Vara lui 2018 s-a terminat cu un anunț foarte important de la compania GlobalFoundries. Cel că renunță la eforturile de-a mai dezvolta procesul de producție de 7 nanometri. Este un anunț cu ramificații foarte mari, cel puțin pentru AMD. Din câte am sesizat, anunțul a mai iscat și ceva confuzie despre ce exact este un proces de producție și ce exact înseamnă asta. Sper că voi reuși să lămuresc orice curios prin acest articol.
Ce este un proces sau un nod de producție?
Simplu spus, este operațiunea de litografie prin care o plachetă de siliciu (o bucată rotundă și subțire de cristal de siliciu) este transformată în procesoare individuale și cam orice alt tip de micro-electronică. Litografia nu este făcută într-o singură etapă, ci pe parcursul mai multor faze în care trăsăturile necesare sunt imprimate pe plachetă folosind un șablon. Metodele prin care șablonul este imprimat sunt mai multe la număr, cel mai nou dintre ele fiind litografia cu raze ultra-violete extreme. Acestea permit o precizie mult mai mare la dimensiuni mult mai mici ale rezultatului final. Apoi placheta trece prin diverse tratamente chimice pentru ca elementele imprimate să devină circuite, fie prin dizolvarea unui strat subțire protector de la suprafața, fie prin adăugarea de diverse metale care vor compune circuitele efective.
Rezultatul este un circuit integrat foarte, foarte mic. În cazul procesoarelor noastre dragi, componenta de bază este tranzistorul. În funcție de cât de fin este procesul de producție, pot fi îngrămădite câteva milioane sau câteva miliarde la un loc. În general, cu cât mai multe, cu atât mai bine, atât timp cât toți tranzistorii au fost imprimați corect, la rezoluția lor optimă, și nu ca niște guguloie de abia înțelegi ce ar trebui să fie. Tranzistorul are o sarcină foarte simplă, fie lasă curent să treacă de la o componentă a sa la alta, fie nu o face, în funcție de curentul de intensitate mică primit de componenta din mijloc. Rezultatul este fie 1, fie 0. În funcție de unde pe plachetă era acel tranzistor, ar putea avea o acuratețe/rezoluție mai bună sau mai proastă, în comparație cu șablonul. În general, procesoarele imprimate în centrul plachetei de siliciu sunt exact ce ar trebui să fie, și ating mereu performanța maximă posibilă, în timp ce spre margini se mai pierd din detalii, ducând la tranzistori de slabă calitate sau chiar nefuncționali. Aceștia sunt ocazional chiar dezactivați, pentru a produce procesoare de diferite tipuri. Dacă un i9 ar fi luat fix din centru, un i3 e de la margine. Bine, poate exemplul nu e tocmai bun, din moment ce i3-ul are trăsături diferite față de un i9, așa că am impresia că nu sunt produse la un loc, dar asta este ideea generală a modului în care sunt create procesoarele.
Probabil în acest moment vă gândiți ca acel „nanometru” de care tot zicem când ne referim la procesele de producție se referă la dimensiunea exactă a unui tranzistor. Ar avea sens, ar fi destul de direct, sau poate măcar dimensiunea „porții” care separă cele două contacte. Și asta ar avea sens. Dar industria asta nu prea funcționează pe lucruri care au sens, ci pe marketing. Ocazional, veți găsi că măsurătura de „nanometri” este jumătate din distanța a două trăsături identice de pe un procesor, cum ar fi jumătate din distanța posibilă între doi tranzistori… dar cel mai des este pur marketing.
Ce înseamnă numerele?
Mai nimic. Când pui un proces de 14 nanometri de la TSMC lângă unul de 28 nm de la oricine altcineva, vei ajunge la concluzia că acel 14 nu o jumătate din acel 28. Ar putea fi orice, de la un sfert, la trei sferturi, la identic. În contextul aceluiași producător are ceva mai mult sens, te poți aștepta ca un proces de 7 nanometri să fie observabil mai mic decât cel de 14 nanometri… chiar dacă nu tocmai la jumate.
Ce avem acum se aseamănă oarecum cu ce avea AMD la procesoarele sale în era Athlon-urilor ancestrale. Cele care funcționau al 1.8GHz, dar pentru că aveau performanță similară cu un Pentium 4 de 3GHz, erau vândute ca 3000+. Procesorul în sine nu putea să atingă o astfel de frecvență, era doar de marketing. Cam așa este și situația proceselor pe care le avem acum. 7nm, 10nm, 14nm, și tot așa nu descriu nici o trăsătură de pe un procesor. Mai jos aveți un tabel e pe Wikipedia care rată mărimea reală a trăsăturilor de pe procesul de 10 nanometri folosit ed mai multe companii. Puteți observa clar că nu e nimic de 10nm acolo.
Nu numai asta, dar deși au toate același nume, fiecare are dimensiuni foarte diferite pentru aceleași trăsături, și nici măcar în sensul că unul este clar mai bun la toate trăsăturile… deși Intel arată foarte bine comparabil cu celelalte. Dacă vreți detalii ceva mai multe despre și mai multe trăsături, le puteți găsi pe Wikichip, sau în tabelul de mai jos, unde sunt comparate cu procesele anterioare de 14/16nm de la același producător. Îmbunătățiri clare pot fi văzute.
Dacă sunteți curioși, puteți compara cu tabelul de mai jos cu dimensiunile propuse pentru diversele de 7 nanometri. Știu că GlobalFoundries încă mai este acolo, nu trebuie băgat în seamă, dar aveți măcar o idee care era planul.
De ce contează?
Anul acesta deja vom vedea pe piață primele procesoare construite pe 7 nanometri, în noile modele de iPhone, a căror procesoare A12 Bionic sunt construite la TSMC. În general, cam la fiecare doi ani aveam parte de o nouă scădere a procesului de producție, mergând pe observația transformată colocvial în lege a lui Gordon Moore. A fost însă un mic hop în ultima vreme care a dus la încetinirea sa. „Micul” hop vine de la Intel, care până acum era în fruntea turmei. Acum, nu mai este. Restul lumii l-a prins din urmă, chiar dacă asta a însemnat că am rămas pe procesul de 14 nanometri mai mult timp decât credeam că îl vom avea pe piață. Broadwell a fost prima generație Intel făcută pe 14nm, în 2014. Patru ani mai târziu, Intel încă mai este pe 14nm.
Ritmul dezvoltării de procese mai fine de 7 nanometri nu va fi mai sprinten, din moment ce sunt probleme de fizică mai ciudate pe măsură ce dimensiunile scad. Electronii… să zicem că devin dezorientați și uită că n-ar trebui să treacă prin obiecte solide, chiar dacă sunt foarte subțiri. Ce e drept, tehnologia cam tot încetinește de ceva vreme. Am atins pragul de 3GHz pentru frecvența unui procesor cu 16 ani în urmă, și abia de anul acesta au început să se ivească modele capabile de 5GHz din cutie. Deși în acest caz, acea frecvență de 3GHz era atinsă de un Pentium 4, care era destul de incompetent la instrucțiuni efective per Hertz. Ar fi funcționat de minune pe la 5-6GHz, dar limitările tehnologiei de atunci și a materialelor nu au permis așa ceva. Așa că Intel a trebuit să creeze o arhitectură mai eficientă ca Netburst, care poate să facă mai multe cu mai puțin.
Frecvența și dimensiunea sunt strâns legate între ele. Cu cât un tranzistor este mai mic, cu atât are nevoie de mai puțină energie pentru funcționa, și dacă este bine izolat există pierderi din ce în ce mai puține. În consecință, nu este nevoie de la fel de mult curent pentru a putea atinge aceeași frecvență, materialele fiind supuse unui stres mai mic și generând mai puțină căldură. Așa că procesorul poate atinge o frecvență mai mare. Nu numai asta, dar din moment ce totul este împachetat mai strâns la un loc, distanțele pe care semnalul trebuie să le parcurgă sunt mai mici. Probabil vi se pare cam ridicol acest punct, din moment ce curentul electric ar trebui să ajungă cam instantaneu dintr-un punct în altul al unui procesor de 300mm pătrați, dar în acel procesor sunt îngrămădite cam 2km de fire de semnal. Fire foarte, foarte subțiri. Iar la un procesor, unde măsurăm latențe neplăcute pentru performanță în zeci de nanosecunde, puteți fi siguri că orice nanosecundă căpătată prin micșorarea procesului de producție este binevenită.
Ce urmează?
Intel va scoate un produs pe 10 nanometri cândva pe parcursul următoarelor luni, până atunci TSMC și Samsung vor avea deja disponibile propriile procese de 7nm care ar putea fi mai bune, sau cam la același nivel cu cel de 10nm. Tranziția către 5 nanometri probabil va fi dificilă, așa că probabil vom rămâne la 7nm pentru o vreme, cu diverse rafinamente. Unul important va fi folosirea litografiei cu raze ultra-violete extreme, care va ajuta nespus de mult la crearea de trăsături foarte clare pe procesoare, și ca urmare foarte eficiente.
Și dacă nu ați avut răbdare să citiți toată asta, de ați sărit direct la final. Nu există procesoare de 7 nanometri, există doar procese prin care acele procesoare sunt produse. Ziua în care vom avea procesoare de 7 nanometri probabil nu va veni vreodată, pentru că de la acel nivel electronii o iau razna și nu prea ai suficienți atomi să faci toate componentele.
