Техпроцесс 14 нм

Недавно Samsung рассказала о запуске массового производства однокристальных систем (SoC) Exynos 7420 с применением 14-нанометрового технологического процесса. Эти мобильные процессоры будут использоваться в будущем флагмане Galaxy S6 и ряде других корейских устройств. Для не интересующегося технологиями человека написанное выше является лишь набором слов. Но стоит копнуть чуточку глубже, совсем немного — без скучной теории и непонятных обозначений, — как станет ясно, что корейцы с легкой подачи совершили революцию на мобильном рынке или же, как минимум, сделают это в самые ближайшие месяцы.

Да, уважаемые читатели, речь о той самой Samsung, у которой наблюдается значительное падение дохода на мобильном рынке и которую Apple активно борет и вроде как побеждает. Но не все так просто и однобоко в современном бизнесе, особенно в IT-секторе. Apple действительно умудрилась серьезно пнуть конкурентов, когда создала одну из самых производительных SoC на рынке — A8X, но ведь компания разработала лишь схему, а производство готовых чипов было заказано на стороне, в данном случае у TSMC. У Apple нет собственных заводов по производству чипов, и это ее ограничивает. У Samsung такие есть, причем, как оказалось, технически они в текущий момент одни из самых совершенных в мире. Может именно в них и ушел весь доход корейского мобильного подразделения? Не будем гадать на кофейной гуще, а разберем все по порядку.

Для того чтобы понимать важность перехода Samsung на 14-нанометровый процесс производства, следует обратить внимание на реалии современного рынка мобильных чипов. Самые совершенные SoC в текущий момент создаются с применением 20-нанометрового техпроцесса — это и новейшие чипы Apple, включая упомянутый выше A8X, и Qualcomm Snapdragon 810, который появится в будущих флагманских смартфонах, и процессоры Exynos в Samsung Galaxy Alpha, Galaxy Note 4 и Meizu MX4 Pro. Причем процесс перехода с 28 нм на 20 нм оказался для производителей очень сложным. В частности, TSMC и GlobalFoundries осваивали его более двух лет, да так до конца и не освоили. У Samsung это получилось немного лучше, но компания вышла слишком поздно с ним на рынок.

Фактически самой удачливой в этом плане оказалась Apple. Она смогла выжать максимум из 20 нм в плане схемотехники A8/A8X, благодаря чему у TMSC получилось выпускать эти процессоры миллионами с достаточно низким процентом брака. Попытка применить тот же процесс для производства графических ускорителей провалилась — слишком сложные чипы и слишком большой процент брака. Кстати, практически все Android-флагманы 2014 года, включая OnePlus One, Samsung Galaxy S5, Lenovo Vibe Z2 Pro, HTC One M8 и LG G3 работают на базе 28-нанометрового Snapdragon 801.

Таким образом, те плюсы, что дает 14-нанометровый техпроцесс производства, имеет смысл сравнивать с 28-нанометровым. Для справки — при более тонком техпроцессе полупроводникового производства удается снизить энергопотребление микросхемы и повысить ее производительность. Иногда это происходит при одновременном уменьшении размера самого чипа. Но для начала сравним переход с 28 нм на 20 нм — это 20-процентный прирост производительности при 35-процентном снижении энергопотребления (транзисторы более компактные, а значит и потребляют меньше).

Стоит отметить, что Samsung не первой освоила 14-нанометровый техпроцесс производства полупроводников в принципе. Полгода назад это сделала Intel, но лишь для производства настольных процессоров Broadwell-Y, которые в плане схемотехники проще мобильных решений. Для мобильных чипов Braswell / Airmont компания планирует адаптировать его позже. А ведь Intel считается самым сильным производителем полупроводниковых чипов в мире с самым совершенным оборудованием. Быстрое и эффективное внедрение нового техпроцесса производства — это миллиардные инвестиции, это накопленный опыт и наличие высококлассных специалистов. Считалось, что только Intel под силу без сторонней поддержки переоборудовать свои фабрики под новый техпроцесс и быстро наладить массовое производство чипов на его основе. Но теперь так умеет и Samsung, причем даже эффективней, чем Intel, хотя пока речь о мобильных чипах.

Фактически у корейцев уже налажено массовое производство 14-нанометрового процессора Exynos 7420 в то время как никто еще и близко не подошел к выпуску чипов такого уровня. То есть в ближайшие полгода, а то и год Samsung будет монополистом на рынке, она получила огромное преимущество перед всеми конкурентами без исключения.

Что это дает в реальности? Так, 14-нанометровая SoC примерно на 40% быстрее, чем 28-нанометровая, и при этом потребляет на 50% меньше энергии. То есть вам не нужна огромная батарейка на 3000–4000 мАч, чтобы эффективно питать флагманский смартфон, хватит и менее емкой, а значит, финальный продукт будет тоньше и легче, чем у конкурентов, при этом производительнее.

Годами Samsung не выделялась среди других производителей смартфонов и ее собственные процессоры не могли дать ничего сверх того, что уже предлагали другие компании. Более того, Qualcomm оставался королем вечеринки вплоть до 2015 года, так как чипы этого производителя использовались практически во всех значимых устройствах, о чем упомянуто выше. То есть компаниям приходилось привлекать клиентов не техническими возможностями их смартфонов, а лишь оболочками, ведь Android-то на всех одинаковый. В этом плане у Apple было преимущество благодаря iOS. У Samsung же не получилось привлечь народ с помощью фирменной оболочки TouchWiz, которая получала и получает больше негативных откликов, чем позитивных.

Теперь же у Samsung есть самое совершенное «железо» на мобильном рынке, да и касательно TouchWiz пошли слухи, что компания максимально облегчит оболочку, что народ воспринял на ура. В то же время Qualcomm, MediaTek, Nvidia и Intel смогут массово выпускать 14/16-нанометровые мобильные процессоры лишь в 2016 году. Это не значит, что в следующем году Samsung выпустит 10-нанометровый чип и снова всех победит. Такое просто нереально в силу физических ограничений и достижений современной науки в области схемотехники. Но компания получила почти год форы, и многое будет зависеть от того, как корейцы разыграют эту карту.

Не менее интересен вопрос, а сможет ли Apple договориться с Samsung об использовании ее мощностей для выпуска 14-нанометровых чипов для iPhone будущего поколения? Судя по прошлым новостям, переговоры идут, но не факт, что корейцы дадут доступ к самому технологичному оборудованию. С другой стороны, надо ведь окупать многомиллиардные вложения и производственные линии не должны простаивать.

В любом случае есть большой шанс, что 2015 год окажется для Samsung очень удачным и позволит заткнуть большинство конкурентов на рынке Android за пояс, а то и перетянуть кого-то из лагеря iOS в свой стан. Судя по курсирующим в Сети данным касательно Galaxy S6, аппарат должен получиться выдающимся во всех отношениях (по крайней мере, модель Edge с изогнутым дисплеем). Если еще и TouchWiz станет менее громоздким, тогда другим компаниям придется очень постараться, чтобы привлечь клиентов и, скорее всего, они будут демпинговать. Естественно, мы, простые пользователи, от этого только выиграем.

(Проголосуйте первым за статью!)
🤓 Хочешь больше? Подпишись на наш Telegramнаш Telegram. … и не забывай читать наш Facebook и Twitter 🍒 iPhones.ru Недавно Samsung рассказала о запуске массового производства однокристальных систем (SoC) Exynos 7420 с применением 14-нанометрового технологического процесса. Эти мобильные процессоры будут использоваться в будущем флагмане Galaxy S6 и ряде других корейских устройств. Для не интересующегося технологиями человека написанное выше является лишь набором слов. Но стоит копнуть чуточку глубже, совсем немного — без скучной теории и…

В сентябре 2019 года Apple представила три свежих смартфона: iPhone 11, iPhone 11 Pro и iPhone 11 Pro Max. Их главной фишкой, конечно же, оказались камеры, общие принципы работы которых мы обсуждали в отдельном материале. Тем не менее, отдельного внимания также заслужил и процессор новинок. Их «сердцем» стал Apple A13 Bionic, который создан по 7-нанометровому технологическому процессу. Производитель гордится этой цифрой, ведь до неё добрались далеко не все конкуренты. А вот у Xiaomi Redmi 8 Pro чип MediaTek Helio G90T. У него все 12 нм, и кичиться здесь точно нечем…

Вообще, в мире высоких технологий нет ничего быстрее, чем самые проворные микросхемы — процессоры. Они умеют обрабатывать миллиарды операций в секунду, а на их производство уходит настолько много невероятных технологий, что даже становится жутко. Микропроцессоры пошли в массовое производство в 90-х годах прошлого столетия. С того времени они пережили несколько ступеней развития, апогеем которого стало начало 21 века. Именно тогда производителям открылись все основные свойства кремния, и это дало возможность получать максимальную эффективность при минимальных затратах.

Сегодня темпы развития процессоров стремительно падают. Кремниевые технологии быстро приближаются к пределу своих физических возможностей. Да, их частоты всё ещё увеличиваются, но эффективность работы находится в стагнации. Про это в разрезе смартфонов и не только мы расскажем в данной статье.

Что собой в принципе представляет каждый микропроцессор

Каждый микропроцессор представляет собой специальную интегральную схему, которая расположена на микроскопическом кристалле кремния. Этот материал используется только из-за того, что обладает свойствами полупроводников: он проводит электроэнергию быстрее диэлектриков и медленнее металлов. Его можно сделать и изолятором, который останавливает движение зарядов, и проводником, который зажигает для них зелёный свет. Этим параметром получится управлять с помощью специальных примесей.

Внутри микропроцессора нашлось место для миллионов транзисторов, которые объединены невероятно тонкими проводниками. Для их производства используют алюминий, медь и другие материалы — они предназначены для того, чтобы переваривать информацию. Из них складываются внутренние шины, которые дают процессору возможность работать с математическими и логическими операциями, а также управлять остальными микросхемами устройства в общем и целом.

Одним из самых важных параметров качества микропроцессора всегда была частота работы его кристалла. Именно она определяет число действий, которые могут выполняться за отведённое время — это зависит от того, насколько быстро транзисторы могут переходить из закрытого состояния в открытое. На это далеко не в последнюю очередь влияет технология производства кремниевых пластин — основного компонента процессоров. Чем они меньше, тем разогнать их частоту обычно можно до больших значений.

Технологический процесс, который используется при производстве микропроцессоров, влияет на их размер. Если обрезать количество нанометров, о котором сегодня все говорят, можно уменьшить габариты самого чипа. Это сделает его не только более быстрым — он будет выделять меньше тепла и расходовать меньше энергии. Данные показатели всегда были очень важны в полноценных компьютерах, но теперь выходят чуть ли не на первое место и в современных смартфонах.

Какие этапы проходят процессоры во время производства

Даже если верить «Википедии», производство процессоров можно разделить на полтора десятка этапов. Мы решили вкратце расписать каждый из них именно для того, чтобы стало понятно, насколько сложный это процесс. В реальности же он ещё более замысловатый, уж поверьте.

1. Механическая обработка. На этом этапе производитель готовит пластины проводника с определённой геометрией и кристаллографической ориентацией, которая не может отличаться от эталона более чем на 5%. Отдельного внимания также заслуживает класс чистоты поверхности.

2. Химическая обработка. В рамках этого этапа с поверхности удаляются все мельчайшие неровности, которые были созданы во время механической обработки. Для этого, а также для получения необходимых нюансов формы используют плазмохимические методы, а также жидкостное и газовое травление.

3. Эпитаксиальное наращивание. В данном случае проходит добавление слоя полупроводника — осаждение его атомов на подложку. Именно на этом этапе образуется кристаллическая структура, аналогичная структуре подложки, которая часто выполняет роль только лишь механического носителя.

4. Получение маскировки. Чтобы защитить слой полупроводника от последующего проникновения примесей, на этом этапе на него добавляется специальное защитное покрытие. Это происходит путём окисления эпитаксиального слоя кремния, которое становится возможным за счёт высокой температуры или кислорода.

5. Фотолитография. На этом этапе на диэлектрической плёнке создаётся необходимый рельеф. Если до данного этапа в этом пункте статьи вы мало что вообще поняли, то наша задача выполнена — вы осознали, насколько сложно создать процессор, и можете двигаться к следующему пункту.

6. Введение примесей. Здесь речь, конечно же, про электрически активные примеси, которые нужны для образования изолирующих участков, а также электрических переходов, источниками которых могут быть твёрдые, жидкие и газообразные вещества. Для этого используется метод диффузии.

7. Получение омических контактов. Кроме этого, на данном этапе также создают пассивные элементы на пластине. Для этого используется фотолитографическая обработка на поверхности оксида, который покрывает области успешно сформированных структур.

8. Добавление слоёв металла. На этом этапе будущий процессор получает несколько дополнительных слоёв металла, общее количество которых может лихо отличаться и зависит от его уровня. Между ним нужно расположить диэлектрик, в котором есть сквозные отверстия.

9. Пассивация поверхности. Чтобы правильно протестировать кристалл, нужно максимально сильно очистить его от любых возможных загрязнений. Чаще всего это происходит в деионизированной воде на установках гидромеханической или кистьевой отмывки.

10. Тестирование пластины. Для этого обычно используются зондовые головки, которые установлены на специальных установках, используемых для разбраковки пластин. Кстати, до этого самого момента они находятся в неразрезанном на отдельные части состоянии.

11. Разделение пластины. На этом этапе пластину механически разделяют на отдельные кристаллы. Сейчас это делают не только из-за удобства, но и по причине поддержания электронной гигиены. В её рамках в воздухе должно быть критически малое количество пыли, а в процессе разрезания она появится.

12. Сборка кристалла. На этом этапе готовый кристалл упаковывают в специальный корпус, который в дальнейшем герметизируют. Здесь к нему также подключают все необходимые выводы, которые нужны для его дальнейшего использования — это практически готовый чип.

13. Измерения и испытания. На данном этапе происходит проверка чипа на соответствие заданным техническим параметрам. Да, даже в настолько точном и высокотехнологическом производстве случается брак, который возрастает при увеличении сложности задачи. Отсюда и немаленькая цена.

14. Контроль и маркировка. Это пара финальных этапов в производстве чипов. В данном случае их снова проверяют, потом наносят на них специальное защитное покрытие, а также упаковывают, чтобы доставить готовое изделие конкретному заказчику.

Хронология уменьшения размера технологического процесса

’70-е:

• 3 мкм — такого технологического процесса компания Zilog достигла в 1975 году, Intel — в 1979-м.

’80-е:

• 1,5 мкм — Intel уменьшила технологический процесс до этого уровня в 1982 году;
• 0,8 мкм — уровень Intel в конце 1980-х.

’90-е:

• 0,6–0,5 мкм — компании Intel и IBM находились на этом уровне в 1994–1995 годах;
• 350 нм — Intel, IBM, TSMC к 1997-му;
• 250 нм — Intel, 1998 год;
• 180 нм — Intel и AMD, 1999 год.

’00-е:

• 130 нм — этого уровня компании Intel, AMD достигли в 2001–2002 годах;
• 90 нм — Intel в 2002–2003 годах;
• 65 нм — Intel в 2004–2006 годах;
• 45–40 нм — Intel в 2006–2007 годах;
• 32–28 нм — Intel в 2009–2010 годах;
• 22–20 нм — Intel в 2009–2012 годах;

’10-е:

• 14–16 нм — Intel наладила производство таких процессоров к 2015 году;
• 10 нм — TSMC делала такие процессоры уже в 2016-м, а Samsung — в 2017 году;
• 7 нм — TSMC, 2018 год;
• 6 нм — TSMC только анонсировала такой технологический процесс в 2019 году;
• 5 нм — TSMC начала тестирование такого техпроцесса в 2019 году;
• 3 нм — Samsung обещает делать процессоры с таким технологическим процессом к 2021 году.

Чем меньше нанометров в технологическом процессе, тем:

Выше скорость работы. В сегменте мобильных процессоров самым быстрым сегодня считается Apple A13 Bionic, который выполнен по 7-нанометровому технологическому процессу — это максимально крутое значение, которое доступно на сегодняшний день в коммерческом секторе. За уменьшением техпроцесса зачастую следует именно увеличение производительности. Она сегодня жизненно нужна для использования нейронных сетей, для дополненной реальности, работы с графикой в любом месте и в удобное время. Да что там говорить, с выходом Apple Arcade мы ждём бум мобильных игр, и для них процессор также важен.

Ниже выделение тепла. Сегодня мы акцентируем внимание именно на мобильных устройствах. Есть мнение, что в смартфонах разговоры о температуре процессоров не так актуальны, но это большая ошибка. При большой нагрузке процессоры нагреваются. Если температура становится критичной, они снижают скорость своей работы — это называется троттлингом. Чтобы избежать этого, нужно делать корпус толще, думать про дополнительный отвод тепла и так далее. При использовании более совершенного технологического процесса число подобных заморочек заметно снижается.

Меньше потребление энергии. В конце концов, уменьшение технологического процесса очень важно для увеличения времени автономной работы. Именно поэтому при оценке ёмкости аккумулятора недорого смартфона на Android не нужно сравнивать её с соответствующим показателем в iPhone и других флагманах. Даже с куда большим объёмом аккумулятора устройство может работать не так долго, как того хотелось бы. Тот же Xiaomi Redmi 8 Pro с процессором, который выполнен по устаревшему технологическому процессу (12 нм), не радует автономностью даже с достаточно большой батарейкой.

В заключение повторюсь — при выборе нового смартфона нужно не в последнюю очередь смотреть на технологический процесс чипсета. Прогресс преодолел планку в 12 нм ещё в 2016 году, поэтому в 2019-м эта цифра выглядит даже как-то смешно.

Сейчас все как ненормальные бегают и кричат о том, что новый процессор будет работать на 7-нм техпроцессе, а другой — на 5-нм, а Samsung вообще работает над 3-нм. Все это хорошо и производители любят показывать потенциальным покупателям все в виде очень простых цифр. Если они лучше, чем в прошлый раз, то все хорошо и гаджет хороший. Если такие же, то ”фу, ничего не изменилось”. Часто это не совсем так, а мы попадаем в ловушку ненужных цифр, навязанных нам производителями. Мы уже поговорили о камерах, а теперь поговорим о процессорах и поймем, нужно ли нам вообще вникать в то, что такое техпроцесс, или пусть инженеры этим занимаются.

Чипы современных устройств чрезвычайно сложны.

Где применяются процессоры

Нас окружают гаджеты! Они повсюду и уже не просто окружили нас, а буквально взяли в заложники — мы без них не можем. В каждом из них есть процессор. Иногда все ограничивается только им и другие чипы уже выполнены с ним ”в одном флаконе”. Иногда отдельно вынесены такие элементы, как видеокарта или что-то в этом духе, но любой вычислительный элемент состоит их огромного количества транзисторов.

Когда выходит новый смартфон, компьютер, ноутбук или что-то в этом духе, производитель указывает загадочные нанометры, количество которых с каждым годом уменьшается и это считается хорошим знаком и признаком технологичности. Наверное, это единственный показатель, уменьшение которого является хорошим.

Эти самые нанометры называют технологическим процессом или сокращенно техпроцессом. Что же это такое?

Смартфоны с какими процессорами обновляются дольше остальных

Что такое техпроцесс

Подавляющее большинство пользователей никогда не видели процессор, кроме, как на картинках. Некоторым посчастливилось увидеть его вживую, но не более, чем его теплораспределительную панель. Для сравнения, это как познакомиться с девушкой, но увидеть ее только в лыжном костюме. Самое интересное находится под этой пластиной. Именно там зарождается магия производительности.

Именно под пластиной расположен кристалл процессора. Он представляет из себя миллиарды даже не миниатюрных, а микроскопических транзисторов, расстояние между ними и определяется техпроцессом.

Обычно мы видим только крышку процессора, а под ней всегда самое интересное.

Самые современные процессоры (из тех, что поступили в промышленное производство) сейчас имеют 7-нанометровый (7-нм) техпроцесс. Такими технологиями на данный момент достаточно хорошо овладела тайваньская компания TSMC, которая производит чипсеты по заказу крупнейших мировых производителей, таких, как Apple, Huawei и Qualcomm. Последняя и вовсе обеспечивает львиную долю процессоров для производителей совершенно разных смартфонов на Android.

При этом, нельзя не отметить, что большее значение техпроцесса не означает, что на чипе будет меньше транзисторов. Это своим примером доказала Intel, у которой пока не очень хорошо с технологией 7 нанометров.

Утечка «спалила» график выхода многих новых процессоров Snapdragon. Когда ждать смартфоны?

Важен ли техпроцесс при выборе телефона

С каждым годом техпроцесс становится все меньше и меньше. Сейчас это 7 нанометров, в ближайшие месяцы мы увидим процессоры с 5 нанометрами, но не за горами и 4 нанометра. Samsung и вовсе, по слухам, собирается готовить сразу 3 нанометра.

Преимущество меньших значений, за которым так гонятся производители, вкладывая в это миллиарды долларов, достаточно очевидно. Чем меньше техпроцесс, тем более производительным и экономичным будет процессор. Из-за меньшего расстояния между транзисторами, данные между ними передаются быстрее, а энергии на это затрачивается меньше. Это и есть основные преимущества.

Не все компании могут угнаться за прогрессом. Intel, например, пока так и не смогла нормально наладить выпуск 7-нм процессоров.

Даже при одинаковой архитектуре, но при уменьшении техпроцесса мы получаем повышение производительности, увеличение количества ядер, снижение себестоимости производства, выделение большего места для памяти и других компонентов, так как кристалл в целом становится более компактным. Есть и другие более специфические преимущества, на которых мы сейчас не будем подробно останавливаться.

Похоже, Samsung знает, как сделать свои процессоры Exynos не такими ущербными

Какой бывает техпроцесс

На заре компьютеростроения говорить о таких величинах, как сейчас, просто не приходилось, и процессоры того времени имели техпроцесс, измеряемый в микрометрах (они же микроны). Это величина, составляющая одну тысячную миллиметра. Даже сейчас сложно себе это представить, а тогда это было и вовсе фантастикой.

Постепенно скорость уменьшения техпроцесса увеличивалась и от значений в районе 10 мкм в семидесятых годах производители пришли к величинам 0,6 мкм в 1994 году. В 1997 году счет начался на нанометры. Это одна миллионная миллиметра. Первые процессоры с таким техпроцессом имели значения в районе 350 нм.

В сентябре Huawei может опередить Apple по процессорам

В начале нулевых значение опустилось ниже 100 нм, что было прорывом и психологической отметкой, но и на этом не остановились. Так в 2006 AMD Phenom II, Athlon II и другие предложили уже 40-45 нм. Следующее двукратное увеличение плотности транзисторов произошло уже в 2012 году.

В 2016 году уже было 14-16 нм, а в 2017 Apple, Qualcomm и некоторые другие компании преодолели рубеж 10 нм. То есть десяти миллионных долей миллиметра. Только представьте себе эту величину!

Когда-то дело дойдет и до двух нанометров.

Стоит ли обращать внимание на процессор при покупке телефона

Сейчас техпроцесс современных процессоров дошел до отметки 7 нанометров. Это хороший показатель и следующим шагом будет 5 нанометров, но зацикливаться на этом не стоит. У процессора есть много других параметров, да и такое небольшое изменение техпроцесса вы вряд ли заметите.

Когда будет очередной скачек значениях техпроцесса, мы расскажем об этом в нашем Google News.

Куда важнее смотреть на другие показатели смартфона, а эти лишние 2-3 нанометра на данном этапе дадут вам преимущество, только если верить в то, что оно действительно есть. Смартфон — это сложная штука и в ней хватает других вещей, которые влияют на производительность.

Например, загруженность сторонними приложениями, скорость памяти, архитектура, требовательность приложений, с которыми вы работаете, и многое другое. В чистом виде процессор будет более быстрым и более экономичным. Конечно, если сравнивать 40-нм и 5-нм техпроцессы, то разница будет, но между этими показателями прошло несколько лет. Между моделями, выпущенными с разницей в год, не будет такой разницы в производительности.