Proces technologiczny – to hasło pojawia się przy premierze wielu nowych smartfonów czy podzespołów komputerowych, wykorzystujących najnowsze technologie. Jak litografia wpływa na układ scalony?
Proces technologiczny – co to takiego?
Pojęcie procesu technologicznego jest jednym z najważniejszych terminów związanych z działaniem procesorów centralnych (CPU) i graficznych (GPU). Odnosi się ono do architektury, czy też budowy procesora.
Pierwszym krokiem prowadzącym do stworzenia procesora (układu scalonego) jest określenie ram jego działania. Jedne procesory przygotowane są do wykonywania różnorodnych obliczeń (np. architektury x86 i ARM). Inne z kolei wyłącznie do danego zadania. Przykładem takich układów są procesory graficzne.
Istnieją również SoC (System on a Chip), czyli jednostki integrujące CPU, GPU, pamięć RAM, kontrolery portów (np. USB) itd. Układy SoC wykorzystywane są np. w smartfonach.
Drugim etapem jest stworzenie opisu wszystkich komponentów potrzebnych do zbudowania procesora. Znając je, można przejść do kolejnego etapu. Jest nim stworzenie topografii procesora, czyli schematu pokazującego rozmieszczenie poszczególnych części układu.
Następny krok to już odejście od deski kreślarskiej i przejście do właściwej części procesu technologicznego. Fachowo zwany jest on fotolitografią. Stąd biorą się inne jego nazwy – litografia i proces litograficzny.
Sprawdź też: Qualcomm Snapdragon – wszystko o najpopularniejszym procesorze dla smartfonów
W temperaturze 1400 ℃ topiony jest polikrystaliczny krzem. Po zmianie w ciecz w tyglu umieszczany jest zarodek krzemu monokrystalicznego. Odpowiednio dobierając tempo i temperaturę, wyciąga się zarodek, na którym osadza się ciecz. W ten sposób uzyskuje się tzw. walec krzemowy, który po późniejszym pocięciu jest podstawą układu scalonego.
Na tym etapie bardzo istotna jest sterylność. Aby walec uzyskał czystość na poziomie 99,9999%, stosuje się substancje niewchodzące w reakcję z krzemem. Z tego względu tygle wykonane są z tlenku krzemu.
W procesie tym nie biorą również udziału ludzie. Tworzenie wafla krzemowego odbywa się w maszynie wypełnionej gazem obojętnym, czyli np. azotem lub którymś z gazów szlachetnych.
Proces ten, zwany metodą Jana Czochralskiego, pozwala przejść do kolejnego etapu. Jest nim pocięcie walca na cienkie plastry o przekątnej od 2 do 12 cali i grubości od 275 do 775 µm (mikrometrów).
Na tak uzyskany wafel krzemowy nakładany jest fotorezyst, czyli emulsja światłoczuła. Jest on następnie oświetlany wiązką lasera, a później wywoływany. W ten sposób uzyskuje się stworzoną podczas rysowania topografii strukturę. Na koniec przeprowadza się proces wytrawiania, czyli usuwania fotorezystu.
Czy nowszy proces technologiczny oznacza, że urządzenie będzie szybsze?
W celu wyjaśnienia tej kwestii należy wrócić do oświetlania laserem wafla krzemowego, które ma kluczowy wpływ na proces technologiczny. Czym jest ten laser?
Jest to układ optyczny o wiązce o długości 193 nm (nanometrów) pozwalający stworzyć punkt o rozmiarze do 105 nm. Oznacza to, że przy samej tylko jego pomocy np. litografia 14 nm nie jest możliwa do uzyskania.
Aby taką wartość otrzymać, stosuje się maski. Są to szablony rozbijające wiązkę lasera na fale o mniejszej długości. Zamiast masek wykorzystywane są do tego celu również soczewki tworzące układy refleksyjne.
Wydawać by się więc mogło, że wykorzystanie masek lub soczewek rozwiązuje problem litografii. Istnieją jednak jeszcze inne parametry, na które składa się proces technologiczny. Co to takiego? Wielkość wafla oraz budowa tranzystora.
Tranzystor nie jest dwuwymiarowy, a trójwymiarowy. Elementy, z których się składa, to trzy elektrody – źródło, dren i bramka. Dwie pierwsze służą do wytwarzania kanałów prądu, czyli ścieżki, po której będzie on płynął. Trzecia zaś do zmiany przewodnictwa napięcia, czyli przenoszenia ładunku elektrycznego między dwiema pierwszymi pod wpływem zewnętrznego źródła prądu.
Każdy tranzystor ma powiązania z innymi. Połączenia te zwane są interkonektorami. Szybkość wymiany danych między nimi zależy nie tylko od długości połączeń, ale również choćby od grubości miedzianej folii, z których są wykonane oraz szerokości bramek.
Opisanie trójwymiarowego układu przy pomocy samej długości (czyli np. 14 nm) nie oddaje więc całości budowy tak złożonego podzespołu, jak procesor – parametr ten nie pozostaje jednak bez znaczenia.
Ważna jest bowiem powierzchnia wafla krzemowego. Każdy procesor składa się z miliardów tranzystorów. Niższa litografia pozwala rozlokować je gęściej, co wpływa na szybszy transfer danych między nimi. Dzięki temu można też zmieścić więcej tranzystorów na mniejszej powierzchni.
Aby to zobrazować, warto posłużyć się przykładem, porównując karty graficzne AMD Radeon RX 6600 XT i NVIDIA GeForce 3060. AMD zastosowało 7 nm proces litograficzny, co daje 11 mld tranzystorów umieszczonych na powierzchni 237 mm². NVIDIA w swoim GPU wykorzystała wafel o powierzchni 276 mm² przy 13 mld tranzystorów. Choć więc jest ich więcej, to proces litograficzny 8 nm powoduje, że są rozmieszczone dalej od siebie. W rezultacie litografia 7 nm w kartach AMD zapewnia wyższą wydajność.
Proces technologiczny a czas pracy na baterii
Związek między procesem technologicznym a szybkością działania urządzenia to jednak nie wszystko. Równie ważna jest korelacja między zastosowanym procesem a zużyciem energii.
W tym przypadku zachodzi prosta zależność – im gęściej rozlokowane są tranzystory na waflu krzemowym, tym niższe jest zużycie energii. Krótsza droga pomiędzy nimi jest, jak już wiadomo, jednym z czynników wpływających na wydajność.
Wyższa wydajność oznacza z kolei możliwość pracy procesora w niższej temperaturze. Redukuje to tempo pracy układu chłodzenia. Im wolniej może pracować, tym mniej prądu pobiera. Wszystko to przekłada się na mniejszy pobór energii. Z tego właśnie względu np. litografia 5 nm jest mniej zasobożerna niż 7 nm.
Najpopularniejsze procesy technologiczne wiodących producentów
Największe koncerny tworzące procesory niezmiennie udoskonalają litografie swoich procesorów. Przykładem jest Intel. Rok 2021 jest dla tej firmy czasem znaczących zmian. Od premiery Intel Broadwell w 2015 roku w procesorach tej firmy wykorzystywano litografię 14 nm. Najnowsze Alder Lake są wykonywane w procesie 10 nm.
W 2022 roku innowacja zajdzie również w Samsungu. Dotychczasowe procesory w litografii 5 nm zostaną udoskonalone. Podobnie jak TSMC, najnowsze układy Samsunga będą tworzone w procesie 3 nm. Klientem koreańskiego koncernu zostało AMD, które wykorzysta nową litografię w przyszłych procesorach Ryzen. Na razie jednak najnowsze AMD Ryzen 7000 będą tworzone w litografii 5 nm.
Sprawdź też: Undervolting – co to jest? Jak przeprowadzić undervolting procesora i karty graficznej
AMD nie próżnuje również na rynku procesorów graficznych. We flagowych GPU Radeon RX 7000 postawiono na nową architekturę RDNA3, co pozwoliło zmienić proces technologiczny z 7 nm do 5 nm. Od głównego konkurenta nie odstaje też NVIDIA. Architektura Lovelace pozwoli m.in. na 5 nm litografię w GeForce’ach RTX 4000.
Procesor to skomplikowany układ, którego nie sposób opisać jedną tylko miarą. I choć nie jest ona bez znaczenia, pamiętać należy, że pojawiające się w specyfikacji liczby wykorzystywane są jako wdzięczny slogan marketingowy. Znajomość szczegółów danej technologii jest więc istotna. Nie tylko bowiem pozwala potencjalnemu klientowi poszerzyć wiedzę, ale także ułatwić dokonywanie świadomych wyborów.
