Dans la troisième partie, l'auteur de l'article original discute de Zelenograd, de la mémoire et du sens de la miniaturisation des doigts.
Avertissement: Il
était une fois j'ai essayé d'écrire des articles sur
la fabrication de puces , et
dans la série d'articles "Inside Look", j'ai même regardé à l'intérieur, c'est-à-dire Le sujet est extrêmement intéressant pour moi. Naturellement, j'aimerais que
l' auteur de l'article original le publie sur Habré, mais en ce qui concerne l'emploi, il m'a permis de le transférer ici. Malheureusement, les règles Habr ne permettent pas le copier-coller direct, j'ai donc ajouté des liens vers des sources, des images et un petit gag et j'ai essayé de redresser un peu le texte. Oui, et je connais et respecte les articles (
1 et
2 ) sur ce sujet de l'
amartologie .
Résumé des épisodes précédents
Alors, qu'avons-nous appris des
première et
deuxième parties?
Jusqu'au début des années 2000, la principale priorité dans la production de microcircuits pour ordinateurs était de réduire la taille des éléments (transistors). La miniaturisation a permis d'accueillir plus de transistors par puce, ce qui a réduit le coût moyen d'un seul transistor dans un microcircuit et a permis d'augmenter les fréquences d'horloge, ainsi que d'intégrer plus de fonctionnalités dans une seule puce. Ce dernier a réduit le besoin d'accès vers un bus externe lent. La taille des transistors était en corrélation presque linéaire avec la norme dite des processus technologiques: avec une diminution de la technologie de 2 fois, les dimensions linéaires des transistors ont également diminué de 2 fois, et la surface - de 4 fois. La structure physique des transistors eux-mêmes n'a pas changé, les tailles ont simplement été réduites.
Depuis le début des années 2000, les limitations physiques ont commencé à affecter. Les tailles des transistors ne dépendent plus linéairement de la technologie. Et moins le nanomètre a été déclaré dans le processus technologique, plus cela a affecté la taille réelle des éléments. Chaque étape de réduction de la taille de la technologie s'accompagne désormais d'un changement dans la physique du processus. De plus, lorsque la miniaturisation a commencé, des effets secondaires ont commencé à apparaître sous la forme d'une augmentation des courants de fuite et d'une augmentation de la consommation d'énergie parasite. Cela a mis fin à l'augmentation supplémentaire des vitesses d'horloge du processeur. Au cours des années 2000, une calomnie calme, un changement de priorités s'est opéré. Maintenant, la tâche principale des concepteurs n'était pas de réduire la taille des transistors, mais de réduire les courants de fuite. Le résultat de cette politique a été la transition des transistors plats au bulk.
L'une des manifestations de la complexité des processus technologiques a été l'augmentation du coût du cristal à chaque réduction de technologie. Le coût de fabrication des puces varie selon le même calendrier - immédiatement après la sortie d'une nouvelle technologie de processus, le prix est maximum en raison du faible rendement des microcircuits appropriés, des coûts de conception et d'optimisation. Au fur et à mesure du débogage de la production, le prix de revient diminue, le rendement des puces adaptées augmente. Le prix minimum à la fin du cycle est avant l'arrêt. Auparavant, le coût d'un microcircuit, par exemple, selon le processus technologique de 3 microns et 1,5 microns, était le même au même stade du cycle de vie. Et comme le nombre de transistors dans la même zone a augmenté de 4 fois, le prix d'un transistor a diminué de 4 fois.
Après être passé en dessous de 130 nm, le coût des puces a commencé à augmenter en raison de la complexité des processus technologiques. Cependant, en raison d'une augmentation de la densité des transistors, le coût d'un transistor a continué de diminuer. Cela a donc duré jusqu'à la technologie 28/32 nm. De plus, chaque étape a tout donné avec un coût élevé de la puce, et la taille réelle des transistors a été de moins en moins réduite. En conséquence, un transistor sur un microcircuit avec une norme de 22 nm ou moins coûte plus cher qu'une norme de 28 nm (
navigué! ).
À propos de Zelenograd
Surtout, les gens s'intéressent, bien sûr, à la situation de la microélectronique russe. Malheureusement, pas fort dans les affaires de Zelenograd. Tout ce que je sais, c'est qu'en 2014 Mikron a acheté une ligne technologique à 90 nm à la STMicroelectronics française juste avant la crise. Et puis, à lui seul, il a été mis à niveau aux normes de la technologie de traitement à 65 nm. Je suppose que les Français n’aimaient pas vraiment ça. Le passage à 65 nm a été signalé fin 2014. Des lots expérimentaux produits périodiquement dessus. Je ne sais pas s'ils sont entrés dans la série (
Remarque: il semble que oui -
pour mémoire ). Néanmoins, il y a la moitié souveraine à 65 nm en Russie.
Remarque: à propos de Mikron ,
BarsMonster a donné
un excellent texte , un peu plus
ici , quelques autres articles (
1 et
2 ) sur le sujet de l'
amartologie .
Le principal problème est que 65 nm n'étaient pas très populaires. Pour la production principale de Micron, 90 nm et 180 nm suffisent, et même - oh, l'horreur! - complètement souverain 250 nm. Certains microcircuits de défense sont toujours produits en utilisant des technologies de 3 à 5 microns (
Remarque: en particulier pour l'espace, où la fiabilité est importante, pas la vitesse). Simplement, plus les transistors sont grands, plus l'immunité aux interférences et aux rayonnements est élevée (
UPD: article sur la résistance aux radiations des circuits avec une opinion différente). Et une puissance de calcul ultra-grande pour les puces spécialisées, en règle générale, n'est pas nécessaire.
En revanche, il est plus rentable de commander la production de processeurs modernes à Taïwan et en Chine selon des technologies de 28 nm ou moins (
note: et encore une fois nous saluons le
Baïkal ). Dans ce cas, le développement de l'architecture et de la topologie est entièrement russe, mais la fabrication des cristaux a lieu dans les usines taïwanaises. Beaucoup sont gênés de dire que ce ne sont pas tout à fait nos processeurs. Pour rassurer, nous pouvons dire que presque tous les dirigeants mondiaux sont dans la même situation. Intel n'a produit que sa propre production de semi-conducteurs. Des marques telles que AMD, Apple, NVidia, Qualcomm, IBM et autres sont fabriquées dans les usines TSMC ou Samsung. Ainsi, AMD en 2009 a apporté sa production à une société distincte GlobalFoundries, qui a été achetée par les Arabes. Ils ne maîtrisent pas les dernières normes technologiques et
refusent de participer au développement du procédé technique 7 nm, concentré sur les procédés techniques «plus matures». Maintenant, ils sont dans un état de pré-faillite,
prévu pour environ 2024 , et les ingénieurs sont prêts à
prendre IBM pour eux-mêmes .
Fin 2018, à Mikron, ils ont confirmé leur intention de créer leur propre production à 28 nm à Zelenograd. Ils prévoient de déployer la production dès 2022 dans une nouvelle usine construite à partir de zéro. La réalité des délais est mise en doute, même si, bien sûr, ce serait bien. 28 nm est déjà un niveau de production et de conception différent, vous permettant de démarrer la production de produits fondamentalement nouveaux. Mais plus à ce sujet ci-dessous.
En général, la situation dans la microélectronique russe n'est pas aussi pourrie qu'elle pourrait le paraître. Étant donné qu'il y a 12 ans, le processus de fabrication «le plus mince» du pays était de 800 nm, même le 250 nm russe actuel ne semble pas si mal. Il y a des rumeurs selon lesquelles ils maîtrisent la technologie du «silicium étiré», sont passés de plaques de 150 mm à 200 mm et ont mis en place la production de leurs propres masques photo. Le principal problème restera l'insuffisance de la demande et la concurrence des importations, ce qui ne permet en aucun cas d'atteindre une rentabilité au moins nulle.
Des tentatives sont en cours pour maîtriser quelque chose de révolutionnaire. Par exemple, la photolithographie en ultraviolet profond (lithographie EUV).
En ce sens, l'histoire avec la société néerlandaise «Mapper Lithography» est
intéressante (
BarsMonster a écrit à ce sujet , ainsi qu'un
article de
CorneliusAgrippa ). L'entreprise est spécialisée dans les équipements et systèmes de lithographie électronique à trajets multiples (MEL).
La lithographie électronique vous permet de travailler avec des résolutions en fractions de nm, mais elle est très énergivore et lente. En l'utilisant, faites des masques photo pour la lithographie optique. Habituellement, un faisceau d'électrons est utilisé, ce qui irradie toute la zone. L'utilisation de la MEL accélérerait considérablement le processus, bien que la consommation d'énergie de l'installation ait considérablement augmenté.
Les Néerlandais ont essayé de mettre la MEL en production de masse. Du moins pour les microcircuits à petite échelle, où la création d'un ensemble de masques photo n'est pas payante. C'est-à-dire où il est moins coûteux d'appliquer le motif directement sur le silicium que de fabriquer un ensemble de masques, puis d'estamper les microcircuits en utilisant la lithographie optique. Et ici, Mapper a trouvé des personnes partageant les mêmes idées en la personne de RosNano. En 2012, ils ont conclu un contrat pour la construction d'usines à Moscou et à Saint-Pétersbourg. L'usine de Moscou a été ouverte en 2014 et a commencé la même année la production de lentilles électroniques.
Il n'est pas encore question de rentabilité, mais les technologies elles-mêmes sont et se développent. Compte tenu de la hausse des prix des procédés de photolithographie, la MEL peut devenir égale dans le temps à son coût. Malheureusement, les investissements de RosNano n’ont pas sauvé Mapper Lithography lui-même. L'entreprise a été achetée par le néerlandais
ASML , le plus grand fabricant mondial de photomasques et de systèmes de photolithographie. La succursale de la MEL a été fermée, les employés de Mapper ont été poussés dans d'autres directions (
note: comme il y a de tels préposés dans l'EUV que Goliath ne peut pas en supporter deux). Maintenant dans le monde, il n'y a que 2 joueurs qui continuent de développer MEL - American Multibeam et RusNano.
Où faut-il des petits nanomètres?
Prenons le plus grand fabricant sous contrat de microélectronique - le TSMC taïwanais. Voici le rapport du 2ème trimestre 2018:
Comme vous pouvez le voir, les processus les plus délicats ne représentent que 38% des revenus de l'entreprise et 19% représentent 90 nm ou plus. Le
X-FAB allemand , par exemple, utilise généralement des technologies de seulement 130 nm et plus, et n'en souffre pas.
Considérez les principaux domaines de l'électronique moderne:
- Electronique de puissance Ici, les processus subtils sont non seulement inutiles, mais même impossibles. Comme ils ne fonctionnent qu'à des tensions de l'ordre de 1 V. Pour l'électronique de puissance, d'autres concentrations d'impuretés et tailles de couches verticales sont nécessaires. Le concept même de norme de processus a une signification différente. Il est calculé, non sur la base de la plus petite technologie possible, mais découle des tensions de fonctionnement et de la densité de courant. Les dimensions des éléments de puissance sont calculées sur la base de l'intensité de courant de crête.
Remarque: Étant à l'usine ABB dans la glorieuse ville de Lenzburg, j'ai été agréablement surpris de l'étendue de la gamme de produits qu'ils produisent et de la façon dont ils analysent les défaillances des convertisseurs de courant cassés. - Electronique industrielle. Il s'agit de divers microcontrôleurs industriels et systèmes de contrôle mécanique. En règle générale, ils fonctionnent avec des tensions allant de plusieurs volts à des dizaines de volts. Les technologies de travail sont généralement à partir de 130 nm. L'électronique industrielle ne nécessite pas des milliards de transistors et des centaines de cache Mo, comme généralement un ensemble limité d'opérations est effectué. Les microcontrôleurs sont plus spécialisés que les microprocesseurs pour les systèmes informatiques. Une partie du code et des instructions y sont «câblés» dans le cristal lui-même au stade de la fabrication et ne sont pas chargés par programme. Grâce à cela, ils travaillent plus rapidement dans les opérations natives. La chose la plus importante ici est la fiabilité.
- Électronique militaire, spatiale et résistante aux radiations. Ici, la technologie commence à 250 nm. Moins est tout simplement impossible, car avec une diminution de la taille des transistors, le nombre de pannes dues aux effets des rayonnements et des interférences augmente fortement. En plus de l'électronique industrielle, il s'agit généralement de microcircuits spécialisés avec des exigences de performances inférieures.
- Electronique grand public et automobile. Circuits analogiques, analogiques-numériques et microcircuits numériques-analogiques. La tendance ici est la combinaison de toutes les fonctionnalités (numériques et analogiques) en un seul cristal. En plus des transistors de puissance naturellement. Par exemple, les téléviseurs à puce unique. Le problème ici est que, en règle générale, le nombre de transistors requis est faible. Pour le fonctionnement normal de l'appareil, des dizaines de milliers de transistors suffisent aux yeux. Avec des technologies plus petites qu'un micron, toute la surface qu'elles occupent est une fraction de millimètre carré. Souvent, les plots de contact pour les conclusions occupent plus de place que la logique elle-même. Par conséquent, ils essaient de mettre tout ce qui est possible dans de tels microcircuits - une horloge électronique avec réveil, un récepteur radio et d'autres fonctions latérales dans la puce de la machine à laver. Le coût est presque le même. Il est inutile de se soucier des petits nanomètres dans une telle situation. De plus, il existe des limitations dues à la présence de transistors bipolaires analogiques et à des courants de fonctionnement notables. Cela n'a aucun sens d'utiliser moins de 90 nm, même dans la partie numérique ( UPD: amartology 28 nm based CMOS for ADC and DAC ). La situation pourrait changer avec la diffusion de l'Internet des objets (IoT).
- Étiquettes RFID. Ce sont des puces pour différentes cartes, clés électroniques, étiquettes de produits. Ils se composent d'un petit microcircuit et d'une antenne à film. Le microcircuit est constitué d'une mémoire reprogrammable basée sur CMOS et d'un contrôle de puissance induit sur des transistors bipolaires. La taille du cristal est inférieure à 1 mm 2 . Le nombre de transistors est généralement faible, il n'y a pas de puissance constante. Par conséquent, les exigences relatives au bon marché d'un transistor et à la consommation d'énergie ne sont pas pertinentes. L'essentiel est la durée de stockage de la valeur mémoire en mode passif. Comme je l'ai déjà écrit, à des vitesses inférieures à 130 nm, les courants de fuite augmentent et, par conséquent, dans les cellules, la valeur peut être perdue. Les processus technologiques en dessous de 90 nm ne sont pas seulement non pertinents, ils sont nocifs.
Remarque: l' analyse RFID est là , et bientôt il y aura un peu plus de hickporn. - Génie informatique. Processeurs, mémoire, contrôleurs. En valeur, il s'agit de la part du lion du marché de l'électronique moderne. Voici la règle: plus il y a de transistors dans la puce, mieux c'est. Contrairement aux contrôleurs spécialisés, l'ensemble des commandes et instructions est chargé par programme. D'où les exigences de performances élevées - le prix de la polyvalence.
Les entreprises russes sont capables (
note: avec réserves et exagérations) de produire les 5 premiers groupes de microcircuits, à l'exception de l'IoT. Certes, en termes de chiffre d'affaires du marché en argent, ils sont collectivement bien inférieurs au 6ème groupe.
Le sens de la miniaturisation
Certains étaient intéressés: pourquoi est-il si important de pousser le maximum de transistors par unité de surface? Ce qui rend difficile la fabrication d'un cristal plus gros ou la fabrication de 2 cristaux au lieu d'un.
Pour la technologie informatique, c'est très important. Aux fréquences modernes, il y a une limitation physique de la taille du cristal. C'est la vitesse de la lumière, c'est la vitesse de propagation d'un signal électrique. La vitesse n'est que de 300 millions de mètres par seconde (
environ: c'est pour le vide, et elle est légèrement inférieure par la constante diélectrique, en raison de la propagation dans le milieu). Dans un processeur avec une fréquence d'horloge de 3 GHz, un signal électrique passe à 10 cm par cycle. De plus, non seulement les transistors doivent changer leur état par cycle, mais tous les transitoires doivent également pouvoir résister. Pour ce faire, vous avez besoin d'un stock d'au moins 3 fois. C'est-à-dire le transistor le plus éloigné du cristal ne doit pas être éloigné de plus de 3 cm du générateur d'horloge. Le générateur est placé au centre de la puce, ce qui signifie que l'ensemble du circuit doit s'insérer dans un cercle avec un rayon de 3 cm du centre de la puce (vous pouvez vérifier sur votre PC;)). Pour un cristal de forme carrée, nous obtenons une taille maximale de 4x4 cm. Plus la fréquence est élevée, plus les tailles limites sont petites.
Dissipateur de chaleur Plus le cristal est gros, plus il est difficile d'éliminer la chaleur du centre. Et c'est lourd.
Plus les dimensions linéaires des transistors sont petites, plus la capacité parasite est petite et les transitoires plus rapides. En conséquence, une vitesse plus élevée et un courant de recharge plus faible.
Maintenant, pourquoi un processeur avec 4 millions de transistors, par exemple, vaut mieux que 4 processeurs avec 1 million de transistors chacun. Pour commencer, la question du prix. Un cristal avec 4 millions de transistors coûtera un peu plus cher qu'un cristal avec 1 million de transistors. Puisqu'ils sont créés en un seul processus technique. En plus de la puce, le microcircuit se compose également d'un boîtier et de broches en or provenant d'un cristal. Et l'or n'est pas du métal bon marché. Classiquement, pour un millionième microcircuit, 300 contacts sont nécessaires (1200 pour 4 microcircuits), pour un 4 millionième - 308. L'avantage est évident.
Ensuite, 4 microcircuits vont interagir les uns avec les autres via un bus externe, et il est plusieurs fois plus lent que la fréquence d'horloge du processeur lui-même (voir le paragraphe sur la vitesse de la lumière).
Remarque: oui, il existe une solution d'AMD avec
Infinity Fabric , mais il s'agit d'un problème distinct. Il s'avère que 4 processeurs ne peuvent fonctionner qu'en mode de tâches isolées. Alors que 4 cœurs à l'intérieur d'une seule puce peuvent fonctionner comme un cluster, distribuer rapidement les tâches et échanger à la vitesse d'horloge du processeur.
Par conséquent, le désir de rendre les transistors aussi petits que possible, et de fourrer dans le cristal tout ce qui peut être rationnellement justifié.
Perspectives
Il s'avère qu'avec les cinq premiers groupes de microélectronique en Russie, tout n'est pas si mal. Problèmes de rentabilité et de prix, mais des opportunités technologiques existent. L'informatique est plus difficile. Vous pouvez bien sûr faire du Baïkal ou Elbrus en utilisant la technologie 65 nm. C'est l'ère d'Intel Pentium 4 (
pichal! ). Mais seulement avec de telles séries rares, le coût sera prohibitif. Ou, en option, vendez en dessous du prix coûtant au détriment du budget. Et la figue? Tant qu'ils n'ont pas couvert l'opportunité, il est plus facile et moins cher de produire à Taïwan (ce qui se fait en fait).
Avec un accès au niveau mondial et aux grandes séries, il semble une obscurité désespérée. Mais ici, un rayon de lumière est apparu. Elle est associée à l'avènement de nouveaux types de mémoire électronique. Pour expliquer pourquoi l'optimisme est lié, vous devrez entrer un peu dans les détails techniques.
Les principaux types de mémoire électronique
RAM statique ou SRAM .En fait, il s'agit d'un circuit à transistors pour
les transistors à effet de champ de tous les transistors, MOSFET, JFET, BJT, HEMT. Déclencheurs logiques connus depuis longtemps.
Une cellule mémoire à six transistors est standard. Bien qu'il existe 8 et 10 transistors.
Grâce à la rétroaction croisée à l'intérieur, il stocke son état même en l'absence de signal à l'entrée. Bien qu'il y ait de la nourriture bien sûr. Les mêmes transistors MOS sont utilisés, ils ne consomment que le courant de commutation lorsque les valeurs changent. Dans un état statique, seul le courant de fuite parasite est consommé.
Avantages - vitesse de lecture et d'écriture élevée (au niveau de la fréquence d'horloge), faible consommation d'énergie, clarté du stockage des valeurs, technologie standard
Inconvénients - volatilité, grande empreinte sur la puce.
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