Что такое технологический процесс процессора и на что он влияет
Все современные вычислительные технологии базируются на основе полупроводниковой электронной техники. Для ее производства используются кристаллы кремния – одного из самых распространенных минералов в составе нашей планеты. С момента ухода в прошлое громоздких ламповых систем и с развитием транзисторных технологий этот материал занял важное место в производстве вычислительной техники.
Центральные и графические процессоры, чипы памяти, различные контроллеры – все это производится на основе кремниевых кристаллов. Уже полвека основной принцип не меняется, совершенствуются только технологии создания чипов. Они становятся более тонкими и миниатюрными, энергоэффективными и производительными. Главным параметром, который при этом усовершенствуется, является техпроцесс.
Где применяются процессоры
Нас окружают гаджеты! Они повсюду и уже не просто окружили нас, а буквально взяли в заложники — мы без них не можем. В каждом из них есть процессор. Иногда все ограничивается только им и другие чипы уже выполнены с ним ”в одном флаконе”. Иногда отдельно вынесены такие элементы, как видеокарта или что-то в этом духе, но любой вычислительный элемент состоит их огромного количества транзисторов.
Когда выходит новый смартфон, компьютер, ноутбук или что-то в этом духе, производитель указывает загадочные нанометры, количество которых с каждым годом уменьшается и это считается хорошим знаком и признаком технологичности. Наверное, это единственный показатель, уменьшение которого является хорошим.
Эти самые нанометры называют технологическим процессом или сокращенно техпроцессом. Что же это такое?
Смартфоны с какими процессорами обновляются дольше остальных
Теперь о главном
Если говорить обобщенно, то под технологическим процессом понимается размер транзисторов.
Что это значит? Снова вернемся к производству процессоров.
Чаще всего применяется метод фотолитографии: кристалл покрыт диэлектрической пленкой, и из него вытравливаются транзисторы с помощью света. Для этого используется оптическое оборудование, разрешающая способность которого, по сути, и является техническим процессом. От ее значения — от точности и чувствительности аппарата — зависит тонкость транзисторов на кристалле.
Что это дает?
Как вы понимаете, чем они будут меньше, тем больше их можно расположить на чипе. Это влияет на:
- Тепловыделение и энергопотребление. Из-за уменьшения размера элемента он нуждается в меньшем количестве энергии, следовательно, и меньше выделяет тепла.
Данное преимущество позволяет устанавливать мощные CPU в небольшие мобильные устройства. Кстати, благодаря низкому энергопотреблению современных чипов, планшеты и смартфоны дольше держат заряд. Что касается ПК, пониженное тепловыделение дает возможность упростить систему охлаждения. - Численность заготовок. С одной стороны, производителям выгодно уменьшать техпроцесс, потому что из одной заготовки получается большее количество продукции. Правда, это лишь следствие утончения техпроцесса, а не преследование выгоды, потому что с другой стороны, чтобы снизить размер транзисторов, необходимо более дорогое оборудование.
- Производительность чипа. Чем больше он будет иметь элементов, тем быстрее будет работать, при том, что его физический размер останется прежним.
реклама
В то же время переход процессоров Intel на 10 и 7 нм может принести гораздо больший, чем можно предполагать, прирост, поскольку компания не увлекалась маркетингом нанометров, просто добавляя знаки + к своим 14 нанометрам, следовательно, новый техпроцесс может оказаться действительно значительно более продвинутым. Кроме того, Intel уже смотрит в будущее и проводит исследования в области альтернативных методов пространственной компоновки транзисторов и структур кристалла процессора.
Как бы то ни было, становится очевидно, что пресловутые числа в названиях техпроцессов не отражают физической реальности и размеров полупроводниковых элементов. Грядущие 5 и 3 нм от TSMC и Samsung, вероятнее всего, так же будут представлять из себя по сути 7++ и 7+++ технологии. Размеры элементов транзистора уменьшаются незначительно, увеличение плотности размещения транзисторов на единице площади достигается в первую очередь совершенствованием библиотек элементов, развитием программ-автотрассировщиков, оптимизацией самой структуры и компоновки блоков кристалла.
А значит, опасаться, что уже в текущем десятилетии мы упрёмся в физические ограничения создания транзистора на атомном уровне, не стоит. Тормозом станет, скорее, непомерная стоимость разработки и изготовления более совершенных степперов и проблема с созданием новых сверхмощных источников УФ-излучения. Впрочем, решение, возможно, уже не за горами и кроется в применении новых материалов, в частности соединений германия, гафния, либо графена. Но это уже совсем другая история.
Эволюция техпроцесса
Если покопаться в истории полупроводников 70-х и 80-х годов, то можно встретить устройства, разработанные по нормам техпроцесса 3 мкм. К такому технологическому прорыву впервые пришли компании Zilog в 1975 году и Intel в 1979 году соответственно.
Компании активно развивали технологии и совершенствовали литографическое оборудование.В начале-середине 90-х, прогресс достиг новых высот и на рынке стали появляться модели вроде Intel Pentium Pro и MMX, а также знаменитая «улитка» Pentium II.
Все изделия выполнялись по нормам процесса 0,35 мкм, т.е. 350 нм. Буквально через 10 лет технологии позволили сократить размер транзистора втрое, до 130 нм, и это был прорыв.Однако культовый период пришелся на 2004 год, когда инженеры начали осваивать для себя 65 нм. Тогда мир увидел знаменитые Pentium 4, Core 2 Duo, а также AMD Phenom X4 и Turion 64 x2. В это же время рынок наводнили чипы Falcon и Jasper для Xbox 360.
Что «nm» на самом деле означает
Процессоры выполнены с помощью фотолитографии, где образ процессора вытравливается на куске кремния. Точная методика выполнения этой операции обычно называется технологическим процессом и измеряется тем, насколько малым может быть изготовление транзисторов.
Поскольку более компактные транзисторы более энергоэффективны, они могут выполнять больше вычислений без перегрева, что обычно является ограничивающим фактором для производительности процессора. Это также позволяет уменьшить размеры матрицы, что снижает затраты и может увеличить плотность при тех же размерах, а это означает увеличение количества ядер на чип.
Плотность 7 нм в два раза выше, чем у предыдущего 14 нм узла, что позволяет таким компаниям, как AMD, выпускать 64-ядерные серверные чипы, что значительно превосходит их предыдущие 32 ядра (и 28 ядра Intel).
Важно отметить, что, хотя Intel все еще находится на 14-нм процессоре, а AMD собирается запустить свои 7-нм процессоры очень скоро, это не означает, что AMD будут работать в два раза быстрее. Производительность не соответствует размеру транзистора, и в таких маленьких масштабах эти значения уже не столь точны.
Что такое техпроцесс?
Вообще техпроцесс производства полупроводниковых схем подразумевает последовательность различных технологических и контрольных операций. Но почему тогда в графе техпроцесс пишется цифра с обозначением в нанометрах? Просто у фотолитографического оборудования, при помощи которого получают транзисторы, есть разрешающая способность. Чтобы лучше понять это советуем вам посмотреть это видео:
Со временем происходит эволюционное совершенствование этого процесса, что позволяет до сих пор соблюдать Закон Мура.
Интересный факт: Intel Pentium имел техпроцесс в 800 нм, что по современным меркам кажется безумно большой цифрой! И всего лишь 3,1 млн. транзисторов. (У Intel Core i7-5960X 14 нм и 2.6 млрд. транзисторов)
Чем меньше нанометров в технологическом процессе, тем:
Выше скорость работы. В сегменте мобильных процессоров самым быстрым сегодня считается Apple A13 Bionic, который выполнен по 7-нанометровому технологическому процессу — это максимально крутое значение, которое доступно на сегодняшний день в коммерческом секторе. За уменьшением техпроцесса зачастую следует именно увеличение производительности. Она сегодня жизненно нужна для использования нейронных сетей, для дополненной реальности, работы с графикой в любом месте и в удобное время. Да что там говорить, с выходом Apple Arcade мы ждём бум мобильных игр, и для них процессор также важен.
Ниже выделение тепла. Сегодня мы акцентируем внимание именно на мобильных устройствах. Есть мнение, что в смартфонах разговоры о температуре процессоров не так актуальны, но это большая ошибка. При большой нагрузке процессоры нагреваются. Если температура становится критичной, они снижают скорость своей работы — это называется троттлингом. Чтобы избежать этого, нужно делать корпус толще, думать про дополнительный отвод тепла и так далее. При использовании более совершенного технологического процесса число подобных заморочек заметно снижается.
Меньше потребление энергии. В конце концов, уменьшение технологического процесса очень важно для увеличения времени автономной работы. Именно поэтому при оценке ёмкости аккумулятора недорого смартфона на Android не нужно сравнивать её с соответствующим показателем в iPhone и других флагманах. Даже с куда большим объёмом аккумулятора устройство может работать не так долго, как того хотелось бы. Тот же Xiaomi Redmi 8 Pro с процессором, который выполнен по устаревшему технологическому процессу (12 нм), не радует автономностью даже с достаточно большой батарейкой.
В заключение повторюсь — при выборе нового смартфона нужно не в последнюю очередь смотреть на технологический процесс чипсета. Прогресс преодолел планку в 12 нм ещё в 2016 году, поэтому в 2019-м эта цифра выглядит даже как-то смешно.
