Trong thế giới chip máy tính, số lớn hơn thường tốt hơn. Nhiều lõi hơn, GHz cao hơn, FLOP lớn hơn, tất cả đều được các kỹ sư cũng như người dùng mong muốn. Nhưng có một thước đo về chất bán dẫn đang được ưa chuộng hiện nay, và càng nhỏ càng tốt. Tham gia sản xuất chất bán dẫn và nút công nghệ (còn gọi là nút quy trình).
Nhưng chính xác nó là gì, và tại sao nó lại quan trọng như vậy? Tại sao nó được đo bằng nanomet, và tại sao chúng tôi đi khắp Sesame Street và mang bài viết này đến cho bạn với các số 10, 7 và 5?
Hãy bắt đầu cuộc hành trình vào thế giới của các nút quy trình…
Nhưng trước khi chúng tôi đi sâu vào mọi thứ, bạn sẽ hiểu rõ hơn về mọi thứ nếu bạn xem qua loạt kiến trúc CPU của chúng tôi. Trong phần một, chúng tôi đề cập đến các nguyên tắc cơ bản về cách thức hoạt động của bộ xử lý và trong phần hai, chúng tôi xem xét cách các kỹ sư lập kế hoạch và thiết kế chip.
Phần quan trọng liên quan đến bài viết này là giải thích cách các chip máy tính được kết hợp với nhau về mặt vật lý. Bạn sẽ muốn đọc kỹ phần về quang khắc nếu bạn muốn hiểu sâu hơn về quy trình sản xuất, đồng thời trong tính năng này, chúng tôi sẽ tập trung nhiều hơn vào điểm đã được đề cập ngắn gọn này:
Một trong những thuật ngữ tiếp thị lớn nhất liên quan đến chế tạo chip là kích thước tính năng.
Trong ngành công nghiệp chip, kích thước tính năng liên quan đến một thứ gọi là nút quy trình . Như chúng tôi đã đề cập trong Cách thiết kế CPU, Phần 3, đây là một thuật ngữ khá lỏng lẻo, vì các nhà sản xuất khác nhau sử dụng cụm từ này để mô tả các khía cạnh khác nhau của chính con chip, nhưng cách đây không lâu, thuật ngữ này đã đề cập đến khoảng cách có kích thước nhỏ nhất giữa hai phần của chip. một bóng bán dẫn.
Ngày nay, nó là một thuật ngữ tiếp thị nhiều hơn và không hữu ích lắm để so sánh các phương pháp sản xuất. Điều đó nói rằng, bóng bán dẫn là một tính năng quan trọng của bất kỳ bộ xử lý nào, vì các nhóm trong số chúng thực hiện tất cả quá trình xử lý số và lưu trữ dữ liệu được thực hiện bên trong chip và một nút xử lý nhỏ hơn từ cùng một nhà sản xuất là điều rất được mong đợi. Câu hỏi rõ ràng để hỏi ở đây là tại sao?
Không có gì trong thế giới bộ xử lý xảy ra ngay lập tức và cũng không có gì diễn ra mà không cần nguồn năng lượng điện. Các thành phần lớn hơn mất nhiều thời gian hơn để thay đổi trạng thái của chúng, tín hiệu mất nhiều thời gian hơn để truyền đi và cần nhiều năng lượng hơn để truyền điện xung quanh bộ xử lý. Không cố tỏ ra khó hiểu, các thành phần lớn hơn cũng chiếm nhiều không gian vật lý hơn, vì vậy bản thân chip cũng lớn hơn.
Trong hình trên, chúng ta đang xem xét ba CPU Intel cũ. Bắt đầu từ bên trái, chúng ta có một chiếc Celeron 2006, một chiếc Pentium M 2004 và một chiếc Pentium thực sự cũ từ năm 1995. Chúng có nút xử lý lần lượt là 65, 90 và 350 nm. Nói cách khác, các bộ phận quan trọng trong thiết kế 24 tuổi lớn hơn 5 lần so với thiết kế 13 tuổi. Một điểm khác biệt quan trọng nữa là con chip mới hơn có khoảng 290 triệu bóng bán dẫn được đóng gói bên trong, trong khi Pentium ban đầu chỉ có hơn 3 triệu; gần như ít hơn hàng trăm lần.
Mặc dù việc giảm nút quy trình chỉ là một phần lý do khiến thiết kế gần đây nhỏ hơn về mặt vật lý và có nhiều bóng bán dẫn hơn, nhưng nó đóng một vai trò quan trọng trong việc Intel có thể cung cấp điều này.
Nhưng đây mới là vấn đề thực sự: Celeron chỉ tạo ra khoảng 30 W nhiệt, so với 12 W của Pentium. Nhiệt này xuất phát từ thực tế là khi điện được đẩy xung quanh các mạch trong chip, năng lượng bị mất đi do các quá trình khác nhau và phần lớn nó được giải phóng dưới dạng nhiệt. Vâng, 30 là một con số lớn hơn 12, nhưng đừng quên rằng con chip này có lượng bóng bán dẫn nhiều hơn gần 100 lần.
Vì vậy, nếu lợi ích của việc có một nút quy trình nhỏ hơn dẫn đến các con chip nhỏ hơn, mời chào nhiều bóng bán dẫn hơn có thể chuyển đổi nhanh hơn – mang lại cho chúng ta nhiều phép tính hơn trong mỗi giây – và ít năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt hơn, thì điều đó lại đặt ra một câu hỏi khác: tại sao không phải là mọi con chip trên thế giới bằng cách sử dụng nút quy trình nhỏ nhất có thể ?
Tại thời điểm này, chúng ta cần xem xét một quá trình gọi là quang khắc : ánh sáng được truyền qua một thứ gọi là mặt nạ quang , ngăn chặn ánh sáng ở một số khu vực và cho ánh sáng đi qua những khu vực khác. Khi nó đi qua, ánh sáng sau đó được tập trung mạnh vào một điểm nhỏ và sau đó nó phản ứng với một lớp đặc biệt được sử dụng trong quá trình sản xuất chip, giúp xác định vị trí của các bộ phận khác nhau.
Hãy tưởng tượng nó giống như ảnh chụp X-quang bàn tay của bạn: xương chặn các tia sáng, hoạt động như một mặt nạ quang, trong khi thịt cho phép nó xuyên qua, tạo ra hình ảnh về cấu trúc bên trong của bàn tay.
Hình ảnh: Peellden, Wikimedia Commons
Ánh sáng không thực sự được sử dụng – ngay cả đối với những con chip như Pentium cũ, nó vẫn quá lớn. Bạn có thể thắc mắc làm thế nào mà ánh sáng trên Trái đất có thể có kích thước bất kỳ, nhưng nó liên quan đến bước sóng . Ánh sáng là một thứ gọi là sóng điện từ , một hỗn hợp điện trường và từ trường có chu kỳ liên tục.
Mặc dù chúng ta sử dụng sóng hình sin cổ điển để hình dung hình dạng, nhưng sóng điện từ không thực sự có hình dạng. Đúng hơn là hiệu ứng mà chúng tạo ra khi chúng tương tác với thứ gì đó tuân theo khuôn mẫu đó. Bước sóng của mô hình tuần hoàn này là khoảng cách vật lý giữa hai điểm giống hệt nhau: hình ảnh sóng biển lăn tăn trên bãi biển, bước sóng là đỉnh của những con sóng đó cách nhau bao xa. Sóng điện từ có một phạm vi rất lớn trong các bước sóng có thể có, vì vậy chúng tôi đặt chúng lại với nhau và gọi nó là quang phổ .
Trong hình ảnh bên dưới, chúng ta có thể thấy rằng cái mà chúng ta gọi là ánh sáng chỉ là một phần nhỏ của quang phổ này. Có những cái tên quen thuộc khác: sóng vô tuyến, vi sóng, tia X, v.v.
Chúng ta cũng có thể thấy một số con số cho các bước sóng; ánh sáng ở đâu đó có kích thước khoảng 10 -7 mét hoặc khoảng 0,000004 inch!
Các nhà khoa học và kỹ sư thích sử dụng một phương pháp hơi khác để mô tả độ dài nhỏ và đó là nanomet hoặc viết tắt là “nm”. Nếu chúng ta nhìn vào phần mở rộng của quang phổ, chúng ta có thể thấy rằng ánh sáng thực sự nằm trong khoảng từ 380 nm đến 750 nm.
Hình ảnh: Philip Ronan, Gringer
Quay lại bài viết này một chút và đọc lại phần nói về chip Celeron cũ – nó được sản xuất trên nút quy trình 65 nm. Vậy làm thế nào các bộ phận nhỏ hơn ánh sáng có thể được tạo ra? Đơn giản: quá trình quang khắc không sử dụng ánh sáng, nó sử dụng tia cực tím (hay còn gọi là tia cực tím).
Trong biểu đồ quang phổ, UV bắt đầu ở khoảng 380 nm (nơi ánh sáng kết thúc) và co lại hoàn toàn xuống còn khoảng 10 nm. Các nhà sản xuất như Intel, TSMC và GlobalFoundries sử dụng một loại sóng điện từ có tên là EUV (UV cực đoan ), có kích thước khoảng 190 nm. Làn sóng nhỏ bé này không chỉ có nghĩa là bản thân các thành phần có thể được tạo ra nhỏ hơn mà chất lượng tổng thể của chúng có thể tốt hơn. Điều này cho phép các bộ phận khác nhau được sắp xếp gần nhau hơn, giúp thu nhỏ kích thước tổng thể của chip.
Các công ty khác nhau cung cấp các tên khác nhau cho quy mô của nút quy trình mà họ sử dụng. Intel nhanh chóng gọi một trong những cái mới nhất của họ là P1274 hoặc “10 nm” cho công chúng, trong khi TSMC chỉ đơn giản gọi cái của họ là “10FF”. Các nhà thiết kế bộ xử lý như AMD tạo bố cục và cấu trúc cho các nút quy trình nhỏ hơn, sau đó dựa vào các công ty như TSMC để sản xuất chúng.
TSMC đã làm việc chăm chỉ trên các nút nhỏ hơn (7nm, 5nm và sắp tới là 3nm) và sản xuất chip cho các khách hàng lớn nhất của mình, bao gồm Apple, MediaTek, Qualcomm, Nvidia và AMD. Ở quy mô sản xuất này, một số tính năng nhỏ nhất chỉ có bề ngang 6 nm (tuy nhiên, phần lớn lớn hơn thế này nhiều). Để hiểu được 6 nm thực sự nhỏ như thế nào, các nguyên tử silicon tạo nên phần lớn bộ xử lý được đặt cách nhau khoảng 0,5 nm, với bản thân các nguyên tử có đường kính rất gần 0,1 nm. Vì vậy, giống như một con số trong sân bóng, các nhà máy của TSMC xử lý các khía cạnh của một bóng bán dẫn có chiều rộng chưa đến 10 nguyên tử silicon.
Bỏ qua một thực tế đáng kinh ngạc là các nhà sản xuất chip đang hướng tới các tính năng chỉ là một số ít nguyên tử, quang khắc EUV đã làm nảy sinh một loạt các vấn đề nghiêm trọng về kỹ thuật và sản xuất.
Đáng chú ý là Intel đã phải vật lộn để đưa quy trình sản xuất 10 nm của mình lên ngang bằng với quy trình 14 nm của họ và GlobalFoundries gặp vấn đề trong việc khiến các hệ thống sản xuất 7 nm và nhỏ hơn của chính họ hoạt động. Mặc dù các vấn đề của Intel và GF có thể không phải do những khó khăn vốn có của quang khắc EUV, nhưng chúng không thể hoàn toàn không liên quan.
Bước sóng của sóng điện từ càng ngắn thì càng mang nhiều năng lượng, dẫn đến khả năng gây hư hại cho chip được sản xuất càng lớn; chế tạo quy mô rất nhỏ cũng rất nhạy cảm với sự nhiễm bẩn và khuyết tật trong vật liệu được sử dụng. Các vấn đề khác, chẳng hạn như giới hạn nhiễu xạ và nhiễu thống kê (sự thay đổi tự nhiên trong đó năng lượng được truyền bởi sóng EUV được gửi vào lớp chip), cũng ảnh hưởng đến mục tiêu đạt được chip hoàn hảo 100%.
Hai lỗi sản xuất trong một con chip. Hình ảnh: Công nghệ trạng thái rắn
Ngoài ra còn có một vấn đề là trong thế giới nguyên tử kỳ lạ, dòng điện và sự truyền năng lượng không còn có thể được coi là tuân theo các hệ thống và quy tắc cổ điển. Giữ điện, ở dạng các electron chuyển động (một trong ba hạt tạo nên nguyên tử), chảy xuống các dây dẫn cách đều nhau tương đối dễ dàng ở quy mô chúng ta quen thuộc – chỉ cần bọc các dây dẫn bằng một lớp cách điện dày.
Ở cấp độ mà Intel và TSMC đang làm việc, điều này trở nên khó đạt được hơn nhiều vì lớp cách nhiệt không thực sự đủ dày. Tuy nhiên, hiện tại, các vấn đề sản xuất gần như hoàn toàn liên quan đến các vấn đề vốn có của quang khắc EUV, vì vậy sẽ còn vài năm nữa trước khi chúng ta có thể bắt đầu tranh luận trên các diễn đàn rằng Nvidia xử lý hành vi lượng tử tốt hơn AMD hoặc những điều vô nghĩa tương tự khác!
Điều này là do vấn đề thực sự, lý do cuối cùng đằng sau những khó khăn trong sản xuất, là Intel, TSMC và tất cả những người bạn thân chế tạo của họ đều là doanh nghiệp và họ đang nhắm đến các nguyên tử với mục đích duy nhất là tạo ra doanh thu trong tương lai. Trong một bài báo nghiên cứu của Mentor, phần tổng quan sau đây đã được cung cấp về chi phí nhiều tấm wafer hơn cho các nút quy trình nhỏ hơn…
Ví dụ: nếu chúng tôi cho rằng nút quy trình 28 nm giống với nút mà Intel đã sử dụng để sản xuất dòng CPU Haswell của họ (chẳng hạn như Core i7-4790K), thì hệ thống 10 nm của họ có giá gần gấp đôi cho mỗi tấm wafer. Số lượng chip mà mỗi tấm wafer có thể sản xuất phụ thuộc nhiều vào kích thước của mỗi chip, nhưng với quy mô quy trình nhỏ hơn sẽ có nghĩa là một tấm wafer có khả năng mang lại nhiều chip hơn để bán, giúp bù đắp chi phí gia tăng. Tuy nhiên, cuối cùng, càng nhiều chi phí này càng tốt sẽ được đẩy xuống người tiêu dùng bằng cách tăng giá bán lẻ sản phẩm nhưng điều này phải được cân bằng với nhu cầu của ngành.
Sự gia tăng doanh số bán điện thoại thông minh trong những năm qua, cùng với sự tăng trưởng gần như theo cấp số nhân của công nghệ thông minh trong gia đình và ô tô, có nghĩa là các nhà sản xuất chip đã buộc phải hấp thụ tác động tài chính từ việc chuyển sang các nút quy trình nhỏ hơn cho đến khi toàn bộ hệ thống đủ trưởng thành. để tạo ra các tấm wafer có năng suất cao (tức là những tấm có ít khuyết tật nhất có thể) với số lượng lớn. Cho rằng chúng ta đang nói về hàng tỷ đô la ở đây, đó là một công việc kinh doanh rủi ro và là một phần lý do tại sao GlobalFoundries đã thoát khỏi cuộc đua nút quy trình.
Nếu tất cả điều này nghe có vẻ hơi ảm đạm, thì chúng ta không nên quên rằng tương lai trước mắt có vẻ tích cực. Hiện tại, Samsung và TSMC đã vận hành các dây chuyền sản xuất 7 nm của họ để đạt được lợi nhuận tốt, xét về số lượng và doanh thu, đồng thời các nhà thiết kế chip cũng đang lên kế hoạch trước bằng cách sử dụng nhiều nút trong sản phẩm của họ.
Chiến lược và thiết kế chiplet của AMD ra mắt với CPU Ryzen thế hệ thứ 3 của họ đang được các nhà sản xuất chip khác sao chép. Trong trường hợp này, bộ xử lý máy tính để bàn của AMD đã sử dụng hai chip được sản xuất trên nút 7 nm của TSMC và một chip 14 nm do GlobalFoundries sản xuất. Cái trước là bộ phận xử lý thực tế, trong khi cái sau xử lý bộ nhớ DDR4 và thiết bị PCI Express được gắn vào CPU.
Biểu đồ trên cho thấy các thay đổi về nút quy trình của Intel trong 50 năm qua. Trục dọc hiển thị kích thước nút theo hệ số 10, bắt đầu từ 10 000 nm. Gã khổng lồ chip đã tuân theo chu kỳ bán rã thô của nút (thời gian cần thiết để giảm một nửa kích thước nút mỗi lần) là 4,5 năm.
Vậy điều đó có nghĩa là chúng ta sẽ thấy một Intel 5nm vào năm 2025? Có lẽ là có, bất chấp vấp ngã với 10 nm, họ đang nỗ lực trên con đường trở lại. Samsung và TSMC đã và đang dẫn đầu với quá trình sản xuất 5 nm và hơn thế nữa, vì vậy tương lai có vẻ tốt cho các loại bộ xử lý.
Chúng sẽ nhỏ hơn và nhanh hơn, sử dụng ít năng lượng hơn và mang lại hiệu suất cao hơn. Chúng sẽ dẫn đường cho ô tô tự lái hoàn toàn, đồng hồ thông minh với sức mạnh và thời lượng pin của điện thoại thông minh hiện tại và đồ họa trong trò chơi vượt xa mọi thứ được thấy trong các bộ phim trị giá hàng triệu đô la từ mười năm trước. Tương lai thực sự tươi sáng, bởi vì tương lai là nhỏ .
Lưu ý: Tính năng này ban đầu được xuất bản vào tháng 6 năm 2019. Chúng tôi đã sửa đổi và bổ sung tính năng này vì tính năng này vẫn phù hợp với ngày hôm nay cũng như trước đây. Một phần của sáng kiến #ThrowbackThursday của chúng tôi.