芯片中的7纳米制程技术:我们可以用纳米进行测量吗?解析中

Snapdragon 865,Apple A13仿生产品,AMD的新Ryzen ...我们到处都在喊叫智能手机和PC中的7nm工艺技术!这与熟悉的10和14纳米有何不同?它如何影响电池,性能和发热?然后三星和谷歌宣布推出5nm处理器,其中一些已经在谈论3nm。







英特尔一般在哪里?才勉强爬过10海里?



我们决定找出这些纳米能测量什么?衡量它们是如此重要还是仅仅是营销?英特尔真的真的过时了吗?





在介绍智能手机和计算机中的处理器之前,请先了解一些基本知识,然后说明处理器如何工作?



认识这个晶体管!所有处理器的关键元素。实际上,晶体管就是开关。电流流过-这是1,电流不流过-这是0。这允许在二进制系统中进行计数-所有处理器的基础!







以前,晶体管是真空灯泡。有条件-开启或关闭:一或零。



有很多这样的灯泡可以使一切正常工作。例如,参与制造氢弹的1946年ENIAC计算机拥有1.75万个真空管,重27吨,占地167平方米。同时,他吃了150千瓦的电。







这是值得关注的关键点之一。这些1.75万个灯泡的功耗再次为150 kW。











但是在1960年代初期,发生了一场革命-场效应晶体管的发明和开始生产。他们以硅为最初的半导体-因此,众所周知的硅树脂,啊哈,那就是硅谷!



然后就开始了!晶体管的尺寸已大大减小,以至于它们消耗的电量大大减少,占用的空间也更少。并且计算中的晶体管数量开始以惊人的速度增加!并拥有计算系统的强大功能!







1971年发布的首款工业处理器Intel 4004具有2250个晶体管。



现在,例如,在这些晶体管的A13 Bionic中,有85亿只-比地球上的人还多!那么,再见…







但是现代晶体管实际上减少了多少,它们有多小?简单的比较,易于理解-例如,一根头发!



使用7纳米工艺技术制造的近150万个现代晶体管可放在其切口上!



也就是说,您可以在人发的厚度上放置的晶体管数量是Intel 4004处理器的4倍!



为什么要减少?一切在这里或多或少都是显而易见的!



首先,晶体管越小,消耗的功率越少。您已经通过电子管的示例了解了这一点。



其次,模具中有更多的模具,这意味着生产率提高了。双重利益!







在这里,我们继续介绍技术流程或技术节点的概念-它是什么?



如果要尽可能简化,那么技术过程的价值一直以来就是晶体管通道的最小长度-如图所示,不应将其与整个晶体管的尺寸相混淆。







也就是说,技术过程的规模越小越好-这就是公司试图传达给我们的东西,但是一切都那么简单吗?



这里还有其他重要的事情:晶体管是不同的,它们不仅在尺寸上而且在结构上也不同。



经典的,平面的或扁平的晶体管在最近的2012年就不再使用了。他们让位于三维晶体管,将通道扩展到三维,从而减小了其厚度,从而减小了晶体管本身。这种结构称为FinFET,现已使用。







这项技术极大地减少了晶体管的尺寸,最重要的是,它大大增加了单位面积的晶体管数量,这是关键的性能指标之一!



但是,技术过程的概念在今天是否和几年前一样?



在整个行业中观察到一个非常重要的趋势-每个后续技术过程都比前一个过程减少30%,这有助于在保持相同功耗的情况下使晶体管数量增加一倍-例如,130 * 0.7 = 90 nm,90 * 0.7 = 65 nm,然后高达45 nm,32 nm等。



这仍然符合摩尔定律:



集成电路芯片上的晶体管数量每24个月翻一番。



这个数字游戏的背后是什么?



我们已经发现,技术过程是晶体管栅极的尺寸,即通过或不通过电流的通道的长度,而这个尺寸是关键!







但是事实证明,只有当我们谈论的是旧的32 nm时,这才是正确的-一切都是准确的,即使您使用标尺对其进行测量!并记录了该参数!



但是直到2009年,技术流程的概念及其名称才被排除在所谓的“国际半导体技术发展计划”之内!



简单来说-今天在这些过程中指示的数字仅仅是营销标签!



制造商狂奔不已,开始将10纳米,7纳米和一般5纳米称为所有材料,而有人已经在谈论3纳米!您可以将所有这些都用引号引起来,作为处理器一代的简单名称!







这是在台积电工厂使用7纳米工艺技术生产的Apple A12处理器的结构示例。注意左下角的比例尺。







如果我们比较比例并进行计算,事实证明通道宽度为8纳米,尽管该过程被正式称为7纳米。



现在,让我们比较一下英特尔的10nm工艺和台积电的7nm工艺。



顺便说一句,知道今天的台积电是一家为AMD生产处理器的公司,并且还生产Apple A13和Snapdragon 865-因此请考虑一下我们正在一次比较所有它们的芯片。







注意尺寸。您可以立即看到,英特尔的10nm与台积电的7nm几乎相同!因此,英特尔与AMD和其他制造商相差不远-他们刚刚失去了营销战吗?在这里,一切也不是那么简单!







突然之间,英特尔在某些方面甚至超越了台积电。

以10毫米Intel芯片的1平方毫米为例,与苹果,高通或AMD的7纳米晶体管相比,装配的晶体管大约多5%。



但是,与此同时,密度增加也有缺点-加热增加!



这意味着英特尔晶体更强大,但由于密度高,它们会发热更多。因此,我们得到了同样臭名昭著的节流。



台积电(TSMC)生产的处理器-苹果高通(Apple Qualcomm)和AMD(AMD)恰恰受益于更大尺寸的相同尺寸晶体管的布局。



它们的操作方式更多地是内部体系结构的问题,而不是这些过程的名称中的数字。



不要以为我忘了N7FF +架构-是的,它甚至比Intel更密集,但是如果我们谈论AMD Zen 2,ApplA13和Snapdragon 865芯片-都是基于TSMC 7FF制成的,并且它失去了Intel密度。



麒麟990 5G是唯一已经使用新型N7FF +技术通过极端UV光刻技术制造的处理器。当然,这里的晶体管密度大大增加-高达15%!











从理论上讲,制造商只是走了一条略有不同的道路,如果您展望未来,就会清楚地知道是哪一条:这标志着下一代芯片的发展。



我们对每平方毫米晶体管的密度感兴趣!







根据这些数据,英特尔在晶体管密度上超过三星和台积电的比例都超过了30%-尽管事实上我们已经在比较一家制造商的7 nm和另一制造商的5 nm。



这种增加来自何处?如何增加密度-质子将仅爆炸或仅在高级冷却系统中起作用?



不一定以这种方式。关键在于,英特尔计划改用结构完全不同的晶体管-称为HNS-水平纳米片-这将使我们取得飞跃!







但是三星也有类似的计划-他们朝着全能门FET结构走了另一条路。







这就是现实中的样子-并不是那么可爱,但请考虑一下它们有多小!



结果,我们意识到在7 nm和5 nm的市场名称背后,有一场架构之战,并且将来我们将能够找出谁的道路是正确的。



可以肯定地说-在未来几年内,我们将在所有移动和台式机芯片中实现巨大飞跃。







关于这一点,我不想结束处理器的主题,因为我们研究了很多信息和文档,包括在生产过程中对其进行整理。例如,您听说过此过程“极紫外光刻”吗?如果在手指上,这是一种幻想-激光撞击后,一滴锡变成等离子:这就是现代处理器的制造方式。但是这些装置本身只能由世界上的一家公司来创建,所有巨头都依赖它。



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