Litografia a proces litograficzny. O tym dlaczego 2+2 to nie zawsze 4

Ostatnio sporo kontrowersji wywołałem pisząc, że "proces litograficzny klasy 7 nm jest około 2,5‑krotnie bardziej gęsty od 14 nm". Jedni z was raportowali błąd, inni wysyłali mnie do szkoły podstawowej, jeszcze inni pytali jak to możliwe. Nie, nie była to kaczka dziennikarska – ale czuję się dłużny małe wyjaśnienie.

Bez dalszego przedłużania. Osoby wrażliwe na piękno mowy ojczystej ostrzegam, że tekst jest bez redakcji i bez korekty. Może zawierać literówki ;)

Jak zapewne wiecie, współczesne mikroukłady produkuje się z krzemu, a konkretniej tzw. wafla krzemowego, czyli cieniutkiego (ok. 775 µm) plastra krzemu monokrystalicznego. Czystość chemiczna materiału musi być bliska perfekcji i wynosić nie mniej niż 99,9999 proc. Ciekawostka – metodę uzyskiwania takiego właśnie krzemu opracował Polak, chemik Jan Czochralski. Szczegóły znajdziecie na Wikipedii.

Na wafla nanosi się emulsję światłoczułą, aka fotorezyst, po czym naświetla w wybranych miejscach laserem. W efekcie powstaje oczekiwana struktura.

Teraz – ten zabieg profesjonalnie określa się jako fotolitografię, ale graniczna długość fali lasera wynosi 193 nm. Tyle potrafi laser UV z fluorkiem argonu. Krótsze fale absorbuje tlen. Bezpośrednie skierowanie takiego lasera na krzem pozwala "wypalić" punkt o średnicy 105 nm. Skąd zatem współczesne 14, 12 czy 7 nm? – zapytacie.

Nanometry, ale eksamarketing

Krótko – w sieci Play też mówili, że mają już 5G. Cyferki w głównej mierze pełnią rolę marketingową. Natomiast w tym przypadku wyjaśnienie jest dość złożone i wymaga przeanalizowania dwóch odrębnych kwestii, ale spróbuję.

Fabryki od lat eksperymentują z rozbijaniem wiązki lasera. Najpierw stosowano maski przesuwające fazę, a obecnie są to układy refleksyjne. Z drugiej strony – tranzystor, podstawowy element czipu, nie jest konstrukcją prostą. Błędny jest pogląd, że procesor, czy to centralny czy graficzny, to dwuwymiarowa siatka ścieżek.

Każdy czip składa się z miliardów tranzystorów. Jeden tranzystor ma trzy elektrody: źródło, dren i bramkę. Dwie pierwsze tworzą kanał prądowy, a trzecia zmienia przewodnictwo tego kanału wskutek przyłożenia napięcia. Tranzystor musi też zostać połączony z innymi tranzystorami, zgodnie z założeniami danej mikroarchitektury. Punkty połączeń uzyskiwane są podczas kąpieli w siarczanie miedzi. Z kolei same połączenia, zwane interkonektorami, wykonuje się z miedzianej folii. W żadnym razie nie są dwuwymiarowe.

Nałożenie folii, wzorowanie, wytrawienie, izolacja, wypłaszczenie makroskopowe (aby różnica poziomów nie przekroczyła ogniskowej litografii) – i tak nawet kilkadziesiąt razy. Tak złożonej struktury nie da się zdefiniować jednym tylko wymiarem.

Historia pewnego 20, które było jak 12

Podam przykład. Zerknijcie w kartę specyfikacji procesu litograficznego klasy 16 nm TSMC, który Nvidia wykorzystywała do produkcji kart serii GeForce GTX 10. Litografia to oczywiście 193 nm, a wśród danych nie pojawia się żaden wymiar równy akurat 16 nm. Dowiecie się za to, że faza BEOL, czyli interkonektory, są zaczerpnięte jeszcze z technologii 20 nm, a obecne 12 nm to de facto ten sam proces, tylko z nieznacznie zwężoną szerokością bramki.

O krok dalej poszedł Samsung i licencjonujące od niego proces litograficzny klasy 14 nm GlobalFoundries. Radeon RX 590 różni się od modelu RX 580 właśnie technologią produkcji. Korzysta z usprawnionego 14 nm Samsung, a mianowicie 12 nm. Tymczasem obydwie grafiki mają po 5,7 mld tranzystorów i rozmiar rdzenia rzędu 232 mm kw. Dlaczego? Bo, dla odmiany, zmodyfikowano wyłącznie sposób w jaki tworzone są interkonektory, zapewniając grubszą warstwę dielektryka (izolatora) przy uproszczeniu siatki połączeń.

Trzeba przy tym pamiętać, że każdy proces litograficzny dzieli się na dwie lub trzy pododmiany: wysokowydajną, energooszczędną i czasem jeszcze wariant o podbitym zagęszczeniu. Więc to, że – na przykład – AMD Ryzen 3000, aka Zen 2, i HiSilicon/Huawei Kirin 980 powstają w procesie litograficznym 7 nm TSMC nie definiuje ostatecznie wymiarów w strukturze, a przynajmniej nie czyni ich wzajemnie zgodnymi.

Intel jako wzór uczciwości

Trochę paradoksalnie, w całym tym technologicznym bajzlu najuczciwszy okazuje się wyśmiewany za swoje "plusy" Intel. Zamiast bajerować klienta coraz niższymi wielkościami, niebiescy po prostu robią swoje, i to nierzadko na większą skalę niż konkurencja.

14 nm+ w procesorach Kaby Lake ma podniesione żebro tranzystora i rozszerzoną bramkę, względem 14 nm w układach serii Skylake, co w widocznym stopniu przekłada się na wyższe częstotliwości zegara taktującego. Choć kosztem zastosowania minimalnie wyższego napięcia zasilającego. Ale to działa. I dla użytkownika robi więcej dobrego niż przeniesienie Ryzena z 14 na 12 nm (Zen oraz Zen+).

A skąd ta 2,5‑krotna różnica pomiędzy 14 nm Intel i 7 nm TSMC? Zakładam, większość z was interesuje jedynie konkretna odpowiedź na to pytanie.

Pojedynczy kompleks Zen 2 zawiera 3,9 mld tranzystorów i ma powierzchnię około 74 mm kw. Całego procesora nie można liczyć, gdyż I/O jest budowane w procesie technologicznym klasy 14 nm. Tak czy inaczej, na 1 mm kw kompleksu Zen 2 przypada trochę ponad 52,7 mln tranzystorów.

Intel nie jest taki chętny do ujawniania detali, ale w odmętach internetu można znaleźć, że Core i7‑8700K (14 nm++) ma około 3 mld tranzystorów i powierzchnię 149 mm kw. Wychodzi 20,13 mln na 1 mm kw. Resztę zostawiam wam ;)