Процесори 2.0

Відео: Minecraft Mods Flux Buddies 2.0 # 88 - Cascading Processor

Прогрес технологій сповільнюється: виробникам процесорів стає все складніше робити мініатюрні транзистори, і незабаром слід очікувати вже радикальної технічної революції.

Ще кілька років, і виробництва чіпів в тому вигляді, якому ми їх знаємо, загрожує кінець. Межі фізичних можливостей ускладнюють знайому нам процессорную гонку. При цьому комп`ютерна індустрія, як і раніше, вимірює свої успіхи за законом Мура: один із засновників Intel близько 50 років тому припустив, що кількість транзисторів, що розміщуються на кристалі інтегральної схеми процесора, буде подвоюється кожні 24 місяці. Компанія Intel і сьогодні продовжує діяти за законом Мура і прагне до зменшення транзисторів кожні два роки. Наприклад, центральний процесор останнього покоління на базі мікроархітектури Haswell складається з приблизно 1,4 млрд транзисторів - для порівняння, десять років тому на Pentium 4 було всього 100 млн. Інші великі виробники чіпів, такі як компанії Samsung, TSMC або Globalfoundries, теж дотримуються цього ритму в міру своїх можливостей. Однак чим більше транзисторів функціонує під термокришкой процесора, тим сильніше вони нагріваються. Ділянки мікросхеми, які в даний момент не працюють, вчені називають «темним кремнієм». При цьому термобюджет цих неактивних блоків передається на роботу інших блоків. Зараз вже немає сумніву, що в майбутнє час виробників чекають все більш значні перешкоди, які унеможливлюють зменшення транзисторів на базі існуючих на даний момент технологій виробництва.


Виробник чіпів, що освоїв тонший техпроцес виробництва транзисторів, має на ринку вирішальну перевагу: він може робити більш швидкі та енергоефективні CPU. Тим часом, розробники дійшли до таких стандартів техпроцесу, що могли б зацікавити навіть мікробіологів: наприклад, діаметр вірусу грипу становить від 80 до 120 нм, а крок між контактними майданчиками транзистора - 80 нм для 22-нанометрового техпроцесу. Планарні CMOS-транзистори складаються з напівпровідника кремнію, в який впроваджуються чужорідні атоми. Ця домішка забезпечує провідність: в легованому домішками n-типу витоку і стоку знаходяться такі атоми, як фосфор, які мають більше зовнішніх електронів, ніж кремній, і можуть легше їх віддавати. Що залишився субстрат має домішка p-типу, наприклад, атоми брому, які можуть приймати електрони. Якщо в затворі між витоком і стоком, в каналі між витоком і стоком проходить електричний струм - транзистор включений. Якщо зменшити довжину затвора, транзистори працюють більш ефективно, але виникають проблеми: збіднений шар стає ще більш проникним, так що електрони безперешкодно проходять від витоку і стоку в субстрат. Цей струм витоку становить майже 40% споживаної енергії. Саме тому багато виробників чіпів зупиняють подальші розробки планарних транзисторів на 20-нанометровому техпроцесу.





Проблемою мініатюризації в чіпах є те, що транзистори меншого розміру можна отримати тільки зміною конструкції. У своїх нових транзисторах з кодовим ім`ям Tri-Gate компанія Intel першою застосувала новий індустріальний стандарт FinFET (від англ. Fin Field Effect Transistors - тривимірні транзистори) - один з варіантів техпроцесу, який дозволить перейти на ще менші геометричні розміри транзисторів. FinFET представляє окремі транзистори всередині мікросхем вже не в плоскому (планарном) вигляді, а у формі 3D-конструкції, що дає технологічні переваги. У FinFET-транзисторі канал, витік і стік відділяється від субстрату. Канал має лише незначну домішку з чужорідними атомами, а субстрат не має її зовсім. Це значно зменшує струм витоку і дозволяє використовувати вузли розміром аж до 10 нм. Однак довжина затвора транзистора і мінімальне дозвіл літографії техпроцесу - це не одне і те ж. Для прикладу, довжина затвора на 16-нанометровому процесі TSMC - 30 нм. Що спеціалізується на процесорах аналітик Малколм Пенн очікує для випускаються в наступному році транзисторів з довжинами затворів в діапазоні між 17 і 20 нм. Якщо є намір досягти довжини менше 10 нм в 2017-2018 роках, будуть потрібні інші матеріали і нова конструкція транзисторів.





Чіпи, виконані за технологією FinFET, здатні вирішити багато проблем мініатюризації. Але зменшення функціональних компонентів (витік, стік і канал) створює і нову проблему, яка торкнеться виробників чіпів, починаючи з десятінанометрового техпроцесу. З 2009 року в транзисторах чіпів використовується «розтягнутий кремній»: в кремній включаються атоми германію, в результаті чого збільшується відстань між окремими атомами. На цей шар з кремнію-германію (SiGe) наноситься звичайний кремнієвий шар. Обидва шару зв`язуються в одну кристалічну решітку. Збільшення кристалічної решітки підвищує провідність матеріалу. При підключенні транзистора електрони рухаються приблизно на 70% швидше, ніж через звичайний кремній. Однак у FinFET-транзисторів меншого розміру «кремнієвий плавник» стає настільки тонким, що складається всього з декількох атомних шарів. Розтягування кремнію стає все більш трудомістким, і при десяти нанометрах настає межа. Зменшення транзистора більше не дає ніяких переваг, і кремній в якості напівпровідника вичерпує себе повністю. Рішення приходить у вигляді нових матеріалів, які частково замінюють кремній. В якості ідеальної основи для компонентів з домішкою p-типу діє германій, який має природне розтягнення і в чотири рази вищу провідність, ніж кремній. Для компонентів з домішкою n-типу в ролі фаворита виступає суміш індію, галію і миш`яку (InGaAs) - її провідність вище в шість разів. Розробники бельгійського центру мікроелектроніки в Льовені створили перший прототип з каналом з InGaAs, і він споживає тільки 50% енергії, необхідної порівнянної FinFET з кремнієвим каналом. Аналітики очікують впровадження нових матеріалів в масове виробництво з 2017 року.



Після 2020 року при технологічному процесі п`ять нанометрів будуть затребувані компоненти ще меншого розміру, але з хорошою провідністю. Для цього підходять двовимірні (2D) наношарами, тобто матеріали, що складаються з одного шару атомів. Уже активно досліджувався графен - решітка з атомів вуглецю, ще йде вивчення Німеччини, силіцію і станемо. Наприклад, не так давно інженерам IBM вдалося виготовити графеновий процесор, що працює на вражає уяву частоті - 100 ГГц. Дослідники з IBM також продемонстрували можливість виконання графенових транзисторів на засадах, подібних традиційним кремнієвим. Прототип процесора виконаний на пластині діаметром два дюйми, але сьогодні вже можливе формування графенових транзисторів і на пластинах більшого діаметра. Графен виготовляється методом нагрівання підкладки з карбіду кремнію з випаровуванням останнього.


Майже всі великі виробники планують розробку чипів з 3D-транзисторами, в яких елементи процесора і зберігання інформації взаємодіють без великих відставань по часу. Приклад: на шарі центрального процесора лежить шар запам`ятовує і зверху - шар з флеш-пам`яті. Так, найбільший контрактний виробник TSMC з його майбутніми 16-нанометровому чіпами пропонує тривимірну інтеграцію - в 2016 році її можна буде використовувати, наприклад, для процесора iPhone 7, адже крім іншого Apple є клієнтом TSMC. Виробник запускає технологію за допомогою TSV (від англ. Through-Silicon Vias - наскрізні отвори в кремнії). TSV передбачає просвердлення окремих отворів розміром до десяти нанометрів в кремнієвої пластини і заповнення електричним провідником. З огляду на монолітності TSV діє тільки як тимчасове рішення: тут весь процесор складається тільки з блоку матеріалів, в якому кремнієві шари безпосередньо пов`язані з транзисторами проводами товщиною близько 100 нм. Тільки самий нижній шар створюється на звичайній кремнієвій пластині. На неї послідовно накладаються інші шари, і, відповідно, створюються транзистори й проведення. Це вдається тільки в тому випадку, якщо працювати з температурами до 400 ° С. Оскільки шари знаходяться ще ближче один до одного, а дроти стають менше, дані передаються з меншою витратою енергії і швидше ніж з TSV.


Осередки флеш-пам`яті в тому вигляді, в якому вони сьогодні використовуються в твердотільних накопичувачах, схожі з логічними транзисторами з додатковим компонентом - плаваючим затвором. Він знаходиться між каналом і затвором і служить в якості накопичувача електронів. Актуальні осередку флеш-пам`яті мають ширину менше 20 нм, і тому борються з тими ж проблемами мініатюризації, що і транзистори центрального процесора: осередки знаходяться настільки близько один до одного, що накопичені заряди створюють взаємні перешкоди. Якщо зменшити осередку флеш-пам`яті, щоб вони були віддалені один від одного тільки на десять нанометрів, контролер SSD при зчитуванні більше не зможе передавати правильні значення. Тому такі виробники твердотільних дисків, як Samsung, Toshiba, SanDisk і Hynix, сьогодні змінюють конструкцію: вони укладають осередку флеш-пам`яті таким чином, щоб вони складалися з окремих трубок. Будова осередки флеш-пам`яті спрощується: так, Samsung переміщує їх в своєму накопичувачі V-Nand і дає можливість додаткового збільшення процесів записи / видалення з 3000 до 35 000, перш ніж вичерпається ресурс. Samsung має намір в десять разів збільшити щільність запису в пам`яті в SSD на базі V-Nand до 2017 року. З актуальних чіпів на 128 Гбіт в такому випадку повинні вийти чіпи на 1 Тбіт.