Процессоры, технологии - штрихи истории

на страницах сайта 

www.electrosad.ru

Уже встретили 2011, приближается 2012 год, посмотрев старые прогнозы, в том числе и Intel и сравним их с сегодняшней ситуацией попробуем оценить перспективы развития процессоров и компьютерной техники.
Нам всегда хочется чтобы новое пришло раньше, но я всегда был за трезвую оценку перспектив. Такие оценки не расхолаживают и помогают находить новые пути и преодолевать преграды.

 

 

Вспомнил старую статью "Будущее технологии КМОП", Рэндэлл Айзек, 16.10.2000 [5] и стало интересно сравнить то о чем писал автор в 2000 году как анализ предыдущего десятилетия и что, по его мнению, ожидало нас впереди. Тем более интересно сравнить с реалиями промышленности и посмотреть немного вперед.

 
  "Будущее технологии КМОП", Рэндэлл Айзек, из 2000 г. [5] Реалии и ближайшее будущее
Развитие
тех. процесса

а

в
Тактовая
частота
устройств.

б

г

Рисунок 1.

На рисунке 1 а,б приведены прогнозы А. Ранделла вплоть до 2010-2015 годов.

Рисунок 1.а - показаны перспективы освоения технологических норм при производстве КМОП чипов, показана реальная тенденция. Правда некоторые скажут 2011 год Intel уже работает на уровне 32 нм, но можно ли считать 32 нм процесс полностью заменившим 45 нм в промышленности и даже на той же самой компании Intel?

На рисунке 1.в показана реальная характеристика до текушей даты и мой прогноз до 2020 года. Они почти полностью совпадают с рис.1.а.

 

На рисунке 1.б - показаны перспективы роста тактовой частоты причем прямая линия показывает тот рост тактовой частоты, который определяется снижением размеров транзисторов при переходе на более тонкие технологические процессы. Но реальный рост тактовой частоты не может продолжаться бесконечно. А. Ранделла предсказал появление на тактовых частотах более нескольких гигагерц. Думаю, хоть и реальный предел 4ГГц отличается от прогнозировавшейся, но общая тенденция предсказана правильно. Реальная ситуация отражена на рис. 1.г.

Причиной остановки роста тактовой частоты являются:

  1. рост тепловыделения в процессоре за счет возрастающих потерь в его структуре (описано на сайте);
  2. в том числе явления описанного ниже А. Ранделлом.

 

Цитата:
Размеры процессора приходится уменьшать из-за увеличения числа транзисторов на единицу площади, а не общего числа транзисторов, требуемых для процессора. С ростом тактовой частоты допустимые габариты процессора уменьшаются быстрее, чем реальные размеры.
Их тактовая частота скоро будет исчисляться гигагерцами. Для 10-гигагерцевого процессора, который, возможно, появится к 2010 году, время такта составит 100 пс. Поскольку скорость света в вакууме составляет 0,3 мм/пс, то за 1 такт свет может пройти 30 мм. В среде же, состоящей из типичного диэлектрика, свет пройдет порядка 15-20 мм, что примерно соответствует размеру современного кристалла. Согласно фундаментальным законам физики, за определенное время информацию нельзя передать на расстояние большее, чем за то же время может пройти свет. Из-за практических ограничений в реальности предел расстояния передачи еще меньше.
К счастью, метод иерархической разводки позволяет разместить все высокочастотные части схемы на небольшой площади, и выполнять передачу информации на большие расстояния за более длинные такты. Тем не менее ограничение по размеру – серьезное препятствие на пути дальнейшего выполнения закона Мура в части роста размера кристалла.
Рэндэлл Айзек, 2000 г.

 

Почему я и обратил внимание на данный прогноз, удивительная точность в ожидаемых тенденциях и  характерных точках. И этот прогноз сделан в 2000 году.

 

Теперь посмотрим на эволюцию тех. процессоров за прошедшее время.

 

Но сначала надо оговорить принцип, годом освоения технологического процесса нельзя считать год получения первых транзисторов по новому технологическому процессу, как и выпуск первых образцов чипов (тем более другого назначения). Практика показывает на отладку технологического процесса (особенно с уменьшением размеров транзисторов) требуется все больше времени. Я бы даже сказал, что освоением техпроцесса можно считать только ситуацию когда выход годных чипов достигает процента делающего производство рентабельным.

 

Даже с 2000 года (0,13 мкм) технологии шагнули далеко вперед, и сейчас обсуждаются техпроцессы менее 32 нм и отрабатываются элементы 22 нм техпроцессов, а число транзисторов на чипе процессора, за это время, возросло почти в 20 раз.

На рисунке 2 показаны изменения размеров транзистора (толщины затвора) за период с 2000 - 2001 года по настоящее время.

 

серийный серийный образец 2006 года дата получения образца дата получения образца
а) 0,13 мкм
техпроцесс
б) 65 нм
техпроцесс
в) 45 им
техпроцесс
г) 32 нм
техпроцесс
д) 22 нм
техпроцесс
Рисунок 2.
 

Рис. 2 д. Разрез полевого транзистора интегральной схемы, полученного с применением двух двойных «паттернирований». Снимок на просвечивающем электронном микроскопе [1].

 

Историю техпроцессов сведем в таблицу 1. и на рис.1 в.

 

Год 1981 1982 1989 1992 1993 1995 1997 1999 2001 2003  2006  2008  2011 2013 2015 2017 2020
Техпроцесс мкм
1 публикации 2010 г 3 1,5 1 0,8 0,6 0,35 0,25 0,18 0,13 0,9 0,065 0,045 0,032 - 0,022 - 0,010
2  по данным [6] 3 1,5 1 0,8 0,6 0,35 0,25 0,18 0,13 0,9 0,065 0,045 0,032 0,028 0,022 - 0,014
3  мой
прогноз
3 1,5 1 0,8 0,6 0,35 0,25 0,18 0,13 0,9 0,065 0,045 0,032 0,028 0,022 0,018 0,014

Таблица 1.

 

В таблице 1:

Строка 1 - данные развития и шага тех. процесса на последние годы даны по данным прогнозов Intel и публикаций на конец 2010 года,

Строка 2 - данные развития и шага тех. процесса на последние годы даны по данным [6],

Строка 3 - данные развития и шага тех. процесса на последние годы даны по моему прогнозу.

Более того, в строке 3, прогнозируется изменение шага тех. процесса до Δ < 1,27 и уменьшение роста числа транзисторов на чипе. Кроме того прогнозируется следующий шаг тех. процессов 32 нм, 28 нм, 22 нм, 18 нм и 14 нм. Похоже последнее подтверждается и появившимися последнее время публикациями.

Но даже этот ряд с большой вероятностью будет продолжать корректироваться, и очередная корректировка ожидается после массового освоения 22 нм тех. процесса. Именно массового освоения, а не экспериментальных или пробных чипов.

 

Дополнительная информация
[1] Результат анализа компании SEMATECH возможного применения различных технологий литографии к производству микропроцессоров по стандартам 45-32-22нм от 2008 года дает такой расклад по годам:

 

Преобразуем таблицу в график,

где по горизонтали отложены годы (те же что и в таб.1), а по вертикали Δ - отн. изменение шага техпроцесса за приведенный отрезок времени.

 

Рисунок 3.

 

На графике видим, так называемую S - кривую, характеризующую развитие технологий микроэлектроники.

Здесь:

 - участок 1(левее зеленой вертикальной линии), область экстенсивного развития соответствующая первой редакции "закона Мура", когда удвоение числа транзисторов происходило за 1 год;

 - участок 2 (центральный), область развития технологий соответствующая текущей версии "закона Мура", когда удвоение числа транзисторов происходит каждые 2 года;

 - участок 3 (правее синей линии), область развития технологий соответствующая будущей версии "закона Мура", когда удвоение числа транзисторов происходит каждые 4-5 лет.

 

Заключение

Я не первый раз говорю о приближающемся конце гонки компаний за тонкие тех. процессы. Единичные проблемы, периодически возникающие в процессе разработки чипов новых поколений, иногда и с некоторой задержкой, решались. Но теперь есть прямые признаки указывающие на снижение шага изменения тех.процесса (рис.3). На это оказывают существенное влияние и процессы описанные на сайте в статье  "Некоторые особенности схем цепей распределения питания скоростных СБИС на МОП структурах" и в том числе эффект который описал А. Рэндэлл еще 2000 г.

 

Теперь об этом начали говорить и специалисты.

 

Интересная статья на эту тему В. Цветова "Развитие классической микроэлектроники. Ожидаемые физико-технические пределы" опубликована в журнале "Электроника НТБ", №3, 2010 г.

Согласно ITRS-2007 (прогноз организации International Technology Roadmap for Semiconductors от 2007 года), пределом масштабирования станут минимальные размеры элементов классических МОП-структур, составляющие 11–22 нм. Это обусловлено как техническими возможностями технологического оборудования (что в принципе решаемо, при достаточных вложениях средств), так и особенностями структуры МОП-транзистора (см. источник).

 

И как подтверждение этих прогнозов:

В США создана программа Nanoelectronics Research Initiative– NRI ("Инициативные исследования в наноэлектронике"), первоочередная цель которой – разработка к 2022 году электронных компонентов, способных прийти на смену КМОП-микросхемам. В программе участвуют шесть крупнейших электронных компаний США – IBM, Intel, Texas Instruments, AMD, Freescale Semiconductors и Micron Technologies.

 

Ближайшее десятилетие покажет, где предел в тех. процессах.

 

Не технический порог, который в принципе может достичь и 14 нм, но есть еще и экономическая целесообразность и едва ли кто захочет платить 10000$ за процессор выполненный по 14 нм тех. процессу.

А если и найдется, то будет таких любителей немного.

 

Литература, ссылки.

1. Нанолитография в микроэлектронике, 2011 г, Р.П. Сейсян, полный вариант в виде zip архива с pdf - файлом

2. Прошлое и будущее процессоров, 2002 г, А. Сорокин

3. Техпроцессы,ч.1, ч.2, 2002-2003 г, А.Сорокин

4. Процессоры - 2012 год = 10 нм?, 2009 г, А. Сорокин

5. Будущее технологии КМОП, Рэндэлл Айзек, 16.10.2000,

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/ Технологический процесс в электронной промышленности, 2011 г

7. Развитие классической микроэлектроники. Ожидаемые физико-технические пределы, В. Цветова  журнал "Электроника НТБ", №3, 2010 г.

 

А. Сорокин,

март 2011

Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.©

2002-2012