7 нм техпроцесс в чипах: Померяемся нанометрами? РАЗБОР

    Snapdragon 865, Apple A13 bionic, новый Ryzen от AMD... Отовсюду нам кричат про 7-нанометровый техпроцесс в смартфонах и ПК! Чем это отличается от знакомых 10 и 14 нанометров? Как влияет на батарейку, производительность, нагрев? А тут еще и Samsung с Google анонсируют процессоры на 5 нм, кто-то уже вообще говорит о 3 нм.



    А где вообще Intel? Только что еле-еле переползли на 10 нм?

    Мы решили узнать, что измеряют эти нанометры? И так ли важно ими мериться или это просто маркетинг? И реально ли Intel так безбожно устарел?


    Прежде чем перейти к процессорам в наших смартфонах и компьютерах, немного основ как устроен процессор?

    Знакомьтесь — это транзистор! Ключевой элемент всех процессоров. Фактически транзистор — это переключатель. Ток течет через него — это 1, ток не течет — это 0. Это и позволяет считать в двоичной системе — основа всех процессоров!



    Раньше транзисторами были вакуумные лампочки. Условно — горит или не горит: единица или ноль.

    Таких лампочек нужно было очень много, чтобы всё как-то работало. Например, компьютер ENIAC 1946 года, который участвовал в создании водородной бомбы насчитывал 17,5 тысяч вакуумных ламп и весил 27 Тонн, занимая 167 квадратных метров. При этом он жрал 150 кВт электричества.



    И тут один из ключевых моментов, на который стоит обратить внимание. Еще раз повторю энергопотребление у этих 17,5 тысяч лампочек составляло 150 кВт.





    Но в начале 1960-х случилась революция — изобретение и начало производства полевых транзисторов. Как раз у них исходным полупроводником является кремний — отсюда и всем известная силиконовая, кхм, то есть Кремниевая долина!

    И тут понеслось! Размеры транзисторов уменьшились настолько, что они стали потреблять существенно меньше электричества и занимать меньше места. И количество транзисторов в вычислительной технике начало увеличиваться с огромной скоростью! А вместе с ним и мощность вычислительных систем!



    В первом промышленном процессоре Intel 4004, который был выпущен в 1971 году было 2250 транзисторов.

    А сейчас например в A13 Bionic этих транзисторов 8.5 миллиардов — это больше чем людей на планете! Ну пока…



    Но на сколько вообще уменьшились современные транзисторы, насколько они маленькие? Простое сравнение легкое для понимания — например, с человеческим волосом!

    На его срезе можно разместить почти 1.5 миллиона современных транзисторов сделанных по 7-нанометровому техпроцессу!

    То есть у вас на толщине человеческого волосе можно разместить в 4 раза больше транзисторов, чем было в процессоре Intel 4004!

    Почему же надо уменьшать? Тут все более-менее очевидно!

    Во-первых, чем меньше транзистор — тем меньше он потребляет энергии. Вы уже это поняли на примере ламповых.

    А во-вторых — их больше помещается на кристалле, а значит растёт производительность. Двойная выгода!



    И тут мы переходим к понятию техпроцесса или Technology Node — что же это такое?

    Если максимально упростить, то значением техпроцесса исторически являлась минимальная длина канала транзистора — как видно на картинке — не стоит его путать с размерами транзистора целиком.



    То есть, чем меньше размер техпроцесса — тем лучше — это нам и пытаются донести компании, но так ли всё просто?

    И тут важно другое: транзисторы бывают разные и они отличаются не только по размеру, но и по своей структуре.

    Классические, планарные или плоские, транзисторы перестали использоваться относительно недавно — в 2012 году. Они уступили место трёхмерным транзисторам, где вытянули канал в третье измерение, уменьшив его толщину и тем самым уменьшив сам транзистор. Такая структура называется FinFET — они и используются сейчас.



    Данная технология очень помогла уменьшить размер транзисторов и главное — сильно повысила количество транзисторов на единицу площади, что и является одним из ключевых показателей для производительности!

    Но означает ли сегодня понятие техпроцесс тоже самое, что и несколько лет назад?

    Во всей индустрии прослеживалась очень важная тенденция — каждый следующий техпроцесс был меньше предыдущего на 30%, что помогало удвоить количество транзисторов при сохранение того же энергопотребления — например 130*0.7=90 нм, 90*0.7=65 нм, далее до 45 нм, 32 нм, и так далее.

    И это пока соответствует Закону Мура:

    Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.


    Что же стоит за этой игрой чисел?

    Мы уже выяснили, что техпроцесс — это размер затвора транзистора, то есть длина канала, который пропускает или не пропускает через себя ток и этот размер ключевой!



    Но оказывается это истинно, только если мы говорим о старых 32 нм — там все точно, хоть линейкой измеряй! И этот параметр был закреплен документально!

    Но так было до 2009 года, когда из так называемого “Международного плана по развитию полупроводниковой технологии” было исключено понятие техпроцесса и его обозначения!

    Простым языком — цифры указанные в тех процессе сегодня — это просто маркетинговый лейбл!

    Производители пошли вразнос и начали называть всё подряд 10, 7 и вообще 5 нанометрами, а кто-то уже говорит и о 3 нанометрах! Можно всё это ставить в кавычки, как простое обозначение поколения процессоров!



    Вот вам например структура процессора Apple A12, произведенного на заводе TSMC по 7- нанометровому техпроцессу. Обратите внимание на шкалу масштаба в левом нижнем углу.



    Если сравнить масштаб и посчитать, то получается, что ширина канала — 8 нанометров, при том, что официально процесс называется 7-нанометровым.

    Теперь давайте сравним 10-нанометровый процесс у Intel и 7-нанометровый у TSMC.

    Кстати, знайте, что сегодня TSMC это компания, которая производит процессоры для AMD, а также делает Apple A13 и Snapdragon 865 — поэтому считайте, что мы сравниваем сразу все их чипы.



    Обратите внимание на размерность. Сразу видно, что те же 10нм у Intel почти такие же как 7 нанометров у TSMC! Так что выходит Intel не так уж отстали от AMD и других производителей — они просто проиграли маркетинговую битву? Тут тоже все не так однозначно!



    Внезапно по некоторым параметрам Intel даже выигрывают у TSMC.
    Смотрите на 1 квадратный миллиметр 10нм кристалла Intel помещается примерно на 5 процентов больше транзисторов, чем на 7нм у того же Apple, Qualcomm или AMD.

    Но при этом у повышенной плотности есть и минусы — увеличенный нагрев!

    Значит получается что кристаллы Intel мощнее, но за счет плотности они больше греются. Таким образом, мы получаем тот самый пресловутый троттлинг.

    А процессоры производства TSMC — Apple Qualcomm и AMD выигрывают именно за счет более просторного расположения транзисторов примерно тех же размеров.

    Как они это делают — это скорее вопрос внутренней архитектуры, а не циферка, которая стоит в названии тех процесса.

    Не думайте, что я забыл про архитектуру N7FF+ — да она еще плотнее чем у Intel, но если говорить о чипах серия AMD Zen 2, Applу A13, Snapdragon 865 — все сделаны на основе TSMC 7FF и она проигрывает в плотности Intel.

    Единственный процессор, который уже производится по новой технологии N7FF+ с использованием экстремальной УФ-литографии — это Kirin 990 5G. Тут конечно плотность транзисторов сильно возрастает — аж на 15 процентов!





    По идее производители просто идут по немного разному пути и если заглянуть в будущее, то становится понятно по какому: вот вам табличка того как все будет — чипы следующего поколения.

    Нас интересует строчка про плотность транзисторов на 1 квадратный миллиметр!



    По этим данным Intel более чем на 30 процентов обходит и Samsung, и TSMC в плотности транзисторов — и это при том, что тут мы сравниваем уже 7 нм у одного производителя и 5 у другого.

    Откуда такой прирост? Как возможно такое повышение плотности — процы просто будут взрываться или работать только с навороченными система охлаждения?

    Не совсем так. Все дело в том, что Intel планирует перейти на транзисторы совершенно другой структуры — под названием HNS — Horizontal Nano Sheets — это и позволит сделать скачок!



    Но похожие планы есть и у Samsung — они идут немного в другую сторону к структуре Gate-All-Around FET.



    Вот как это выглядит в реальности — не так симпатично, но вы только подумайте о том, какие они маленькие!

    В итоге мы поняли, что за маркетинговыми названиями 7 нм и 5 нм скрывается битва архитектур, а в будущем мы сможем выяснить чей же путь был верным.

    Что можно сказать абсолютно точно — нас ждёт огромный скачок среди всех чипов как мобильных так и десктопных уже в течение ближайших нескольких лет.



    На этой ноте не хочется заканчивать тему процессоров, ведь мы изучили немало информации и документов, в том числе разобрались в процессе производства. Например, вы слышали о таком процессе Экстремальная Ультрафиолетовая Литография? Если на пальцах, это какая-то фантастика — капля олова превращается в плазму после попадания лазера: именно так создаются современные процессоры. Но сами установки может создавать только одна компания в мире и все гиганты от нее зависят.
    Droider.Ru
    Компания
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 27

      +3
      Смотрите на 1 квадратный миллиметр 10нм кристалла Intel помещается примерно на 5 процентов больше транзисторов, чем на 7нм у того же Apple, Qualcomm или AMD.

      Плотность различных блоков процессора различается. Есть массивы памяти, а есть логика, где много соединений и плотность ниже.

      А процессоры производства TSMC — Apple Qualcomm и AMD выигрывают именно за счет более просторного расположения транзисторов примерно тех же размеров.

      Мобильные чипы используют high-density библиотеки элементов, а десктопные — high-performance.
      У Apple средняя_по_больнице_плотность 89 МТр/мм.
      У Ryzen средняя_по_больнице_плотность 66 МТр/мм.
      На том же TSMC N7.
      Так вот у процессоров Интел плотность не лучше AMD, а может и хуже (из-за расчёта на более высокие частоты).

      По этим данным Intel более чем на 30 процентов обходит и Samsung, и TSMC в плотности транзисторов

      Интел выиграл битву бумажных тигров? Похвально.
      Только вот первый 5нм процессор TSMC выходит уже через 2 месяца.
      У Интел 7нм через 2 года :)

        0
        Плотность различных блоков процессора различается. Есть массивы памяти, а есть логика, где много соединений и плотность ниже.


        Как раз хотел спросить. А когда указывают техпроцесс — размер транзисторов в каком именно «месте» процессора имеют в виду? Получается, что когда говорят о кол-во транзисторов, тоже имеют в виду не весь CPU, а только его часть (иначе бы кол-во не росло в ~2 раза при уменьшении техпроцесса).
          +1
          В табличках, которые можно встретить в этом тексте, указываются характеристики ячейки SRAM.

          Получается, что когда говорят о кол-во транзисторов, тоже имеют в виду не весь CPU, а только его часть

          Весь. Тупо количество транзисторов / площадь кристалла.
          Но на самом деле мы не знаем насколько достоверны цифры, которые нам говорят.
          Предполагается что это активные транзисторы используемые в схеме. А есть ещё и пустышки, которые занимают неиспользуемые области, для выравнивания.

          В общем так себе метрика. Вот, информация по теме:
          www.realworldtech.com/transistor-count-flawed-metric
            –1
            А ещё отключенные блоки — у Интела, в отличие от АМД не принято было выпускать процессоры с нечётным количеством ядер, значит при неисправности одного отключают два, их кэш, вероятно и часть соединений, а также некоторое количество вычислительных блоков gpu. И хорошо бы, если выключали совсем (питание), но складывается впечатление, что отключенные блоки продолжают питаться и тактироваться, а значит — потреблять и греться.
          +4
          Вопрос не в том, кто выиграет битву на бумаге и сражения презентаций. Вопрос в том, кому достанутся деньги потребителей. AMD хоронит Интел уже несколько лет, вот только по той статистике, что мне попадалось, и по знакомым — доля AMD по прежнему не так и велика, и зачастую их покупают, когда денег нет. И когда деньги появляются — переходят таки на Интел.

          И можно сколько угодно рассуждать на тему того, кто по факту круче. Но есть нюансы.

          P.S. Если что, сижу на AMD начиная с 286 еще, с кратковременными переходами на Интел и обратно. :) Но из песни слов не выкинешь…
            0
            Моя первая работа была — сборка и ремонт компьютеров (начало 2000-х). С тех пор к AMD не очень хорошее отношение (это субъективно, конечно). Летом, когда жара, много людей, которые купили компы с процессорами AMD, приходили с жалобами на частые зависания и перезагрузки. Грелись они (процессоры) конкретно. Как сейчас — не знаю.
              0
              Было такое. Причём если интеловские процессоры могут долго работать при сниженном напряжении питания, то амд со временем начинают капризничать и требовать вернуть обратно паспортное напряжение. Похоже, термопаста под теплораспределительной крышкой со временем теряет свойства, да и сам кристалл слегка деградирует.
              В итоге амд получались прожорливее и шумнее.
              +3
              Надеюсь вы понимаете насколько большая «инерция» у такого огромного рынка, естественно за пару лет соотношение интел/амд на рынке резко перевернутся не может. Но если взять свежую статистику за последние 1-2 года, то до 80% продаж крупных сетевых магазинов приходятся на амд(как минимум в Германии). А к концу года еще выйдут новые консоли, которые тоже на амд. Плюс на рынке серверов новые эпики прилично обошли конкурентов. Плюс новые мобильные APUшки получились весьма крутыми. В тоже время у интела приличный застой и как минимум еще одно поколение процов будет проходным и что хуже — на «мертвом» сокете.
                +4
                Являюсь обладателем ноута с APU 4700U. Пусть и субъективно, но камень шустрый и холодный.
                  0
                  2700u тоже перевернул мои представления о процессоре для ноутбука, если честно — лёгкий, быстрый и экономичный одновременно, умудряющийся заткнуть за пояс многие десктопные процессоры что в многопотоке, что в однопотоке.
                    0

                    Тоже есть ноут на нем. Вполне согласен, процессор очень мощный и холодный. Пробовал нагружать на максимум (сразу и графику и процессор), выше 65 градусов не видел. Если не нагружать (веб, ютуб, документы открыть) — держит ниже 50.


                    Правда, с ним есть один нюансик: если включена виртуализация, не работает сон (вызывает BSOD). Обещают вроде пофиксить. У вас такой проблемы не возникало?

                      +1
                      Linux Mint 20/5.8 сон тоже отключил. Подожду стабилизации ядра. Если использовать 5.7 не работает микрофон.
                    +1
                    Странно было бы не понимать. :) Эта борьба идет уже столько лет, что 1-2 года не решают вообще ничего, imho.
                  +2
                  У Интел 7нм через 2 года :)

                  и то это не точно, к сожалению
                    0
                    > Только вот первый 5нм процессор TSMC выходит уже через 2 месяца.
                    > У Интел 7нм через 2 года :)

                    К чему упоминать эти «нанометры», если в предыдущей строке написано про бумажных тигров?
                    –1
                    Когда миллион подписчиков праздновать, наконец, будем?
                      0

                      http://droider.ru/post/7-nm-tehprotsess-v-chipah-pomeryaemsya-nanometrami-razbor-05-06-2020/
                      Нельзя же перепечатки. Но интересная статья.

                        +1
                        А лет через много, когда транзисторы уменьшаться ещё на сколько-то порядков, то они в работе будут генерировать энергию.
                        Из примера с лампами и микросхмами так и следует.
                        И где грустная история про невозможность бесконечно уменьшать линейные размеры элемнтов, и для чего потребовалось извращаться с объёмными стуктурами?
                          +1
                          Не вижу противоречий.
                          Будут отрицательные размеры — будет отрицательное сопротивление проводника, будет и выработка энергии вместо потребления.
                          А до физического предела линейных размеров там вроде ещё порядок или два, если мне память не изменяет. Сейчас предел — технологический.
                            +1
                            Уже упёрлись в физику. Там электроны сквозь кремний спокойно гуляют.
                            Из-за чего и начали развлекаться с объёмным структурами и с экзотическими диэлектриками.
                          +3
                          Сразу видно, что те же 10нм у Intel почти такие же как 7 нанометров у TSMC

                          Секундочку! Покажи те ка продукцию Intel на 10нм, которую я могу купить вместо 7нм АМД? А когда она появится в продаже, если нет?
                            0
                            i3-8121U вы могли купить ещё в 2018, если хотели двухядерник 2.2GHz без GPU.
                            Ноут на i7-1065G7 можете купить сейчас.
                              +2
                              Про скудный запуск 2018 в курсе… но считать его доступным не стоит.
                              Новые мобильные 1000й серии да, интересно будет сравнить. Вот только в настольном сегменте…
                            +1
                            Зачем! Столько! Знаков! Восклицания!?
                              +2
                              Значит получается что кристаллы Intel мощнее, но за счет плотности они больше греются. Таким образом, мы получаем тот самый пресловутый троттлинг.

                              Что толку от большей плотности, если при этом производительность\Ватт\мм^2 настолько хуже, что как и во времена NetBurst'а уже сложно отводить это тепло без воды.
                              Текущее поколение АМД сильно более холодное и, ИМХО, не последняя роль в этом как раз тех самых «маркетинговых» нанометров.
                                0
                                Раньше транзисторами были вакуумные лампочки. Условно — горит или не горит: единица или ноль.

                                Это как-то сильно уж условно. В случае вакуумных лампочек горит = компьютер исправен, не горит = компьютер сломался.
                                  +1

                                  Я понимаю, что обзор Вы вряд ли сами писали, но для человека, который пытается объяснить технологию популярно довольно странно делать ляп с ТСМСишой ТЕМ картинкой: на ней фины порезанный поперёк и 8 нм — это "ширина" канала, а не его длина (которая как раз когда-то давно и обозначала поколение технологии).
                                  Если бы Вы удосужились найти картинку с разрезом вдоль транзистора, вы бы увидели, что длина канала наномертов 15, а всего транзистора — нанометров 60 примерно. Ширина же финов мало меняется с поколением последние годы (примерно с 10 нм у foundry компаний): 10,8,7,6,5 нм — все эти технологии имеют практически одинаковые толщины.

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое