Насколько меньшими могут быть чипы?

Семь лучших умов, которых может собрать Intel, выстроились на сцене, готовые ответить на вопросы группы явно напуганных европейских журналистов.

Это стипендиаты Intel – высшая техническая награда, присуждаемая инженерам компании – чьи резюме наполнены докторскими степенями и патентами вместо тех мест, которые большинство людей ставят в качестве заполнителей, таких как «отличные навыки набора текста» и «интерес к бадминтону».

Наконец один из представителей прессы набирается смелости задать вопрос. Закон Мура – ​​легендарное предсказание Гордона Мура о том, что количество транзисторов в процессоре будет удваиваться каждые два года – умер? Один или два парня вежливо посмеиваются, остальные явно раздражены. Почти все рвутся схватить микрофон и прямо поставить нахального вопрошающего.

Пять главных историй о PC Pro

1. Ученые утверждают, что графические процессоры делают пароли бесполезными

2. Наглядная иллюстрация безумия музыкальной индустрии

3. Fibrecity раскритиковала коммунальное предприятие из-за неудачной сделки по широкополосной канализации

4. BBC обеспокоена тем, что HTML5 «сбивается с курса»

5. Обновленный 27-дюймовый iMac от Apple

Один за другим они дают взвешенные и остроумные ответы. «Число людей, предсказывающих конец закона Мура, удваивается каждые два года», — язвительно шутит скандинавская газета Tryggve Fossum, прежде чем американский коллега Карл Кемпф приводит резкую развязку. «В первом микропроцессоре было 2300 транзисторов, теперь у нас есть процессоры с 2,3 миллиарда транзисторов. Это закон Мура. Вот что мы делаем».

Действительно, именно этим Intel занимается уже более 30 лет. Теперь компания готовится бросить вызов законам физики, чтобы «напечатать» чипы следующего поколения. Чипы настолько напичканы транзисторами, что при их изготовлении оборудование работает с субатомной точностью.

Но если вы уже работаете с транзисторами размером с небольшую часть вирусной клетки, как далеко вы сможете продвинуться в миниатюризации, прежде чем предсказание отважного журналиста об отмене закона Мура сбудется?

Мы собираемся рассказать, как Intel и другие производители преодолели огромные технические барьеры, стоящие на пути сегодняшних технологий производства микросхем, и изучить проблемы, с которыми они сталкиваются при сокращении чипов завтрашнего дня до 22 нм и выше.

Размер задачи

Сложность современного процессора почти за гранью понимания. Рабочее ядро ​​с тактовой частотой 1 ГГц в новейших процессорах ARM Cortex A9 занимает менее 1,5 мм² при производстве по 65-нм техпроцессу. Если представить это в перспективе: нанометр — это миллиардная доля метра, а это означает, что нанометр для теннисного мяча — то же самое, что теннисный мяч для планеты Земля.

«Микроскопический» даже близко не стоит.

Тем не менее, если это звучит невероятно сложно, новейшие процессоры Intel Core созданы с использованием 32-нм техпроцесса. Хотя вы, возможно, сможете заметить одно из ядер ARM невооруженным глазом, чтобы увидеть один из 32-нм транзисторов на чипе Intel, вам придется увеличить процессор до размеров дома.

Работа с такой точностью является огромной проблемой для производителей микросхем. Поскольку процессы совершенствуются каждые два года, чтобы поддерживать закон Мура, инженеры Intel вынуждены проявлять выдающийся уровень изобретательности, чтобы процессоры работали. «Конец предсказывали много раз, и мы показали, что это не так», — сказал сотрудник Intel Хосе Майс. — По крайней мере, пока.

Это не значит, что они не подошли близко. Когда в 2005 году Intel перешла с 90-нм процесса на 65-нм, произошло нечто очень необычное. «Изначально 65-нм техпроцесс не имел никакого преимущества в производительности перед 90-нм», — признал Майз.

Несмотря на удвоение количества транзисторов в процессоре, прироста производительности не произошло, поскольку транзисторы теряли слишком много энергии.

Современные транзисторы, по сути, представляют собой простой переключатель, в котором ток течет между истоком и стоком, когда электрод затвора в середине достигает определенного напряжения. В 2005 году диэлектрики затвора – изоляция в нижней части затвора – были изготовлены из диксоида кремния (SiO2).

Поскольку с годами транзисторы уменьшились в размерах, уменьшился и тонкий слой диоксида кремния на затворе до такой степени, что его толщина составила всего несколько атомных слоев. Материал был настолько тонким, что ток начал просачиваться через изоляцию к электроду затвора, подобно капающему крану. А когда вы имеете дело с сотнями миллионов негерметичных подключений к одному процессору, это становится огромной проблемой.

Intel знала, что у нее есть проблема, задолго до того, как в 2005 году выпустила проблемные 65-нм процессоры. Двумя годами ранее компания объявила о своем решении проблемы протекающего затвора: металлическом затворе high-k. В результате диоксид кремния будет заменен материалом с высоким содержанием k, называемым гафнием.

Материалы с высоким содержанием k, такие как диоксид гафния, диоксид циркония и диоксид титана, могут удерживать гораздо больший заряд, чем диоксид кремния, точно так же губка может удерживать больше воды, чем дерево.

Проблема решена? Не совсем. Гафний плохо сочетается с поликремниевым материалом, который использовался для электрода затвора, что вынудило Intel также представить новый тип металлического электрода.

Исследователям Intel с чрезвычайно богатыми ресурсами потребовалось пять лет, чтобы найти идеальное сочетание материала high-k и металлических электродов для своих транзисторов, и еще четыре года разработки, прежде чем они были готовы к представлению первых 45-нм процессоров в 2007 году.

Тем не менее, по словам Майза, ожидание того стоило. «Сегодня в микропроцессорах 20–30% мощности тратится впустую», — сказал он. Без транзисторов с металлическим затвором high-k «это составило бы от 40 до 50% на 45-нм чипе».

Например, когда вы пытаетесь снизить энергопотребление процессора смартфона на доли ватта, эти 20–30% сэкономленной энергии имеют огромное значение.

Темный кремний

Хотя производители, возможно, и решили проблему негерметичных транзисторов, теперь они столкнулись с другой проблемой: их слишком много в процессорах следующего поколения. Поскольку Intel и другие компании планируют перейти на 22-нм техпроцесс к 2011 году, количество транзисторов в каждом процессоре растет экспоненциально; Например, тестовый 22-нм чип Intel содержит 2,3 миллиарда транзисторов.

«Физически чипы не становятся меньше, люди просто вставляют больше транзисторов», — сказал технический директор ARM Майк Миллер. ПК Про. «До сих пор транзисторы меньшего размера фактически включались и выключались быстрее. И количество энергии, необходимое для переключения транзистора, также снизилось. У вас было больше (транзисторов), они работали быстрее и потребляли меньше энергии.

«Начало происходить то, что сокращение будет продолжаться, но скорость транзистора не будет расти так быстро, как раньше. Самое главное, что они перестали затрачивать меньше энергии на переключение», — добавил Миллер.

В серверах или смартфонах, где процессору предоставляется определенная мощность, дальнейшее сокращение может привести к тому, что Миллер называет «темным кремнием», когда у чипа не будет достаточной мощности, чтобы использовать преимущества всех этих транзисторов.

Используя бюджет мощности 45-нм чипа, если процессор останется того же размера, только четверть кремния можно использовать при 22 нм, и только десятая часть можно использовать при 11 нм.

Философия ПК, заключающаяся в объединении всего в центральном процессоре (вместо создания выделенных процессоров для конкретных задач, как это делает ARM со смартфонами), делает ПК особенно восприимчивыми к проблеме темного кремния.

Нам придется найти более умные способы использования транзисторов, которые не предполагают их постоянное включение и выключение.

«Архитектура ПК извлекла весь интеллект из периферийных устройств и запустила его в процессоре», — заявил он. «Что-то вроде контроллера Ethernet было упрощено. Для архитектуры с низким энергопотреблением это неправильный подход. Это приводит к тому, что у вас есть один большой и горячий процессор».

Так в чем же решение? Миллер признает, что у ARM пока нет ответа. «Нам придется найти более умные способы использования транзисторов, которые не предполагают их постоянное включение и выключение», — сказал он. «Мы ищем более разумные способы создания процессора, чтобы вы не использовали все транзисторы постоянно».

Часть исследований ARM включает разработку процессоров, мощность которых ниже оптимальной. «При понижении напряжения процессор начинает работать слишком медленно и совершать ошибки. Мы изучаем технологию обнаружения и устранения ошибок, чтобы вы могли приблизиться к краю», — сказал он.

Тем не менее, даже если у ARM сейчас нет ответов на все вопросы, Миллер уверен, что к моменту появления 22-нм процессоров это не станет остановкой. «Для нас это эволюция, а не край обрыва», — сказал он. «Творчество сияет, когда вы даете людям возможность».

Увидев свет

Даже если исследователи найдут способ обеспечить питанием миллиарды транзисторов процессоров завтрашнего дня, нет никакой гарантии, что они смогут их изготовить.

Сегодняшние чипы «печатаются» с использованием процесса, называемого литографией в глубоком ультрафиолете (DUV), но мы приближаемся к пределам этой технологии. Почти дошло до того, что физически невозможно печатать линии тоньше с помощью DUV: дифракция означает, что линии становятся размытыми и нечеткими по мере того, как производственные процессы становятся меньше, что потенциально может привести к выходу из строя транзисторов.

DUV должно хватить для 22-нм чипов, производство которых запланировано на 2011 год, но к тому времени, когда в производство пойдут 16-нм чипы 2013 года, потребуется альтернатива.

Эта альтернатива называется литографией в крайнем ультрафиолете (EUV), в которой используется серия точно расположенных многослойных зеркал для получения значительно улучшенного разрешения. Intel и другие компании уже давно работают над этим.

В 1997 году основатель Intel Гордон Мур и члены администрации Клинтона объявили о частно-государственном партнерстве стоимостью 250 миллионов долларов для разработки EUV с такими партнерами, как Motorola и AMD.

У нас заканчиваются хитрости в том, что мы можем сделать с помощью оптической литографии, и нам нужно перейти к какой-то другой технике.

«Последние 40 лет мы создавали эти узоры оптически», — сказал тогда Мур. «Мы использовали оптические системы того или иного типа, чтобы проецировать изображение желаемого рисунка на пластину. Проблема в том, что вы не можете создавать изображения намного меньше длины волны света, который вы используете для создания изображения… У нас заканчиваются трюки с оптической литографией, и нам нужно перейти к некоторым другая техника, использующая гораздо более короткие длины волн…»

Тринадцать лет спустя, а Intel и другие компании все еще ждут, пока EUV сможет производить процессоры завтрашнего дня. Одна только компания Intel потратила сотни миллионов долларов на разработку машин EUV – «своего рода дорогая камера», как их назвал коллега из Intel Хосе Майс – и тем не менее, до сих пор нет никакой гарантии, что они смогут обеспечить требуемую точность.

«Чтобы производить этот материал, необходимо иметь контроль на субнанометровом уровне», — сказал Майз. «Задача состоит не в том, чтобы создать один (процессор), а в том, чтобы создать миллионы и миллионы таких процессоров, и чтобы все они работали».

Технический директор ARM согласен, что EUV еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем машины смогут быть внедрены на производственные предприятия. «Наша исследовательская группа недавно выпустила первые 22-нм процессоры», — сказал Миллер. «Сейчас строятся заводы – в течение следующих нескольких лет будет выжато больше жизни (из существующей технологии DUV).

«(EUV) — это еще не решенное дело. Несомненно, будут сюрпризы».

Постоянно уменьшающиеся круги

Так насколько же еще они смогут сократить процесс производства процессоров? Общедоступные планы Intel в 2013 году простираются лишь до 16 нм, хотя можно с уверенностью сказать, что Intel, которая выпускает новую архитектуру каждые два года, по крайней мере, достигнет 11 нм к 2015 году.

Технический директор ARM более консервативен, утверждая, что к 2020 году мы достигнем 13-нм технологии. «Что еще? Это выходит за рамки мира завтрашнего дня», — сказал Миллер, когда его попросили высказать свое мнение о том, смогут ли процессоры когда-либо достичь субнанометрового уровня.

Даже если такие бесконечно малые производственные процессы кажутся невообразимыми, это именно та задача, над решением которой инженеры преуспевают. «Не следует признавать, что что-то невозможно только потому, что вы не знаете, как это сделать», — сказал Майз. Эти парни буквально не знают, когда остановиться.