En la tercera parte, el autor del artículo original discute Zelenograd, la memoria y el significado de la miniaturización en los dedos.
Descargo de responsabilidad: Había una vez que escribí artículos sobre la
fabricación de chips , y
en la serie de artículos "Inside Look" incluso miré dentro de ellos, es decir El tema es extremadamente interesante para mí. Naturalmente, me gustaría que
el autor del artículo original lo publicara en Habré, pero en relación con el empleo, me permitió transferirlo aquí. Desafortunadamente, las reglas de Habr no permiten copiar y pegar directamente, por lo que agregué enlaces a fuentes, imágenes y un pequeño chiste e intenté enderezar un poco el texto. Sí, y conozco y respeto los artículos (
1 y
2 ) sobre este tema de
amartology .
Resumen de episodios anteriores.
Entonces, ¿qué aprendimos de la
primera y
segunda parte?
Hasta principios de la década de 2000, la principal prioridad en la producción de microcircuitos para computadoras era reducir el tamaño de los elementos (transistores). La miniaturización permitió acomodar más transistores por chip, lo que redujo el costo promedio de un solo transistor en un microcircuito y permitió aumentar las frecuencias de reloj, además de integrar más funcionalidades en un chip. Este último redujo la necesidad de acceso externo a un bus externo lento. El tamaño de los transistores se correlacionó casi linealmente con la llamada norma del proceso tecnológico: con una disminución de la tecnología en 2 veces, las dimensiones lineales de los transistores también disminuyeron en 2 veces, y el área, en 4 veces. La estructura física de los transistores en sí no cambió, los tamaños simplemente se redujeron.
Desde principios de la década de 2000, las limitaciones físicas comenzaron a afectar. Los tamaños de los transistores ya no dependen linealmente de la tecnología. Y cuanto menos nanómetros se declararon en el proceso tecnológico, más débil fue esto afectó el tamaño real de los elementos. Cada paso para reducir el tamaño de la tecnología ahora va acompañado de un cambio en la física del proceso. Además, a medida que comenzó la miniaturización, comenzaron a aparecer efectos secundarios en forma de un aumento en las corrientes de fuga y un aumento en el consumo de energía espuria. Esto puso fin al aumento adicional en las velocidades de reloj del procesador. Durante la década de 2000, un mordisco tranquilo, se produjo un cambio de prioridades. Ahora, la tarea principal de los diseñadores no era reducir el tamaño de los transistores, sino reducir las corrientes de fuga. El resultado de esta política fue la transición de transistores planos a granel.
Una de las manifestaciones de la complejidad de los procesos tecnológicos ha sido el aumento en el costo del cristal con cada reducción en la tecnología. El costo de fabricación de chips varía según el mismo programa: inmediatamente después del lanzamiento de una nueva tecnología de proceso, el precio es máximo debido al bajo rendimiento de los microcircuitos adecuados, los costos de diseño y optimización. A medida que se depura la producción, disminuye el precio de costo, aumenta el rendimiento de chips adecuados. El precio mínimo al final del ciclo es antes de la interrupción. Anteriormente, el costo de un microcircuito, por ejemplo, de acuerdo con el proceso tecnológico de 3 micras y 1,5 micras, era el mismo en la misma etapa del ciclo de vida. Y dado que el número de transistores en la misma área aumentó 4 veces, el precio de un transistor disminuyó 4 veces.
Después de ir por debajo de 130 nm, el costo de los chips comenzó a crecer debido a la complejidad de los procesos tecnológicos. Sin embargo, debido a un aumento en la densidad de los transistores, el costo por transistor continuó disminuyendo. Por lo tanto, duró hasta la tecnología de 28/32 nm. Además, a cada paso se le dio todo con un alto costo del chip, y el tamaño real de los transistores se redujo cada vez menos. Como resultado, un transistor en un microcircuito con una norma de 22 nm o menos cuesta más que una norma de 28 nm (
¡navegado! ).
Sobre Zelenograd
Por encima de todo, la gente está interesada, por supuesto, en la situación con la microelectrónica rusa. Desafortunadamente, no es fuerte en los asuntos de Zelenograd. Todo lo que sé es que en 2014 Mikron compró una línea tecnológica de 90 nm de la STMicroelectronics francesa justo antes de la crisis. Y luego, por sí solo, se actualizó a los estándares de la tecnología de proceso de 65 nm. Supongo que a los franceses no les gustó mucho. La transición a 65 nm se informó a finales de 2014. Periódicamente producía lotes experimentales en él. No sé si entraron en la serie (
Nota: parece ser sí,
para la memoria ). Sin embargo, hay medio soberano de 65 nm en Rusia.
Nota: sobre Mikron ,
BarsMonster dio
un excelente texto , un poco más
aquí , un par de artículos más (
1 y
2 ) sobre el tema de
amartology .
El principal problema es que 65 nm no eran muy populares. Para la producción principal de Micron, 90 nm y 180 nm son suficientes, e incluso, ¡oh, horror! - completamente soberano 250 nm. Algunos microcircuitos de defensa todavía se producen utilizando tecnologías de 3-5 micras (
Nota: especialmente para el espacio, donde la confiabilidad es importante, no la velocidad). Simplemente, cuanto más grandes son los transistores, mayor es la inmunidad a la interferencia y la radiación (
UPD: artículo sobre la resistencia a la radiación de los circuitos con una opinión diferente). Y, por regla general, no se necesita una potencia informática ultragrande para chips especializados.
Por otro lado, es más rentable ordenar la producción de procesadores modernos en Taiwán y China de acuerdo con tecnologías de 28 nm o menos (
nota: y nuevamente saludamos a
Baikal ). En este caso, el desarrollo de la arquitectura y la topología es completamente ruso, pero la fabricación de cristales tiene lugar en las fábricas taiwanesas. Muchos se avergüenzan de decir que estos no son nuestros procesadores. Como tranquilidad, podemos decir que casi todos los líderes mundiales se encuentran en la misma situación. La producción de semiconductores propia solo se mantuvo con Intel. Marcas como AMD, Apple, NVidia, Qualcomm, IBM y otras se fabrican en las fábricas TSMC o Samsung. Entonces, AMD en 2009 llevó su producción a una compañía separada GlobalFoundries, que fue comprada por los árabes. No dominaban los últimos estándares tecnológicos y se
negaron a participar en el desarrollo del proceso técnico de 7 nm, concentrado en los procesos técnicos "más maduros". Ahora están en un estado previo a la bancarrota, que está
programado para aproximadamente 2024 , y los ingenieros están listos para
llevar a IBM para ellos .
A finales de 2018, en Mikron, confirmaron sus planes de crear su propia producción de 28 nm en Zelenograd. Planean desplegar la producción ya en 2022 en una nueva fábrica construida desde cero. La realidad de los plazos es muy dudosa, aunque, por supuesto, sería bueno. 28 nm ya es un nivel diferente de producción y diseño, lo que le permite comenzar la producción de productos fundamentalmente nuevos. Pero más sobre eso a continuación.
En general, la situación en la microelectrónica rusa no es tan mala como podría parecer. Dado que hace 12 años, el proceso de fabricación "más delgado" en el país era de 800 nm, incluso el actual ruso de 250 nm no se ve tan mal. Hay rumores de que dominaron la tecnología del "silicio estirado", cambiaron de placas de 150 mm a 200 mm y establecieron la producción de sus propias máscaras fotográficas. El principal problema seguirá siendo la demanda insuficiente y la competencia con las importaciones, lo que de ninguna manera permite lograr al menos una rentabilidad nula.
Se están realizando intentos para dominar algo innovador. Por ejemplo, fotolitografía en ultravioleta profundo (litografía EUV).
En este sentido, la historia con la compañía holandesa "Mapper Lithography" es
interesante (
BarsMonster escribió al respecto , así como
un artículo de
CorneliusAgrippa ). La compañía se especializó en equipos y sistemas para la litografía electrónica multitrayecto (MEL).
La litografía electrónica le permite trabajar con resoluciones en fracciones de nm, pero consume mucha energía y es lenta. Utilizándolo, haga máscaras fotográficas para litografía óptica. Por lo general, se usa un haz de electrones, que irradia toda el área. El uso de MEL aceleraría significativamente el proceso, aunque el consumo de energía de la instalación ha aumentado significativamente.
Los holandeses intentaron llevar a MEL a la producción en masa. Al menos para microcircuitos a pequeña escala, donde la creación de un conjunto de máscaras fotográficas no vale la pena. Es decir donde es más barato aplicar el patrón directamente al silicio que hacer un conjunto de máscaras, y luego estampar microcircuitos usando litografía óptica. Y aquí Mapper encontró personas de ideas afines en la persona de RosNano. En 2012, celebraron un contrato para la construcción de fábricas en Moscú y San Petersburgo. La fábrica en Moscú se inauguró en 2014 y en el mismo año comenzó la producción de lentes electrónicos.
Todavía no se trata de rentabilidad, pero las tecnologías mismas están y están en desarrollo. Teniendo en cuenta el aumento en el precio de los procesos de fotolitografía, MEL puede llegar a ser igual en tiempo a costo. Desafortunadamente, las inversiones de RosNano no salvaron a Mapper Lithography en sí. La empresa fue comprada por el holandés
ASML , el mayor fabricante mundial de fotomascaras y sistemas de fotolitografía. La sucursal de MEL estaba cerrada, los empleados de Mapper fueron empujados en otras direcciones (
nota: dado que hay asistentes en el EUV que Goliat no puede soportar dos). Ahora en el mundo solo hay 2 jugadores que continúan desarrollando MEL: American Multibeam y RusNano.
¿Dónde se necesitan nanómetros pequeños?
Considere el mayor fabricante por contrato de microelectrónica: TSMC taiwanés. Aquí está el informe para el segundo trimestre de 2018:
Como puede ver, los procesos más delicados representan solo el 38% de los ingresos de la compañía, y el 19% representa 90 nm o más. El
X-FAB alemán, por ejemplo, generalmente usa tecnologías de solo 130 nm y superiores, y no sufre de esto.
Considere las principales áreas de la electrónica moderna:
- Electrónica de potencia Aquí, los procesos sutiles no solo son innecesarios, sino incluso imposibles. Dado que funcionan solo a voltajes en la región de 1 V. Para la electrónica de potencia, se requieren otras concentraciones de impurezas y tamaños de capa vertical. El concepto mismo de una norma de proceso tiene un significado diferente. Se calcula, no se basa en la tecnología más pequeña posible, pero surge de los voltajes operativos y la densidad de corriente. Las dimensiones de los elementos de potencia se calculan en función de la intensidad de corriente máxima.
Nota: Al estar en la fábrica de ABB en la gloriosa ciudad de Lenzburg, me sorprendió gratamente la gran variedad de productos que producen y cómo hacen el análisis de fallas de los convertidores de corriente rotos. - Electrónica industrial. Estos son varios microcontroladores industriales y sistemas de control mecánico. Como regla, trabajan con voltajes que van desde varios voltios hasta decenas de voltios. Las tecnologías de trabajo suelen ser de 130 nm. La electrónica industrial no requiere miles de millones de transistores y cientos de MB de caché, como generalmente se realiza un conjunto limitado de operaciones. Los microcontroladores son más especializados que los microprocesadores para sistemas informáticos. Parte del código y las instrucciones están "cableados" en el cristal en la etapa de fabricación, y no se cargan mediante programación. Gracias a esto, trabajan más rápido en operaciones nativas. Lo más importante aquí es la fiabilidad.
- Electrónica militar, espacial y resistente a la radiación. Aquí, la tecnología comienza desde 250 nm. Menos es simplemente imposible, porque Con una disminución en el tamaño de los transistores, el número de fallas por los efectos de la radiación y la interferencia aumenta bruscamente. Además de la electrónica industrial, estos suelen ser microcircuitos especializados con requisitos de rendimiento más bajos.
- Electrónica de consumo y automóvil. Circuitos analógicos, analógicos a digitales y microcircuitos digitales a analógicos. La tendencia aquí es la combinación de toda la funcionalidad (tanto digital como analógica) en un solo cristal. Además de los transistores de potencia de forma natural. Por ejemplo, televisores de un solo chip. El problema aquí es que, como regla, el número de transistores requeridos es pequeño. Para el funcionamiento normal del dispositivo, decenas de miles de transistores son suficientes para los ojos. Con tecnologías más pequeñas que un micrón, toda el área que ocupan es una fracción de un milímetro cuadrado. A menudo, las almohadillas de contacto para conclusiones ocupan más área que la lógica misma. Por lo tanto, están tratando de meter todo lo posible en esos microcircuitos: un reloj electrónico con reloj despertador, un receptor de radio y otras funciones laterales en el chip de la lavadora. El costo es casi el mismo. No tiene sentido molestarse con nanómetros pequeños en tal situación. Además, existen limitaciones debido a la presencia de transistores bipolares analógicos y corrientes operativas notables. No tiene sentido usar menos de 90 nm incluso en la parte digital ( UPD: amartology CMOS basado en 28 nm para ADC y DAC ). La situación puede cambiar con la difusión de Internet de las cosas (IoT).
- Etiquetas RFID Estos son chips para diferentes tarjetas, llaves electrónicas, etiquetas de productos. Consisten en un pequeño microcircuito y una antena de película. El microcircuito está hecho de memoria reprogramable basada en CMOS y control de potencia inducido en transistores bipolares. El tamaño del cristal es inferior a 1 mm 2 . El número de transistores suele ser pequeño, no hay potencia constante. Por lo tanto, los requisitos para el bajo costo de un transistor y el consumo de energía no son relevantes. Lo principal es la duración del almacenamiento del valor de la memoria en modo pasivo. Como ya escribí, a velocidades inferiores a 130 nm, las corrientes de fuga aumentan y, en consecuencia, en las celdas se puede perder el valor. Los procesos tecnológicos por debajo de 90 nm no solo no son relevantes, son dañinos.
Nota: el análisis RFID está aquí , y pronto habrá un poco más de hickporn. - Ingeniería informática. Procesadores, memoria, controladores. Por valor, esta es la mayor parte del mercado electrónico moderno. Aquí está la regla: cuantos más transistores haya en el chip, mejor. A diferencia de los controladores especializados, todo el conjunto de comandos e instrucciones se carga mediante programación. De ahí los requisitos de alto rendimiento: el precio de la versatilidad.
Las empresas rusas pueden (
nota: con reservas y exageraciones) producir los primeros 5 grupos de microcircuitos, excepto IoT. Es cierto que, en términos de rotación del mercado en dinero, son colectivamente muy inferiores al sexto grupo.
El significado de la miniaturización
Algunos estaban interesados: ¿por qué es tan importante impulsar el máximo de transistores por unidad de área? Lo que hace que sea difícil hacer un cristal más grande o hacer 2 cristales en lugar de uno.
Para la tecnología informática, esto es muy importante. A frecuencias modernas, existe una limitación física en el tamaño del cristal. Esta es la velocidad de la luz, es la velocidad de propagación de una señal eléctrica. La velocidad es de solo 300 millones de metros por segundo (
aproximadamente: esto es para vacío, y es ligeramente menor por la constante dieléctrica, debido a la propagación en el medio). En un procesador con una frecuencia de reloj de 3 GHz, una señal eléctrica corre 10 cm por ciclo. Además, no solo los transistores deben cambiar su estado por ciclo, sino que todos los transitorios también deben ser capaces de resistir. Para hacer esto, necesita un stock de al menos 3 veces. Es decir El transistor más alejado del cristal no debe estar a más de 3 cm del generador del reloj. El generador se coloca en el centro del chip, lo que significa que todo el circuito debe caber en un círculo con un radio de 3 cm desde el centro del chip (puede verificarlo en su PC;)). Para un cristal de forma cuadrada, obtenemos un tamaño máximo de 4x4 cm. Cuanto mayor sea la frecuencia, menores serán los tamaños limitantes.
Disipador de calor Cuanto más grande es el cristal, más difícil es eliminar el calor del centro. Y esto está cargado.
Cuanto más pequeñas son las dimensiones lineales de los transistores, más pequeña es la capacitancia parásita y los transitorios más rápidos. En consecuencia, mayor velocidad y menor corriente de recarga.
Ahora, ¿por qué un procesador con 4 millones de transistores, por ejemplo, es mejor que 4 procesadores con 1 millón de transistores cada uno? Para empezar, la cuestión del precio. Un cristal con 4 millones de transistores costará un poco más que un cristal con 1 millón de transistores. Ya que se crean en un solo proceso técnico. Además del chip, el microcircuito también consta de una caja y alfileres dorados de un cristal. Y el oro no es metal barato. Convencionalmente, para un microcircuito número 1 millón, se necesitan 300 contactos (1200 para microcircuitos 4), para un número 4 millones: 308. El beneficio es obvio.
Luego, 4 microcircuitos interactuarán entre sí a través de un bus externo, y es varias veces más lento que la frecuencia de reloj del propio procesador (consulte el párrafo sobre la velocidad de la luz).
Nota: sí, hay una solución de AMD con
Infinity Fabric , pero este es un problema aparte. Resulta que 4 procesadores solo pueden funcionar en modo de tareas aisladas. Si bien 4 núcleos dentro de un solo chip pueden funcionar como un clúster, distribuyen rápidamente las tareas e intercambian a la velocidad del reloj del procesador.
Por lo tanto, el deseo de hacer que los transistores sean lo más pequeños posible y de meter en el cristal todo lo que pueda justificarse racionalmente.
Perspectivas
Resulta que con los primeros cinco grupos de microelectrónica en Rusia, no todo está tan mal. Problemas con la rentabilidad y el precio, pero existen oportunidades tecnológicas. La informática es más difícil. Por supuesto, puede hacer Baikal o Elbrus utilizando la tecnología de 65 nm. Esta es la era de Intel Pentium 4 (
¡pichal! ). Pero solo con series tan escasas el costo será prohibitivo. O, como opción, vender por debajo del costo a expensas del presupuesto. ¿Y el higo? Hasta que cubrieron la oportunidad, es más fácil y más barato producir en Taiwán (lo que, de hecho, se está haciendo).
Con acceso al nivel mundial y grandes series, parece una oscuridad irremediable. Pero aquí apareció un rayo de luz. Se asocia con el advenimiento de nuevos tipos de memoria electrónica. Para explicar por qué está conectado el optimismo, tendrá que entrar un poco en los detalles técnicos.
Los principales tipos de memoria electrónica.
RAM estática o SRAM .De hecho, este es un circuito de transistores para
transistores de efecto de campo de cualquier transistor, MOSFET, JFET, BJT, HEMT. Desencadenantes lógicos conocidos desde hace mucho tiempo.
Una celda de memoria de seis transistores es estándar. Aunque hay 8 y 10 transistores.
Gracias a la retroalimentación cruzada en su interior, almacena su estado incluso en ausencia de una señal en la entrada. Si bien hay comida, por supuesto. Se utilizan los mismos transistores MOS, que consumen solo la corriente de conmutación cuando cambian los valores. En un estado estático, solo se consume la corriente de fuga perdida.
Pros: alta velocidad de lectura y escritura (en el nivel de frecuencia del reloj), bajo consumo de energía, claridad de almacenamiento de valor, tecnología estándar
Contras: volatilidad, gran huella en el chip.
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