Евгений Васильев
Руки у меня золотые, да вот только растут они не из того места

История одного обмана: почему размер техпроцесса сейчас почти ничего не значит

© Engineering IT Tallaght
© Engineering IT Tallaght

Важной характеристикой полупроводниковой продукции является технологический процесс, по которому она произведена. Кремниевые чипы делают методом фотолитографии, используя для этого специальное оборудование. Его ключевым параметром является разрешающая способность, от которой зависит размер элементов (транзисторов), вытравливаемых на кремниевой пластине.

Чем тоньше техпроцесс — тем меньше будут транзисторы, а следовательно, для их питания требуются меньшие токи и напряжения. От этого напрямую зависит общее энергопотребление чипа, его нагрев и срок службы. Поэтому сравнивая техпроцесс, по которому произведены рассматриваемые CPU или GPU, можно определить, какой из них энергоэффективнее. Точнее, можно было раньше, но сейчас дело обстоит несколько иначе.

© Wikipedia
© Wikipedia

Из вполне объективного параметра, который был универсальным и мог использоваться при сравнении чипов разных производителей, техпроцесс сегодня превратился в некую маркетинговую величину, указывающую на что угодно, но не на фактический размер транзисторов в составе процессора.

История техпроцессов

В 70-х, когда только начали свой путь процессоры семейства x86, величина техпроцесса привязывалась к разрешающей способности оборудования и длине затвора транзистора. Связь этих цифр вполне логична: если вы берете сверло на 8 мм, то естественно, что и проделанное им отверстие будет иметь диаметр около 8 мм. Можно сделать и больше, если рассверливать отверстие, но меньше – не получится. С фотолитографией дела обстояли точно так же: если оборудование имеет разрешение 3 мкм, то и затвор транзистора меньше 3 мкм сделать невозможно.

Intel 8008 (1971 год, 10 мкм) - отдельные транзисторы видны под микроскопом © Ken Shirriff's blog
Intel 8008 (1971 год, 10 мкм) - отдельные транзисторы видны под микроскопом © Ken Shirriff's blog

Начав с 10 мкм в начале 70-х, производители процессоров освоили к 1979 году нормы 3 мкм, к 1982 — 1,5 мкм, а в начале 90-х научились использовать 0, 8мкм (800 нм). В 90-х чипы производились на оборудовании с разрешением 0,35 мкм (350 нм), 0,25 мкм, 0,18 мкм. В 21 век компьютерная индустрия вступила с техпроцессом 130 нм (0,13 мкм), взятым на вооружение в 2000 году. Вот тогда-то и были созданы предпосылки к нынешнему положению дел.

По техпроцессу 130 нм в начале 2000-х производились многочисленные центральные процессоры Intel, AMD, а также графические процессоры для видеокарт. Это последний техпроцесс, произведенные по которому чипы разных фирм можно было сравнивать с предшественниками и между собой, чтобы оценить энергоэффективность.

После того, как был освоен техпроцесс 130 нм, производители столкнулись с первыми серьезными трудностями, требующими существенного пересмотра технологии обработки кремниевых пластин. При введении норм 90 нм на смену алюминию в составе транзисторов пришла медь, для изоляции функциональных элементов стали использовать новые диэлектрики, имеющие меньшую электропроницаемость.

С нормами 90 нм цифры, обозначающие техпроцесс, окончательно перестали строго соответствовать размерам транзистора и разрешению оборудования. Они стали условными и выводились из предыдущего поколения. Так, техпроцесс 65 нм означал уже не разрешение оборудования, а указывал, что в сравнении с прошлым поколением площадь транзистора уменьшилась вдвое, а его линейные размеры (ширина и длина, длина затвора), следовательно, примерно в 1,4 раза (квадратный корень из 2 приблизительно равен 1,41). То есть, цифра указывала, что переход на новые нормы эквивалентен улучшению разрешения оборудования в 1,4 раза.

© Intel
© Intel

Примерно на 65 нм пути производителей окончательно разошлись, так как каждый начал использовать свою технологию изготовления кремниевых чипов, сильно отличающуюся от технологий конкурентов. Если сравнивать технически близкие (по числу ядер, частоте, объему кэша, числу транзисторов) процессоры Intel и AMD, сделанные по нормам 65 нм, то их энергоэффективность будет примерно одинаковой. С 40 или 45 нм отличия уже более существенны, то есть, энергоэффективность похожих чипов Intel и AMD, сделанных по нормам 45 нм, уже могут сильно отличаться.

Сравнение размера техпроцессов
Сравнение размера техпроцессов

От физической величины – к абстрактным «попугаям»

С момента, когда техпроцесс стал относительной величиной, не привязанной к реальному разрешению оборудования, ситуация стала запутаннее. Однако несколько лет еще можно было примерно сравнивать размеры транзисторов в составе чипов. Так, 45 нм, используемые Intel, были сравнимы с 40 нм, указываемыми GF (Global Foundries — дочерняя фирма, выделенная из состава AMD) и TSMC. Интеловские 32 нм эквивалентны 28 нм у конкурентов, а 22 нм равнялись 20 нм.

Можно заметить, что разбежность хоть и небольшая, но уже тогда (в конце 00-х) AMD и TSMC начали использовать более красивые цифры в маркетинговых целях. Сильно отличались и технологии. Так, Intel использовала для своих транзисторов метод HfSiON/TaN, а AMD и TSMC (эта компания выпускает мобильные чипсеты MediaTek, Apple, GPU для видеокарт AMD и Nvidia) — другой вид high-k/metal gate.

Ядро Intel Cote i7-7700K (2017 год, 14 нм) - отдельные транзисторы не видны, только их группы © ExtremeTech
Ядро Intel Cote i7-7700K (2017 год, 14 нм) - отдельные транзисторы не видны, только их группы © ExtremeTech

После 22 нм прогресс несколько застопорился, так как еще сильнее уменьшать транзисторы оказалось проблематично. Знаменитый «Закон Мура» дал сбой, скорость перехода на новые техпроцессы снизилась. Спасением стала технология FinFET, суть которой состоит в изменении положения транзистора из горизонтального в вертикальное. И вот тут случилось ужасное: цифра, указывающая на размер техпроцесса, стала показывать «погоду на Марсе», а не физическую величину, на которую можно положиться с чистой совестью.

Сейчас наиболее распространены техпроцессы 14 (Intel, Samsung) и 16 нм (GF, TSMC). Однако из-за того, что затворы транзисторов в чипах, сделанных по этим нормам, располагаются вертикально, судить об их энергоэффективности по цифрам уже практически нереально. Ведь теперь имеет значение не только площадь транзистора, но и его высота.

Транзисторы становятся тоньше, но выше © Intel
Транзисторы становятся тоньше, но выше © Intel

Понять, почему теперь техпроцесс слабо коррелирует с энергопотреблением, можно из следующего наглядного примера.

Представьте затвор «старого» горизонтального транзистора в виде металлического «блина» и цифру техпроцесса как его диаметр в сантиметрах. То есть, транзистор чипа 45 нм — круг диаметром 45 см, а 32 нм — 32 см. Иллюстрацией работы затвора, который открывается для пропускания тока, служит поднятие «блина». Логично, что как поднимать меньшую железку легче, так и меньший транзистор кушает меньше электричества.

С введением вертикальных затворов они, образно говоря, превратились из «блина» в трубу. При сохранении длины этой трубы у изделий с разным техпроцессом ситуация сохраняется: чем меньше диаметр — тем меньше вес, следовательно, и поднимать меньшую трубу легче. Но вся загвоздка в том, что теперь «диаметр трубы» значения не имеет, зато имеет значение длина. А ее-то цифра техпроцесса никак не обозначает!

И теперь вполне возможна ситуация, когда за маленькой цифрой техпроцесса кроется «тяжелый» затвор, который занимает малую площадь, так как ориентирован вертикально, но кушает — будь здоров.

Такую безрадостную картину мы уже можем наблюдать, рассматривая чипы TSMC и Intel или Samsung в сравнении. Казалось бы, 16 и 14 нм — разница пустяковая, но не тут-то было! Вот сравнить те же MediaTek Helio P20 (TSMC 16 нм) и Qualcomm Snapdragon 625 (Samsung 14 нм). Вроде, очень похожие чипы, но из-за того, что TSMC хитрит с обозначением техпроцесса, используя сравнительно «тяжелые» транзисторы, сделанный на ее фабрике процессор уступает конкуренту по части энергоэффективности, больше потребляя и сильнее греясь.


Таким образом, сейчас мы живем во времена, когда цифра техпроцесса указывает только на плотность размещения транзисторов относительно чипов прошлых поколений, но при этом имеет минимальную смысловую нагрузку при оценке энергоэффективности.

Больший техпроцесс в сочетании с «легкими» транзисторами позволяет сделать чипы энергоэффективнее, чем у конкурента, который только хвастает уменьшением числа в рекламных материалах. И это печально, так как мы лишились одного из полезных параметров, который раньше был полезен при оценке, но сейчас превратился в бесполезных «попугаев».