластины не один, а несколько раз. На сегодняшний день Intel остается единственной фабрикой, которая использовала четырехкратный паттерн в слоях межсоединений, хотя компания заявила, что это одна из причин ее проблем с производительностью.

Первый в отрасли SuperFin — Super MIM 10 нм от Intel — обеспечивает пятикратное увеличение емкости (при той же площади) по сравнению с остальной отраслью. Очевидно, что это значительная технологическая инновация.

В целом, все вышеупомянутые инновации (кроме, возможно, FinFET) можно назвать инновациями в области материаловедения. С даты выпуска (и даже с 10-нанометрового) SuperFin ясно, что историческое лидерство и инновации Intel в области материаловедения не имеют себе равных.

Поскольку транзисторы и размеры элементов между транзисторами продолжают уменьшаться, полупроводниковые инновации все еще необходимы, как и в последние два десятилетия.

FinFET можно улучшить, полностью обернув затвор вокруг канала. В ближайшем будущем отрасль действительно выйдет за рамки FinFET (трехступенчатые), а короче говоря, будет переходить на универсальные («четыре затвора»), или GAA (Gate-All-Around). Это даст те же преимущества, что и переход на FinFET, хотя теоретическая выгода не так велика, как планарность для FinFET. Мощность и производительность FinFET-транзисторов и нанопроволок можно еще больше увеличить, изменив материал канала с Si на Ge или комбинацию элементов группы III-V. Помимо перехода на GAA, еще одним усовершенствованием в будущем может стать замена материала канала (где течет ток) на материалы пост-кремния.

Помимо GAA, на различных этапах исследований находятся буквально десятки будущих пост-КМОП технологий. Спинтроника, углеродные нанотрубки, квантовое туннелирование ... В своих исследованиях Intel, кажется, отдает предпочтение спинтронике, TSMC — углеродным нанотрубкам, хотя пока что на самом деле ничего не развивается.

Intel, возможно, перейдет на технологию GAA или на нанопроволоки на 5 нм раньше, чем TSMC на 2 нм, и это ясно указывает на то, что Intel может по-прежнему оставаться лидером в области материаловедения и инновационного транзисторного аспекта закона Мура, даже если он несколько отстает по плотности.

Для включения или выключения в большинстве микросхем требуется разница в управляющем токе на несколько порядков. Учитывая, что при увеличении напряжения происходит только конечное увеличение тока возбуждения, это означает, что существует некоторое минимальное напряжение, необходимое для того, чтобы транзистор считался включенным, называемое пороговым напряжением.

Следовательно, (экспоненциальная) скорость увеличения тока (при увеличении напряжения) определяет это пороговое напряжение. Таким образом, технологии, которые улучшают этот показатель, могут позволить значительно снизить рабочее напряжение. А поскольку мощность/энергия масштабируются квадратично в зависимости от напряжения, это может привести к серьезным улучшениям в энергопотреблении и энергоэффективности микросхем (хотя, возможно, за счет максимальной производительности). Это называется наклоном подпорогового (управляющего) тока. Он измеряется в мВ/декаду: сколько милливольт требуется, чтобы увеличить ток возбуждения в 10 раз. Чем ниже — тем лучше.

Для кремния/КМОП теоретический предел составляет 60 мВ/дек. Планарные транзисторы достигли низких трехзначных значений (~ 100-120). Фактически, FinFET-транзисторы смогли снизить это значение почти до предела, около 65 мВ/дек. Это еще раз демонстрирует преимущество Intel благодаря трехлетнему лидерству в FinFET.

Теперь можно подвести некоторые итоги из реальных преимуществ этих инноваций.

Прежде всего, 45-нанометровые процессоры Intel Core (узел HKMG) помогли компании увеличить разрыв с AMD и вернуть себе долю рынка и определенное лидерство в области процессоров (в течение следующих нескольких десятилетий). Процессоры Intel на планарных транзисторах достигли частоты около 4,6 ГГц с 32-нм технологией Sandy Bridge. Учитывая, что FinFET-транзисторы в основном снижали мощность, уделяя меньше внимания производительности (первоначально), их 22-нм преемники Ivy Bridge снизили тактовую частоту.

Однако улучшенные полевые транзисторы FinFET (более высокие, более прямоугольные), воздушные зазоры и, возможно, другие методы позволили 14-нм Skylake в конечном итоге превзойти планарные транзисторы по производительности, а 14-нм ++ сегодня достигают до 5,3 ГГц (одноядерный) в коммерческих продуктах. Процессор Ice Lake (10 нм) достиг 3,9 ГГц в конфигурации 15 Вт и 4,1 ГГц при 28 Вт. Tiger Lake (10 нм SuperFin) настроен на повышение этой частоты до ~ 4,8 ГГц. Это показывает, что усовершенствования могут продолжаться после внедрения процесса и привести к значительным улучшениям (даже если в этом случае просто вернуться к паритету с предыдущим поколением).

В то же время Nvidia и AMD отказались от 20-нм техпроцесса из-за отсутствия FinFET (и библиотеки дизайна, ориентированной на HP). Кроме того, техпроцесс 20 нм не уменьшил стоимость транзистора. Как и в случае с питанием, нельзя реализовать больше транзисторов — используя закон Мура — если стоимость транзистора не снизится.

Учитывая задержки с технологией 7 нм, Intel может даже продолжить разработку улучшений своей 10-нанометровой технологии, поскольку теперь ей придется использовать ее дольше, чем планировалось. Intel утверждала, что это позволит ей сделать еще один шаг по усовершенствованию закона Мура (помимо плотности) в пределах 10 нм, что уже демонстрирует 10 нм SuperFin. С этой целью, возможно, некоторые из нововведений в области материаловедения, намеченных для 7 нм (+) (+), могут быть введены в грядущем 10 нм ++ (+).

Таким образом, можно сделать вывод, что технология транзисторов не исчерпывается только размерами элементов и значениями плотности. Intel с начала 2000-х годов имеет историческое и значимое трехлетнее лидерство в передовых инновациях в области материаловедения, что подтверждается важной тройкой: напряженный кремний, HKMG и FinFET. Дальнейшие инновации включают воздушные зазоры и кобальт в межсоединении (которого нет у TSMC). Хотя это не влияет напрямую на плотность транзисторов, это тоже технологический процесс, и поэтому его следует учитывать при сравнении и обсуждении лидерства в процессах.

Из вышеизложенного следует, что процесс — это гораздо больше, чем просто его плотность. Не всем продуктам вообще нужна самая высокая плотность. Хотя в целом новые узлы имеют ряд преимуществ, которые включают, помимо плотности, также более низкую стоимость, меньшую мощность, а также более высокую производительность, некоторые важные инновации, такие как HKMG и FinFET, привели к уменьшению размера шага улучшения некоторых аспектов, таких как утечка, даже если это не так легко измерить или предсказать, как плотность.

В будущем, хотя Intel не будет первой, кто перейдет на GAA (как и Samsung), она все равно будет опережать TSMC (согласно последним утвержденным графикам дорожных карт), а исторические ноу-хау Intel в области материаловедения могут позволить ей предоставить гораздо лучшую реализацию этой технологии. Однако, по общему признанию, нет уверенности, что Intel будет и дальше оставаться здесь определенным лидером, как когда-то в случае с HKMG и FinFET, хотя SuperMIM 10-нм SuperFin показывает, что он, вероятно, по-прежнему останется одной из сильных сторон Intel в технологических процессах в будущем.

Все про современные облачные технологии!
Не пропустите очередную сессию докладов на онлайн-конференции Google Cloud Next '20 OnAir, которая проходит до 30 октября!

+44
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 

Slack подает жалобу на Microsoft и требует антимонопольного расследования от ЕС

 
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT