Conform TechSpot, în lumea cipurilor de calculator, numerele mai mari sunt adesea mai bune: mai multe nuclee, GHz mai mulți și mai multe FLOPs sunt dorite atât de ingineri, cât și de utilizatori. Cu toate acestea, există o metrică unde inversul este adevărat: cu cât mai mic, cu atât mai bine. Bine ați venit în lumea fabricării de semiconductori și a nodului tehnologic, cunoscut și sub numele de nod de proces.
Dar ce este exact și de ce continuă să se reducă? De ce este măsurat în nanometri și de ce numerele 5, 3 și 2 sunt acum subiectele fierbinți ale industriei?
Cursa pentru tranzistori mai mici nu mai este condusă doar de smartphone-uri sau computere, ci este alimentată de inteligența artificială. Cererea explozivă pentru acceleratoare AI și hardware-ul de antrenament LLM masiv a transformat fabricarea avansată de cipuri într-un activ strategic și o barieră pentru capacitatea globală de calcul. Companiile mari din tehnologie investesc zeci de miliarde de dolari în construirea și achiziționarea cipurilor care fac posibile AI.
Haideți să facem o călătorie în lumea nodurilor de proces…
Semnificația Dimensiunii Caracteristicii
Dar înainte de a ne adânci, poate ajută dacă ați citit seria noastră despre arhitectura CPU. În prima parte, descompunem modul în care funcționează procesoarele, iar în partea a doua analizăm modul în care inginerii planifică și proiectează cipurile. Cea mai relevantă parte pentru acest articol este partea a treia, unde explicăm cum sunt construite fizic cipurile. Dacă doriți un context mai profund, mai ales despre fotolitografie, acolo trebuie să mergeți – aici, ne concentrăm pe un concept pe care l-am atins doar pe scurt:
Unul dintre cei mai mari termeni de marketing asociați cu fabricarea de cipuri este dimensiunea caracteristicii.
În industria cipurilor, dimensiunea caracteristicii este legată de nodul de proces. Istoric, se referea la cel mai mic spațiu dintr-o dispunere de tranzistor. Astăzi, definiția s-a extins și s-a estompat – numărul imprimat pe cutie nu este întotdeauna numărul gravat pe siliciu. Diferite companii îl măsoară diferit, iar etichetele de proces precum “5 nm” sau “3 nm” nu mai corespund exact unei geometrii literale.
Cu alte cuvinte, în zilele noastre, nodul de proces este mai mult un termen de marketing și nu este foarte util pentru compararea metodelor de producție. Cu toate acestea, tranzistorul rămâne o caracteristică critică a oricărui procesor, deoarece grupuri de tranzistori efectuează toate calculele și stocarea de date din interiorul cipului.
Dar chiar dacă “nm” a devenit un termen de marketing, micșorarea nodurilor în cadrul aceluiași producător semnalează totuși un salt real în densitate, eficiență și performanță. Și de aceea – în ciuda tuturor neclarităților – mai mic rămâne Sfântul Graal.
De ce Contează Tranzistorii Mai Mici
Nicio activitate din lumea procesoarelor nu se întâmplă instantaneu, iar fiecare operațiune necesită energie electrică. Componentele mai mari necesită mai mult timp pentru a-și schimba stările. Semnalele au nevoie de mai mult timp pentru a traversa, iar este nevoie de mai multă energie pentru a circula electricitatea în cadrul procesorului. Simplu spus, componentele mai mari ocupă mai mult spațiu fizic, făcând cipurile în sine mai voluminoase.
În imaginea de mai sus, observăm trei CPU-uri Intel vintage. De la stânga la dreapta: un Celeron din 2006, un Pentium M din 2004 și un Pentium mai vechi din 1995. Nodurile lor de proces sunt de 65 nm, 90 nm și respectiv 350 nm.
Cu alte cuvinte, părțile critice din designul vechi de 28 de ani sunt de peste cinci ori mai mari decât cele din modelul de 17 ani. O altă distincție notabilă: cipul mai nou găzduiește aproximativ 290 milioane de tranzistori, în timp ce originalul Pentium are puțin peste 3 milioane – aproape de o sută de ori mai puțini.
Deși reducerea nodului de proces contribuie la dimensiunea fizică mai mică a designului recent și la numărul său mai mare de tranzistori, joacă un rol decisiv în avansurile Intel.
Dar iată adevărata lovitură de grație: acel Celeron generează aproximativ 30W de căldură, în timp ce Pentium emite doar 12W. Această căldură provine în principal din mișcarea electricității prin circuitele cipului. Pe măsură ce electricitatea curge, energia se disipă din cauza diverselor procese, majoritatea fiind eliberată sub formă de căldură. Deși 30 este cu siguranță mai mare decât 12, este vital să ne amintim că Celeronul are aproape de 100 de ori mai mulți tranzistori.
Având în vedere că un nod de proces mai mic oferă avantajele unor cipuri mai compacte, pline cu mai mulți tranzistori care pot comuta mai rapid – tradus într-un număr mai mare de calcule pe secundă – și mai puțină energie eliberată sub formă de căldură, apare în mod natural întrebarea: De ce nu este fiecare cip din lume fabricat folosind cel mai mic nod de proces posibil?
Să Fie Lumină! (Cumva)
În acest moment, este esențial să înțelegem un proces numit fotolitografie. Aici, lumina trece printr-un dispozitiv cunoscut sub numele de fotomasca, care blochează lumina în anumite zone și permite să pătrundă în altele. Acolo unde lumina trece, este intens concentrată într-o zonă mică. Această lumină interacționează apoi cu un strat special utilizat în fabricarea cipurilor, delimitând pozițiile diferitelor componente ale cipului.
Considerați că este analog cu o radiografie a mâinii: oasele blochează razele, acționând ca fotomască, în timp ce carnea permite razelor să treacă, rezultând o imagine care arată structura internă a mâinii.
Interesant, lumina reală nu este folosită în acest proces. Chiar și pentru cipurile mai vechi, precum Pentium, “dimensiunea” sau lungimea de undă a luminii este prea mare. Acum, s-ar putea să vă întrebați cum poate lumina să aibă vreo dimensiune, dar aceasta se referă la lungimea de undă. Lumina este o undă electromagnetică, o fuziune oscilantă perpetuă de câmpuri electrice și magnetice.
Credit imagine: Peellden – Wikimedia
Deși o reprezentăm adesea cu o undă sinusoidală clasică pentru a-i vizualiza forma, undele electromagnetice nu au cu adevărat o formă distinctă. Mai degrabă, efectele pe care le produc la interacțiune aderă la acest model de undă sinusoidală. Lungimea de undă a acestui model oscilatoriu indică distanța fizică între două puncte similare pe undă.
Imaginați-vă valurile oceanului care se lovesc de țărm; lungimea de undă este distanța dintre crestele consecutive ale valurilor. Undele electromagnetice prezintă o gamă vastă de lungimi de undă posibile, așa că le grupăm sub termenul general “spectrum.”
Mic, Mai Mic, Cel Mai Mic
În imaginea de mai jos, ceea ce recunoaștem ca fiind lumină este doar o porțiune minusculă a întregului spectru. Acest spectru include și alte entități familiare, cum ar fi undele radio, microundele, razele X și altele. În cadrul acestui spectru, lumina are lungimi de undă de aproximativ 10-7 metri sau aproximativ 0.000004 inci!
Pentru astfel de măsurători minuscule, oamenii de știință și inginerii preferă să folosească nanometri, sau “nm” pe scurt. Dacă ne adâncim mai mult într-o secțiune a spectrului, observăm că lumina vizibilă variază de la 380 nm la 750 nm.
Credit imagine: Philip Ronan, Gringer
Reamintiți-vă de menționarea anterioară a vechiului cip Celeron în acest articol, a fost fabricat folosind un nod de proces de 65 nm. S-ar putea să vă întrebați, cum pot fi create componente mai mici decât lumina vizibilă? Simplu: procesul de fotolitografie nu a folosit lumina, ci lumina ultravioletă (numită și UV).
Conform diagramei spectrului, UV începe la aproximativ 380 nm (unde se termină lumina vizibilă) și se micșorează până la aproximativ 10 nm. Producători precum Intel, TSMC și GlobalFoundries utilizează o undă electromagnetică numită EUV (Extreme Ultraviolet), care are o lungime de undă de doar 13.5 nm. Acesta este standardul actual pentru fabricarea cipurilor sub 7 nm, iar o versiune și mai avansată cunoscută sub numele de High-NA EUV (High Numerical Aperture EUV) este introdusă, permițând crearea de caracteristici sub 2 nm în dimensiune.
Aceste lungimi de undă mai scurte nu numai că permit producția de componente mai mici, dar și potențial îmbunătățesc calitatea generală a acestora. Acest lucru permite ca diversele părți să fie împachetate mai aproape una de cealaltă, ajutând la reducerea dimensiunii generale a cipului.
Diferite companii atribuie nume diferite scării nodului de proces pe care îl utilizează. Intel a folosit un nume atrăgător pentru unul dintre nodurile lor de 10 nm: P1274, dar îl reprezintă adesea ca “10 nm” pentru publicul larg. În contrast, TSMC își etichetează simplu nodul ca “10FF.”
Companiile de proiectare de procesoare precum AMD creează dispunerile și structurile adecvate pentru aceste noduri de proces mai mici, apoi se bazează pe giganții producători precum TSMC pentru producție. TSMC a avansat cu diligență cu noduri din ce în ce mai mici (5 nm, 3 nm), creând cipuri pentru clienți majori precum Apple, Qualcomm, Nvidia și AMD. În această lume a fabricării, unele dintre caracteristicile cele mai mici măsoară doar 6 nm în lățime (deși multe caracteristici sunt substanțial mai mari).
Cel mai recent, TSMC și Samsung au realizat producția de volum la nivelul de 3 nm și se pregătesc pentru noduri de 2 nm, în timp ce nodurile “Intel 3” și “Intel 18A” sunt acum livrate. Industria se mută, de asemenea, de la FinFET-uri la noi structuri de tranzistori “Gate-All-Around” (GAA) – versiunea Intel este numită RibbonFET – care oferă un control mai bun asupra scurgerilor de curent la scări atomice.
Pentru a înțelege dimensiunea extrem de mică a 2 nm, luați în considerare acest lucru: atomii de siliciu, care constituie cea mai mare parte a unui procesor, sunt distanțați la aproximativ 0.5 nm, fiecare atom având un diametru de aproximativ 0.1 nm. Prin urmare, ca o estimare brută, tranzistorii de 2 nm ai TSMC implică elemente structurale de doar câțiva atomi.
Provocarea de a Ținti spre Atomi
Lăsând deoparte realitatea uluitoare că producătorii de cipuri lucrează spre caracteristici care se întind pe doar câțiva atomi, fotolitografia EUV a ridicat o mulțime de provocări serioase de inginerie și fabricație.
Aceste provocări au devenit deosebit de urgente în era AI, unde marii giganți tehnologici și furnizorii de cloud precum Microsoft, Google, Amazon și Meta implementează zeci de mii de GPU-uri și acceleratoare de clasă 3 nm per centru de date. Cererea lor singură a tensionat lanțurile de aprovizionare globale pentru memorie de mare lățime de bandă (HBM), ambalare și unelte EUV.
În interiorul fabricii D1X a Intel din Oregon, inginerii lucrează la un sistem de litografie EUV High-NA de 165 de tone – o mașină de fabricare a cipurilor de generație următoare construită de ASML pentru a imprima caracteristici de doar câteva zeci de atomi lățime.
Intel s-a confruntat cu provocări considerabile pentru a-și adapta producția de 10 nm la eficiența procesului său de 14 nm, iar GlobalFoundries s-a confruntat cu propriul set de probleme în scalarea la 7 nm și chiar mai mici. Deși complicațiile întâmpinate de Intel și GlobalFoundries ar putea să nu fie în întregime legate de complexitățile fotolitografiei EUV, este puțin probabil ca cele două să nu aibă nicio legătură.
Cu cât lungimea de undă a unei unde electromagnetice este mai scurtă, cu atât mai multă energie încorporează. Acest nivel de energie mai ridicat prezintă un risc de a provoca daune în timpul procesului de fabricare a cipurilor. Fabricarea ultra-precisă este acut susceptibilă la contaminare și defecte în materialele utilizate. Mai mult, factori precum limitele de difracție și zgomotul statistic – variabilitatea intrinsecă în locul unde energia de la unda EUV este depusă pe stratul cipului – împiedică aspirația de a produce cipuri perfecte.
Două defecte de fabricație într-un cip.
Există și problema că în lumea ciudată a atomilor, fluxul de electricitate și transferul de energie nu mai pot fi presupuse să urmeze sistemele și regulile clasice. Menținerea electricității, sub forma electronilor în mișcare (unul dintre cele trei particule care compun atomii), curgând pe conductori apropiați este relativ ușoară la scara cu care suntem obișnuiți – doar înfășurați conductorii cu un strat gros de izolație.
Cu toate acestea, la scările la care operează Intel și TSMC, această sarcină devine descurajantă, în principal deoarece izolația nu este suficient de groasă. Totuși, pentru moment, majoritatea provocărilor de producție pot fi atribuite complexităților intrinseci fotolitografiei EUV. High-NA EUV introduce cerințe de precizie și mai mari, necesitând sisteme de lentile și materiale rezistente complet noi.
Economia și Capitalul AI
Aceasta deoarece adevărata problemă, motivul ultim din spatele dificultăților de producție, este că Intel, TSMC și toți partenerii lor de fabricare sunt afaceri, și țintesc spre atomi cu unicul scop de a genera venituri viitoare. Într-o lucrare de cercetare de acum câțiva ani, s-a oferit următoarea prezentare generală a cât de mult costă mai mult wafer-urile pentru noduri de proces mai mici…
De dragul argumentului, să presupunem că Intel a folosit un nod de proces de clasă 28 nm pentru seria sa de procesoare Haswell (cum ar fi Core i7-4790K). Sub această presupunere, trecerea la procesul său de 10 nm ar fi aproape dublat costul pe wafer. Deși randamentul wafer-ului depinde puternic de dimensiunea fiecărui cip, nodurile mai mici pot îmbunătăți uneori randamentul permițând tăierea mai multor die-uri dintr-un singur wafer – compensând parțial costul mai ridicat al fabricației. Chiar și așa, producătorii de obicei transferă cel puțin o parte din aceste cheltuieli crescute către consumatori prin prețuri mai ridicate, în timp ce încearcă să calibreze aceste creșteri în raport cu cererea pieței.
În anii 2000 și 2010, creșterea explozivă a vânzărilor de smartphone-uri – și a SoC-urilor care le alimentau – a determinat industria să urmărească noduri de proces din ce în ce mai mici. Creșterea rapidă a dispozitivelor conectate în case și mașini a adăugat la această presiune, forțând producătorii de cipuri să absoarbă pierderi financiare din primele producții cu randament scăzut, până când sistemele lor de fabricație s-au maturizat suficient pentru a produce wafer-uri cu randament ridicat în mod fiabil.
Această ecuație economică s-a schimbat dramatic în era AI.
Costurile wafer-urilor pentru nodurile de 3 nm și mai mici pot depăși 20.000 de dolari fiecare, iar costul proiectării unui nou cip poate depăși 500 de milioane de dolari. Pentru a gestiona aceste cheltuieli în creștere, majoritatea procesoarelor high-end adoptă acum arhitecturi de tip chiplet – combinând mai multe die-uri mai mici pe un singur pachet. Această abordare, popularizată de AMD, este acum utilizată de Intel, Nvidia și aproape fiecare producător major de acceleratoare AI pentru a îmbunătăți randamentele și flexibilitatea, menținând în același timp costurile sub control.
O mare parte a investițiilor de astăzi în semiconductori este acum concentrată pe hardware-ul AI. Marile companii din domeniul cloud precum Microsoft, Google, Meta și Amazon investesc colectiv peste 250 de miliarde de dolari pe an în centre de date axate pe AI. Acest flux de capital a atras întregul ecosistem de semiconductori în cursa înarmărilor AI – de la fabrici și firme de ambalare avansată până la furnizorii de memorie cu lățime de bandă mare (HBM) și producătorii de unelte de litografie EUV de la ASML.
Având în vedere că mizele ajung acum la zeci de miliarde de dolari pentru fiecare nouă generație de fabricație, riscurile sunt enorme. Acest tip de pariu financiar a fost unul dintre motivele pentru care GlobalFoundries s-a retras din cursa pentru procesele de ultimă generație cu câțiva ani în urmă și se concentrează acum pe noduri mature (12 – 65 nm), deservind piețele auto, industriale și IoT, unde stabilitatea și scara depășesc miniaturizarea de ultimă oră.
Perspective de Viitor
Dacă toate acestea sună un pic sumbru, merită amintit că perspectivele imediate sunt de fapt promițătoare. Așa cum a fost prezis cu ani în urmă, Samsung și TSMC au avut linii de producție de 3 nm în funcțiune de câțiva ani, rulările pilot pentru 2 nm sunt deja în desfășurare, iar Intel se redresează cu RibbonFET și PowerVia care alimentează cele mai noi noduri ale sale.
Mai mult, designerii de cipuri își protejează viitorul prin utilizarea mai multor noduri în produsele lor. Strategia de design chiplet a AMD cu procesoarele Ryzen a stabilit un precedent pentru alți producători de cipuri. De exemplu, procesoarele Ryzen de generația a 3-a care au debutat în 2019 au încorporat două cipuri realizate pe nodul de 7 nm al TSMC și un cip de 14 nm fabricat de GlobalFoundries. Primele au fost părțile de procesor reale, în timp ce cel din urmă a gestionat memoria DDR4 și dispozitivele PCI Express conectate la CPU.
Astăzi, acea abordare s-a maturizat și mai mult. Cipurile Ryzen 9000 și EPYC Genoa ale AMD utilizează chiplete de 5 nm și 6 nm, în timp ce procesoarele Meteor Lake și Arrow Lake ale Intel folosesc tile-uri de clasă 7 nm integrate prin ambalare 3D Foveros. Această revoluție a chipletelor și a stivuirii 3D a devenit la fel de importantă ca dimensiunea nodului în sine.
Între timp, AI nu este doar motivul pentru care fabricile avansează – devine și parte a setului de instrumente care le ajută să ajungă acolo. Învățarea automată ajută acum la optimizarea litografiei, detectarea defectelor mai devreme și obținerea unui randament puțin mai mare din fiecare wafer. Boom-ul AI atât împinge fabricația la limitele sale, cât și învață fabricile cum să supraviețuiască acelei presiuni.
Graficul de mai sus arată evoluția nodului de proces al Intel în ultimii 50 de ani. Pe axa verticală, dimensiunea nodului este prezentată în factori de 10, începând de la 10 000 nm. Traiectoria gigantului cipurilor sugerează o durată de înjumătățire a nodului (timpul necesar pentru a reduce dimensiunea nodului la jumătate de fiecare dată) de 4,5 ani.
Această proiecție s-a dovedit în mare parte corectă: până în 2025, Intel, TSMC și Samsung produc toate cipuri la clasa de 3 nm, cu 2 nm la orizont pentru 2026 – 2027. De aici, câștigurile nu vor veni doar din micșorare, ci din mersul pe verticală, stivuirea tranzistorilor în 3D și integrarea mai profundă a accelerării AI în fiecare strat de siliciu.
Rezultatul va fi cipuri mai dense, mai reci și dramatic mai eficiente – de tipul celor care fac inferența la margine posibilă în roboți mici, alimentează purtabilele care abia consumă energie și conduc centrele de date la scară exa fără a topi rețeaua electrică. Și cu siguranță, hardware-ul grafic (sau ar trebui să spunem cipuri AI?) care depășește minunile vizuale ale filmelor blockbuster de acum un deceniu sau cam așa ceva.
Viitorul este cu adevărat strălucit, pentru că viitorul este mic.
- Întâlniți Transformerele: Descoperirea Google care a rescris foaia de parcurs a AI-ului
- Ce sunt Chipletele și Viitorul Procesoarelor
- Cum Funcționează Compresia Imaginilor JPEG
- Sunt Parolele Moarte? Ce sunt Cheile de Acces și De Ce Vorbește Toată Lumea Despre Ele
- Experiență TechSpot fără reclame în timp ce ne susțineți munca
- Promisiunea noastră: Toate contribuțiile cititorilor vor merge către finanțarea mai multor conținuturi
- Asta înseamnă: Mai multe funcții tehnice, mai multe benchmark-uri și analize
