Apple, Huawei, Qualcomm: кто и зачем выпустит чипы 7 нм в 2018 году?

Осень этого года ознаменовалась появлением iPhone c чипсетом на 7-нм техпроцессе, а уже в середине октября мы увидим ещё и Huawei Mate 20. Но что очередной технологический виток означает для обычного пользователя? И сколько ещё будет продолжаться гонка производителей за нанометрами?

Зачем уменьшать техпроцесс?

За словами «технологический процесс» кроется разрешающая способность литографического оборудования, задействованного в производстве чипов. Проще говоря, это размер «точки», с которой оборудование способно работать: экспонировать, осаждать, травить и так далее. Размеры «точек» действительно микроскопические, сейчас минимальная цифра — 7 нанометров (миллиардных частей метра). И чем меньше значение, тем компактнее чипы, а значит, лучше их характеристики.

В конце 90-х производители чипов смогли за пару лет уменьшить техпроцесс на 50-100 нм. Со временем разница между соседними поколениями неуклонно уменьшалась: в начале 2010-х шаг составлял всего 6 нм, а сейчас борьба идёт за каждую пару нанометров.

График уменьшения техпроцесса с течением времени

Почему столь важно уменьшать техпроцесс? Ответ прост: размер каждого из миллиардов транзисторов, составляющих микрочип, становится меньше. Более компактным транзисторам нужно меньше электроэнергии для работы. В результате снижается общее энергопотребление чипа. Кроме того, так удаётся разместить на плате того же размера больше транзисторов. Это ведёт к увеличению производительности каждого поколения процессоров без изменения энергопотребления или даже с его уменьшением.

Такая оптимизация с каждым годом требует более изощрённых технологий и разработок. Если сравнить производство чипов десятилетней давности и современное, разница не только в оборудовании и материалах. Существенно изменилась конструкция транзисторов: стала использоваться пространственная конфигурация FinFET, о преимуществах которой мы уже писали. По прогнозам учёных, минимальный размер затвора такого транзистора может составлять 5 нм. Поэтому технология FinFET наверняка будет использоваться и в следующем поколении процессоров.

Затвор FinFET-транзистора выполнен в виде ребра (англ. — fin)

Ещё одно многообещающее направление — EUV-литография. То есть фотолитография в жёстком ультрафиолетовом свете, позволяющая уменьшить техпроцесс путём уменьшения диаметра пучка света. Как утверждают компании TSMC и Samsung, к внедрению EUV-литографии они уже готовы.

Планы производителей

Сейчас есть лишь один производитель, способный делать 7-нанометровые чипы. Это китайская — точнее, тайваньская — фирма TSMC. В производстве она всё ещё использует проверенную временем DUV-литографию (фотолитография в глубоком ультрафиолетовом свете). Техпроцесс 7 нм был достигнут путём других улучшений производства, в частности более точным позиционированием фотошаблонов.

Сейчас на мощностях TSMC изготавливают 7-нанометровые чипы для трёх брендов. Это A12 Bionic, используемый в новой линейке iPhone, и HiSilicon Kirin 980, разработанный Huawei. Процессоры Qualcomm Snapdragon 855 тоже делают на фабриках TSMC, но пока их только рассылают в виде образцов OEM-партнёрам.

В этом году смартфоны на 7-нм архитектуре выпустят только Apple и Huawei.

Три модели айфона с Apple A12 уже держат путь в магазины по всему миру. А Huawei Mate 20 и Mate 20 Pro с Kirin 980 на борту представят 16 октября.

Чуть ранее, на презентации нового чипсета, компания Huawei немного лукаво сравнивала Kirin 980 со Snapdragon 845 (а не, например, с тем же Kirin предыдущего поколения). Впрочем, заявленные результаты в виде увеличившейся на 22% производительности и сниженного на 32% энергопотребления выглядят вполне правдоподобно. И совпадают с прогнозами экспертов.

В ближайшем будущем TSMC сделает ставку на новую EUV-литографию. Если верить заявлениям тайваньской компании, уже сейчас на её заводах вовсю штампуют процессоры по так называемому 7-нм+ техпроцессу. По заявлениям компании, новые технологии позволят уменьшить энергопотребление ещё на 10%, а плотность размещения транзисторов — на 20%. Ну а смартфоны со свежими SoC мы, скорее всего, увидим в первой половине 2019 года.

Samsung, имеющая собственное производство процессоров, сейчас выглядит догоняющей. Но компания просто решила не размениваться на улучшения DUV-литографии, бросив все силы на EUV. Начать изготовление перспективных чипов корейский гигант планирует в конце этого года.

Вероятно, первый 7-нм Exynos мы увидим в следующем флагмане линейки Galaxy.

Завоевание рынка гаджетами на базе 7-нм архитектуры ещё только предстоит, но вендоры уже не стесняются строить планы относительно 5- и даже 3-нанометрового техпроцесса. В этом должна помочь не только EUV-литография, но и новые конструкции транзисторов. Наиболее перспективной разработкой сейчас считаются GAAFET-транзисторы — затвор контактирует с истоком и стоком со всех четырёх сторон (а не с трёх, как в современных FinFET). Аббревиатура GAAFET означает «полевой транзистор с круговым затвором».

Различные типы транзисторов. В верхнем правом углу показана структура GAAFET

Пока о конкретных планах покорения 3 нм заявила лишь компания Samsung. Она собирается сделать это с помощью собственной реализации GAAFET, правда, не раньше 2022 года. Что касается 5-нм, их Samsung и TSMC планируют вывести на стадию массового производства в 2020-м.

За уменьшение приходится платить

Возникает вопрос: а как же остальные компании? Выше мы упоминали производителей мобильных решений, но ведь есть и другие важные игроки, вроде Intel и GlobalFoundries (основной поставщик AMD). У этих гигантов возникли сложности даже с 10-нм — масштабный релиз таких процессоров Intel откладывает уже второй год. (Про ограниченные выпуски ноутбучных Cannon Lake помним, но не берём их в расчёт.) Как получилось, что всемирно известные компьютерные бренды оказались в роли догоняющих?

Ответ прост —  короткий жизненный цикл мобильных гаджетов и постоянно растущий рынок позволяют окупить новые разработки намного быстрее, чем более медлительный и стагнирующий рынок ПК. Конечно, рано или поздно и лидеры прошлого возьмут планку в 7, 5 и даже 3 нм. Однако серьёзных прорывов теперь стоит ожидать именно от компаний вроде Samsung и TSMC.

Взлёта цен на процессоры, скорее всего, не произойдёт.

Производители прекрасно понимают, что в таком случае покупатели предпочтут более доступные чипы предыдущего поколения.

Помимо финансовых вопросов, есть и другие сложности: современные методы EUV-литографии дают слишком много дефектов. И непонятно, удастся ли полностью от них избавиться или хотя бы свести к минимуму.

Где предел гонки за нанометрами?

По предварительным прикидкам, минимально допустимый техпроцесс может быть достигнут к 2025 году. Несмотря на сказанное, вопрос о том, что считать «минимальным техпроцессом», по-прежнему открыт. С одной стороны, TSMC уже не стесняется строить планы по освоению 2 нм, с другой — затея может оказаться настолько дорогой, что не окупится даже в долгосрочной перспективе.

Дорожная карта уменьшения размеров транзисторов в микросхемах

Кроме того, уже сейчас покорению более тонких техпроцессов начинают мешать не только производственные ограничения, но и законы физики. Когда толщина затвора транзистора составляет считанные десятки атомов кремния, появляются нежелательные квантовые эффекты. Удастся ли решить эти проблемы или, может быть, найти альтернативу кремниевой электронике? Узнаем совсем скоро.

Нравится4
Комментарии (6)
  • Что то мне подсказывает что теперь сотни лучших учёных ищут замену кремниевой основе. Всем теоретикам наверное давно понятно что ниже 1-2 нм кремний уйти уже не даст, так что этой проблемой скорее всего занимаются уже много лет.
  • Rakot013
    так уже давно пытаются квантовые компьютеры запилить, дотянув их по компактности и энергопотреблению к настольным решениям на кремниевой основе...
  • Rakot013

    Так есть же замена, графен, только его тоже надо до ума довести.
  • Fanatik113
    Он даёт возможность шагнуть за черту 1нм?
  • Та ну нафиг. 7нм на айфоне хватит на 10 лет с головой.
    Только обеими руками за, но ктож будет батарею придумывать? Литий-Ион уже сколько на рынке и никто не может придумать новое?
  • если бы ещё По нормально писали и при том не были такими криворукими, да ещё бы производители ПО не вступали в сговор с производителями железа, то даже сейчас бы более чем хватало бы 45 нм.
B
i
u
Спойлер