Viser les atomes: l'art de faire des puces plus petites

Dans le monde des puces informatiques, les grands nombres sont souvent meilleurs. Plus de cœurs, de GHz plus élevés, de plus grands FLOP, tous souhaités par les ingénieurs et les utilisateurs. Mais il y a une mesure qui fait l'actualité en ce moment et le plus petit est le mieux. Mais qu'est-ce que c'est et pourquoi c'est si important? Pourquoi est-il mesuré en nanomètres et pourquoi allons-nous tous dans Sésame Street et vous apportons cet article avec les chiffres 10, 7 et 5? Faisons un voyage dans le monde des nœuds de processus …

Avant d’approfondir, nous allons passer un peu de temps sur notre récente analyse de l’architecture du processeur. Dans la première partie, nous avons abordé l'architecture fondamentale des processeurs et dans la deuxième partie, nous avons examiné la manière dont les ingénieurs les planifient et les conçoivent.

La section clé pertinente pour cet article est l'explication de la manière dont les puces sont assemblées physiquement. Si vous souhaitez comprendre en profondeur le processus de fabrication, lisez attentivement la section sur la photolithographie. Dans cet article, nous allons nous concentrer davantage sur ce point qui a été brièvement abordé:

L'un des principaux termes marketing associés à la fabrication de puces est la taille de la fonctionnalité.

Dans le secteur des puces, la taille de la fonctionnalité est liée à quelque chose appelé le noeud de processus. Comme nous l'avons mentionné dans Comment sont conçus les processeurs, Partie 3, C'est un terme assez vague, car différents fabricants utilisent l'expression pour décrire différents aspects de la puce elle-même, mais il n'y a pas si longtemps, elle faisait référence au plus petit espace entre deux sections d'un transistor.

Aujourd'hui, il s'agit davantage d'un terme marketing et peu utile pour comparer les méthodes de production. Cela dit, le transistor est une caractéristique essentielle de tout processeur. En effet, des groupes d'entre eux effectuent tout le traitement des données et le stockage des données à l'intérieur de la puce, et un nœud de processus plus petit du même fabricant est très souhaitable. La question évidente à poser ici est Pourquoi?

Rien dans le monde des processeurs ne se produit instantanément et cela ne se produit pas non plus sans nécessiter une source d'énergie électrique. Les composants plus volumineux mettent plus de temps à changer d'état, les signaux mettent plus de temps à voyager et il faut plus d'énergie pour faire circuler l'électricité dans le processeur. Sans chercher à paraître obtus, les gros composants occupent également plus d'espace physique, de sorte que les puces elles-mêmes sont plus grandes.

Dans l'image ci-dessus, nous examinons trois anciens processeurs Intel. En partant de la gauche, nous avons un Celeron 2006, un Pentium M 2004 et un très vieux Pentium de 1995. Ils ont respectivement un noeud de processus de 65, 90 et 350 nm. En d’autres termes, les éléments critiques du modèle de 24 ans sont plus de 5 fois plus grands que ceux de 13 ans. Une autre différence importante réside dans le fait que la puce la plus récente contient environ 290 millions de transistors, alors que celle du Pentium d'origine en contient tout juste plus de 3 millions. presque des centaines de fois moins.

Bien que la réduction du nombre de nœuds de processus ne soit qu'une partie des raisons pour lesquelles la conception la plus récente est physiquement plus petite et comporte davantage de transistors, elle joue un rôle important dans la capacité d’Intel à la proposer.

Mais voici le vrai facteur: Celeron ne produit qu’environ 30 W de chaleur par rapport aux 12 W du Pentium. Cette chaleur provient du fait que lorsque l’électricité est contournée dans les circuits de la puce, de l’énergie est perdue du fait de divers processus et la grande majorité est dégagée sous forme de chaleur. Oui, 30 est un nombre plus grand que 12, mais n'oubliez pas que la puce possède près de 100 fois plus de transistors.

Donc, si les avantages d'avoir un noeud de processus plus petit donnent des puces plus petites, vantant plus de transistors capables de basculer plus rapidement – ce qui nous donne plus de calculs par seconde – et moins d'énergie perdue sous forme de chaleur, cela soulève une autre question: pourquoi toutes les puces du monde n'utilisent-elles pas le plus petit noeud de processus possible?

Que la lumière soit!

À ce stade, nous devons examiner un processus appelé photolithographie: la lumière est passée à travers quelque chose appelé un photomasque, qui bloque la lumière dans certaines zones et la laisse passer dans d’autres. Là où elle passe, la lumière est fortement focalisée dans un petit spot et elle réagit ensuite avec une couche spéciale utilisée dans la fabrication de la puce, aidant ainsi à définir l’emplacement des différentes pièces.

Imaginez que cela ressemble à une radiographie de votre main: les os bloquent les rayons, faisant office de masque photographique, alors que la chair la laisse passer, produisant une image de la structure interne de la main.

Source de l'image: Peellden, Wikimedia Commons

La lumière n'est pas réellement utilisée – même pour les puces comme l'ancien Pentium, elle est trop grosse. Vous vous demandez peut-être comment la lumière sur Terre peut avoir n'importe quelle taille, mais c'est en référence à longueur d'onde. La lumière est ce qu'on appelle un onde électromagnétique, mélange continuellement cyclique de champs électriques et magnétiques.

Bien que nous utilisions une onde sinusoïdale classique pour visualiser la forme, les ondes électromagnétiques n’ont pas vraiment de forme. Il s’agit plus d’un cas où l’effet qu’ils génèrent lorsqu’ils interagissent avec quelque chose suit ce schéma. La longueur d'onde de ce modèle cyclique correspond à la distance physique entre deux points identiques: les vagues de la mer en images se jetant sur une plage, la longueur d'onde correspond à la distance qui sépare le sommet de ces vagues. Les ondes électromagnétiques ont une très grande gamme de longueurs d’onde possibles, nous les avons donc assemblées et appelons cela un spectre.

Petit, plus petit, le plus petit

Dans l'image ci-dessous, nous pouvons voir que ce que nous appelons la lumière ne représente qu'une infime partie de ce spectre. Il existe d'autres noms familiers: ondes radio, micro-ondes, rayons X, etc. Nous pouvons également voir quelques chiffres pour les longueurs d'onde; la lumière est quelque part autour de 10-7 mètres de taille ou environ 0,000004 pouces!

Les scientifiques et les ingénieurs préfèrent utiliser une méthode légèrement différente pour décrire des longueurs aussi petites que des nanomètres ou des nm. Si nous examinons une section élargie du spectre, nous pouvons voir que la lumière varie en réalité de 380 nm à 750 nm.

Source de l'image: Philip Ronan, Gringer

Revenez un peu en arrière dans cet article et relisez la partie sur l’ancienne puce Celeron – elle a été fabriquée sur un nœud de processus 65 nm. Alors, comment faire des pièces plus petites que la lumière? Simple: le processus de photolithographie n’utilisait pas de lumière, mais des rayons ultraviolets (UV).

Dans le diagramme de spectre, les UV commencent à environ 380 nm (là où la lumière se termine) et diminuent jusqu'à environ 10 nm. Des fabricants tels que Intel, TMSC et GlobalFoundries utilisent un type d’onde électromagnétique appelé EUV (extrême UV), d’une taille d’environ 190 nm. Cette petite vague signifie non seulement que les composants eux-mêmes peuvent être créés plus petits, mais que leur qualité globale peut être potentiellement meilleure. Cela permet de rapprocher les différentes pièces, ce qui contribue à réduire la taille globale de la puce.

Les différentes sociétés proposent différents noms pour l’échelle du nœud de processus qu’elles utilisent. Intel appelle rapidement leur dernier né P1274 ou "10 nm" pour le grand public, alors que TMSC appelle simplement le leur "10FF". Les concepteurs de processeurs tels que AMD créent la structure et les structures pour les nœuds de processus plus petits, puis s’appuient sur TMSC pour les produire, qui ont mis en place leurs chaînes de production en gros volumes «7 nm» plus tôt cette année. À cette échelle de production, certaines des plus petites caractéristiques ne mesurent que 6 nm (la majorité, cependant, sont beaucoup plus grandes que cela).

Pour avoir une idée de la taille réelle de 6 nm, les atomes de silicium qui constituent l’essentiel du processeur sont espacés d’environ 0,5 nm, les atomes eux-mêmes ayant un diamètre très approximatif de 0,1 nm. Ainsi, en tant que chiffre approximatif, les usines de TMSC traitent des aspects d'un transistor qui couvrent moins de 10 atomes de silicium en largeur.

Le défi de viser les atomes

Laissant de côté le fait ahurissant que les fabricants de puces travaillent pour que les fonctionnalités ne représentent qu'une poignée d'atomes, la photolithographie EUV a soulevé de nombreux problèmes d'ingénierie et de fabrication.

Intel a notamment du mal à obtenir une production de 10 nm au même niveau que celle de 14 nm et, l’année dernière, GlobalFoundries a mis un terme au développement de ses systèmes de production de 7 nm et plus petits. Bien que les problèmes d’Intel et de GF ne soient peut-être pas dus aux difficultés inhérentes à la photolithographie EUV, ils ne peuvent être totalement indépendants les uns des autres.

Plus la longueur d'onde d'une onde électromagnétique est courte, plus elle transporte d'énergie, ce qui augmente le risque d'endommager la puce en cours de fabrication; la fabrication à très petite échelle est également très sensible à la contamination et aux défauts des matériaux utilisés. D'autres problèmes, tels que les limites de diffraction et le bruit statistique (variation naturelle du dépôt de l'énergie transférée par l'onde EUV dans la couche de puces), concourent également à l'objectif d'atteindre 100% de puces parfaites.

Deux défauts de fabrication dans une puce. Source: Technologie à l'état solide

Il existe également le problème suivant: dans le monde étrange des atomes, le flux d'électricité et le transfert d'énergie ne peuvent plus être supposés suivre les systèmes et les règles classiques. Conserver l'électricité sous la forme d'électrons en mouvement (l'une des trois particules constituant les atomes), la descente de conducteurs étroitement espacés les uns des autres est relativement facile à l'échelle habituelle – il suffit d'envelopper les conducteurs d'une épaisse couche isolante .

Au niveau où travaillent Intel et TMSC, cela devient beaucoup plus difficile à atteindre car l’isolation n’est pas assez épaisse. Pour le moment, cependant, les problèmes de production sont presque entièrement liés aux problèmes inhérents à la photolithographie EUV. Il faudra donc encore quelques années avant de pouvoir dire, dans les forums, que Nvidia gère le comportement quantique mieux que AMD ou un autre non-sens similaire!

En effet, le vrai problème, la raison ultime des difficultés de production, est qu'Intel, TMSC et tous leurs partenaires de fabrication sont entrepriseset visent des atomes dans le seul but de générer des revenus futurs. Dans un article de recherche sur les affaires rédigé par Mentor, l’aperçu suivant indiquait le coût supplémentaire des plaquettes pour des nœuds de processus plus petits.

Par exemple, si nous supposons que le nœud de processus à 28 nm est le même que celui utilisé par Intel pour fabriquer leur gamme de processeurs Haswell (comme le Core i7-4790K), leur système 10 nm coûte presque le double par tranche. Le nombre de puces que chaque plaquette peut produire dépend fortement de la taille de chaque puce. Toutefois, une échelle de processus plus petite signifie qu'une plaquette peut potentiellement donner plus de puces à vendre, contribuant ainsi à compenser la hausse des coûts. En fin de compte, toutefois, une partie aussi importante que possible de ce coût sera supportée par le consommateur en augmentant le prix de détail du produit, mais cela doit être mis en balance avec la demande du secteur.

L'augmentation des ventes de téléphones intelligents au cours des dernières années, ainsi que la croissance quasi exponentielle des technologies intelligentes dans les maisons et les voitures, ont obligé les fabricants de puces à absorber le fardeau financier de passer de nœuds de processus plus petits à la maturité du système. assez pour produire des tranches à haut rendement (c-à-d. celles qui contiennent le moins de défauts possible) en grandes quantités. Étant donné que nous parlons de des milliards En dollars, c’est une activité risquée et une bonne partie de la raison pour laquelle GlobalFoundries s’est retirée de la course aux nœuds de processus.

Perspectives d'avenir

Si tout cela semble quelque peu catastrophique, nous ne devrions pas oublier que l'avenir immédiat semble positif. Samsung et TMSC non seulement exploitent leurs lignes de production 7 nm à une marge saine en termes de volume et de chiffre d'affaires, mais les concepteurs de puces planifient également en utilisant plusieurs nœuds dans leurs produits. Récemment, l’exemple le plus notable en est le design des puces AMD sur le processeur Ryzen 3900X récemment annoncé.

Ce processeur PC de bureau haut de gamme comportera deux puces fabriquées sur le nœud 7 nm de TMSC et une puce 14 nm fabriquée par GlobalFoundries. Les premiers seront les composants du processeur, tandis que les derniers géreront la mémoire DDR4 et les périphériques PCI Express connectés au CPU. En supposant que cette conception fonctionne comme prévu (et il n'y a aucune raison de douter qu'elle le devrait), nous verrons presque certainement plus de sociétés suivre cette configuration à plusieurs nœuds.

L'image ci-dessus illustre les changements de nœud de processus d'Intel au cours des 50 dernières années. L'axe vertical indique la taille du noeud par facteur de 10, à partir de 10 000 nm. Le géant des puces a suivi une demi-vie approximative des noeuds (le temps nécessaire pour réduire la taille des noeuds de moitié à chaque fois) de 4,5 ans.

Cela signifie-t-il que nous verrons un Intel 5 nm d’ici 2025? Probablement oui, malgré leur récente chute à 10 nm. Samsung et TSMC progressent dans leurs recherches sur le 5 nm, l’avenir est donc prometteur pour tous les types de processeurs.

Ils seront plus petits et plus rapides, consommeront moins d'énergie et offriront plus de performances. Ils ouvriront la voie aux voitures entièrement autonomes, aux smartwatches dotées de la puissance et de la batterie des smartphones actuels, ainsi qu'aux graphismes de jeux dépassant tout ce que l'on peut voir dans des films de plusieurs millions de dollars d'il y a dix ans.

L’avenir est bel et bien prometteur, car l’avenir est petit.

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