Ангстремная эра, транзисторы RibbonFET и технология PowerVia
Первая половина 2024 г., согласно планам Intel, ознаменуется наступлением эры ангстрема, в которой некоторые физические характеристики чипов можно будет выразить только в десятых долях нанометра – ангстремах (десятимиллиардных долях метра).
Первый техпроцесс Intel новой эры будет иметь обозначение 20A (A – angstrom, ангстрем), однако это не значит, что транзистор обязательно будет соответствующего размера. Тем не менее, технология производства Intel 20A предусматривает использование новых транзисторов под названием RibbonFET. Это первый транзистор Intel с кольцевым затвором (GAA, Gate-all-around) и первый транзистор новой архитектуры, выпущенный Intel с 2011 г.
RibbonFET отличается от используемых сейчас FinFET тем, что в первом каждый из четырех его каналов окружен затвором не с трех, а с четырех сторон. Такая конструкция, по оценке Intel, позволяет увеличить скорость переключения устройства при использовании такого же управляющего тока.
Схематичное изображение транзистора RibbonFET с кольцевым затвором
Кроме того, в техпроцессе Intel 20A чипмейкер планирует использовать технологию PowerVia – подачу питания с обратной стороны кристалла через межкремниевые соединения. Запуск Intel 20A ожидается в 2024 г. В частности, продукция Qualcomm будет выпускаться по техпроцессу Intel 20A, однако пока не известно, что это будут за чипы.
Российские ИТ-разработчики получили миллионы рублей на онлайн-хакатоне Moscow City Hack
Инновации и стартапы
На начало 2025 г. намечено освоение техпроцесса Intel 18A. Именно тогда Intel рассчитывает внедрить EUV-литографию с высокой числовой апертурой (High-NA EUV).
Проблемы Intel и пути их решения
Intel испытала серьезные проблемы с внедрением 10-нанометрового техпроцесса, неоднократно откладывая его.
Сперва корпорация обещала начать выпуск 10-нанометровых чипов в 2015 г., после чего последовало несколько сообщений о задержке. В результате официальная дата выхода нового поколения микросхем была перенесена на 2017 г., но затем вновь сдвинута на второе полугодие 2018 г. В конце апреля 2018 г. тогдашний глава компании Брайан Кржанич (Brian Krzanich), объявил о том, что Intel сможет запустить 10-нанометровые процессоры в массовое производство не ранее 2019 г.
В рамках реализации стратегии чипмейкер планировал построить два новых завода за три года и $20 млрд, перейти на 7 нм в 2023 г. и стать партнером многих крупных производителей чипов, которые помогут ему в выпуске собственных процессоров.
Битва за 2 нм
Apple может опередить Intel не только в выпуске первых чипов 3 нм. В марте 2021 г. CNews писал, что она оказывает всестороннюю помощь TSMC в разработке 2-нанометрового техпроцесса. Тайваньская компания работает над ним с 2019 г.
Делает Apple это в первую очередь для того, чтобы оказаться в числе первых (или вовсе первой), кто выпустит процессоры по этим нормам. Тестовое производство 2-нанометровых чипов предварительно назначено на 2023 г. На полную мощность конвейер может заработать как в том же 2023 г., так и спустя год или даже два. Точные сроки Apple и TSMC пока не оговаривают.
Освоить 2 нанометра хочет и сама Intel. Еще декабре 2019 г. она раскрыла свои весьма амбициозные планы по переходу на новые суперсовременные нормы производства процессоров и опережению всех своих конкурентов. Но, судя по всему, обогнать TSMC ей все же не удастся.
Intel собирается освоить 2 нм лишь в 2027 г., плюс у нее есть планы на 1,4 нанометра к 2029 г. Тем временем, еще в мае 2021 г. TSMC сделала большой шаг на пути к 1 нанометру. Но она пока не говорит, когда планирует запустить массовое производство таких микросхем.
Как Intel придет к 3 нанометрам
Сотрудничество с TSMC входит в новую стратегию Intel по укреплению своих позиций на рынке процессоров и возвращению лидерства в техническом плане. Ее основной конкурент, AMD, давно выпускает 7-нанометровые чипы и готовится к переходу на 5 нм при помощи все той же TSMC.
В рамках своей стратегии, как сообщал CNews, Intel намерена развивать партнерство не только с TSMC, но также с тайваньской UMC, американской GlobalFoundries и корейской Samsung. Все они входят в число основных производителей микросхем на мировом рынке.
При этом у самой Intel тоже есть свои заводы по выпуску процессоров, но здесь она пока сильно отстает от TSMC. Ее фабрики рассчитаны максимум на 10 нм.
Intel пока только мечтает об освоении 7 нм – техпроцесса, который много лет есть в активе TSMC. Компания собирается вложить $20 млрд в два соответствующих завода, и первые такие чипы она намерена выпустить в 2023 г.
Новые названия техпроцессов
Новая система именования техпроцессов Intel
Техпроцесс Intel 3 (ранее Intel 7+ нм) должен обеспечить увеличить производительность на ватт примерно на 18% относительно предшественника. Процессоры на базе Intel 3 будут готовы к массовому производству во второй половине 2023 г.
Исторически в названии производственного процесса полупроводников фигурировало число, которое соответствовало длине затвора транзистора. Однако в 1994 г. производители перестали следовать этому правилу. До 2009 г. длина затвора была меньше заявленного в названии значения, а затем «нанометры» взяли на вооружение маркетологи, из-за чего цифры в названии техпроцесса стали иметь мало общего с фактическими размерами транзисторов или плотностью их расположения в интегральной схеме. Например, актуальный 10-нм процесс Intel (FinFET) по размеру и плотности размещения транзисторов примерно соответствует 7-нм процессу TSMC.
Решение отказаться от традиционного числового определения производственных норм в нанометрах, по всей видимости, связано с недавним решением Intel выйти на рынок контрактного производства. Здесь американская корпорация будет напрямую конкурировать с гигантами вроде тайваньской TSMC и южнокорейской Samsung, поэтому пересмотр принципа именования производственных норм выглядит логичным – так заказчикам будет проще ориентироваться на рынке.
Технология почти готова
По заявлениям разработчиков, переход на 1-нанометровый техпроцесс в итоге позволит повысить производительность чипов, что приведет к росту быстродействия вычислительных систем в целом. Авторы утверждают также, что 1-нанометровые нормы обеспечивают энергоэффективность почти на грани физических пределов наноразмерных кремниевых полупроводников. С нынешними техпроцессами они эти показатели пока не сравнивают.
До перехода на 1 нм осталось всего несколько лет
При всех преимуществах новой технологии она на момент публикации статьи о ней в Nature еще требовала доработки. Авторы не уточняют, как много времени потребуется прежде, чем в мире заработает первый в мире конвейер, выпускающий 1-нанометровые микросхемы.
В то же время, нет точных данных о том, когда именно TSMC начала работать над этой технологией. Для примера, к освоению 2 нм она приступила летом 2019 г., масштабных успехов в этом она добилась год спустя, а запустить производство по этим нормам компания собирается в 2023 г. Таким образом, 1-нанометровая топология тоже может увидеть свет в самом ближайшем будущем.
AMD все равно впереди
Даже отсутствие у Intel ее неназванного препятствия на пути к 7 нанометрам не позволяет ей догнать AMD, которая выпускает все свои современные процессоры по этим нормам. У нее нет своих заводов, и производством занимается тайваньская компания TSMC, в 2020 успешно освоившая 5 нм и выпускающая по этой топологии процессор Apple A14.
Роадмап AMD до 2020 года
В первой половине октября 2020 г., как сообщал CNews, AMD провела показ новых процессоров линейки Ryzen 5000, вооруженных новейшей архитектурой Zen 3. Они тоже 7-нанометровые, но в рамках сотрудничества с TSMC AMD уже нацелилась на 5 нм.
Согласно ее дорожной карте, Zen 3 станет последней архитектурой, эксплуатирующей 7 нм. Ей на смену придет Zen 4, уже 5-нанометровая, и ее появление запланировано на 2021 г.
Финансовое положение Intel
Обо всех нюансах с техпроцессами Роберт Свон рассказал на конференции, посвященной финансовому отчету Intel за III квартал 2020 г. Этот период для Intel завершился с 4-процентным падением выручки год к году – до $18,3 млрд. Норма прибыли сократилась на 5,7 процентных пунктов – до 53,1 %.
Операционная прибыль компании тоже сократилась, притом сразу на 22 %, упав до $5,1 млрд, тогда как чистая прибыль показала еще более стремительное падение в сравнении с III кварталом 2019 г. Она снизилась на 29%, оказавшись на уровне $4,3 млрд. чистая — на 29 % до $4,3 млрд.
Квартальные результаты Intel удручают
Серверный сегмент бизнеса Intel показал 7-процентное падение выручки, как и ЦОД-направление, а сегмент интернета вещей – и вовсе 33-процентное. Обвал прибыли в сегменте твердотельной памяти за год составил 11 %, а продажа программируемых матриц принесла на 19 % меньше выручки. После публикации финансового отчета акции Intel упали на 10%.
Рост выручки по итогам III квартала 2020 г. продемонстрировали лишь два направления бизнеса Intel – сегмент клиентских продуктов (+1 %) и подразделение Mobileye (+2 %).
Intel собирается ускориться
Несмотря на свою зависимость от 14 нанометров, Intel не оставляет попытки полного перехода на 10 нм. Как сообщал CNews, в начале октября 2020 г. она наконец-то запустила свой 10-нанометровый завод Fab 42 в Аризоне (США), на строительство которого ей потребовалось почти 10 лет.
Новая фабрика рассчитана на производство продуктов 10 нм второго и третьего поколений, самых актуальных для Intel на октябрь 2020 г. Ко второму поколению относятся процессоры линеек Ice Lake-U, Ice Lake-SP, Elkhart Lake и Snow Ridge, тогда как третье поколение – это Tiger Lake-U и Tiger Lake-H, дебютировавшие в сентябре 2020 г.
Один из первых процессоров Intel Tiger Lake
На отчетной конференции Роберт Свон, руководящий Intel с февраля 2019 г
не обошел вниманием проблемы компании с суперсовременным (для нее) 7-нанометровым техпроцессом. Еще в июле 2020 г
в компании официально признали, что ее новых чипов с нормами 7 нм не будет еще как минимум два-три года. Сразу за этим последовало увольнение главы ключевого технологического подразделения Intel Мерти Рендучинтала (Murthy Renduchintala) из компании, а 24 июля 2020 г. из-за задержки с новым техпроцессом стоимость акций Intel рухнула более чем на 10%
Говоря о проблемах с 7 нм, Роберт Свон заявил тогда, что проблема, мешающая его компании освоить новые нормы, уже найдена, и что специалисты Intel работают над его устранением. Теперь же Свон отрапортовал о ее устранении. «Мы все исправили и достигли чудесного прогресса» (we’ve deployed the fix and made wonderful progress), – сказал глава компании.
Телемедицина, нейрокомпьютерные интерфейсы и роботы: что ждет сферу социальных инноваций Москвы
Инновации и стартапы
В чем конкретно заключалась проблема, и как Intel разобралась с ней, Свон не уточнил ни летом 2020 г., ни сейчас. Он также не стал устанавливать новые сроки релиза первых 7-нанометровых чипов, так что они по-прежнему ожидаются не раньше 2022 г., а то и в 2023 г.
Все дело в деньгах
Глава компании Intel Роберт Свон (Robert Swan) официально подтвердил ее зависимость от морально устаревшего 14-нанометрового техпроцесса. Он заявил, что Intel будет делать ставку именно на него еще как минимум год. Тем временем, компания AMD, основной конкурент Intel в сегменте процессоров, начала подготовку к переходу на 5 нм.
В рамках квартальной отчетной конференции Intel Роберт Свон сообщил, компании напрямую выгоден 14-нанометровый техпроцесс, поскольку именно он позволяет компании сокращать свои расходы на производство чипов (Intel, в отличие от AMD, обладает своими фабриками). Свон подчеркнул, что оборудование по выпуску микросхем по 14-нанометровым нормам, давно окупилось, в отличие от 10 нм, на которые Intel пытается перейти с августа 2019 г.
От 10 нм один вред
Сообщив о минимальных расходах на производство чипов по 14-нанометровой технологии, Роберт Свон сделал 10 нм «главным злодеем». По его словам, новые производственные линии еще не окупили всех вложений.
Роберт Свон верит в пользу от 14 нм, но финансовые результаты Intel говорят об обратном
Свон добавил, что операционная прибыль Intel сейчас напрямую зависит именно от 10 нм. Он заявил, что компания сейчас наращивает темпы перехода на новые нормы, что отрицательно сказывается на росте операционной прибыли.
Способность 14 нм приносить Intel деньги привела к тому, что большая часть процессоров, которые она намерена произвести в 2021 г., будет выпушена именно по этим нормам. Точные процентные соотношения Роберт Свон называть не стал.
Проблемы Intel с переходом на 10 нм в некотором роде повторяют трудности, с которыми компания столкнулась при развертывании 14-нанометрового производства. По ее планам, она должна была наладить массовый выпуск таких чипов еще в конце 2013 г. – начале 2014 г., но в итоге все пришлось сдвинуть на год вперед. Таким образом, Intel распространяет 14-нанометровые чипы с I квартала 2015 г.
Intel ускоряет свое развитие
Компания Intel планирует в 2023 г. наладить производство процессоров, выпущенных по новейшим 3-нанометровым нормам. Как пишет Nikkei Asian Review, это описано в новой стратегии развития компании. Сейчас свои самые передовые чипы она выпускает по техпроцессу 10 нм.
Совершить столь гигантский скачок Intel своими силами не сможет. Ее будущие 3-нанометровые CPU будет выпускать на своих заводах крупнейший производитель микросхем в мире – компания TSMC. Первые образцы могут увидеть свет в самом начале 2023 г., хотя сами Intel и TSMC пока не подтверждают это.
У Intel есть проект дизайна как минимум двух 3-нанометровых чипов. Один из них ориентирован на ноутбуки, а второй будет использоваться в серверах. Почему Intel пока не разработала дизайн настольного чипа, неизвестно, но компания собирается забронировать за собой значительную часть заказов TSMC на выпуск 3-нанометровой продукции.
Через полтора года процессоры Intel переедут на суперсовременный техпроцесс, которого нет ни у кого
По данным самой TSMC, переход на 3-нанометровую топологию позволит нарастить производительность процессоров на 10-15% в сравнении с нынешними 5-нанометровыми чипами. Впервые они появились в конце 2020 г., и на момент публикации материала число устройств, в которых они используются, оставалось незначительным. Потребление процессорами энергии новый техпроцесс снизит на 25-30%.
Intel расписала план развития технологий до 2025 года
Intel представила дорожную карту развития технологий производства микропроцессоров до 2025 г.
Согласно анонсированному плану, корпорация изменит подход к именованию собственных технологических процессов, чтобы привести их в соответствие с принятыми в отрасли, в частности, компаниями TSMC и Samsung. Теперь в названии техпроцесса не будут фигурировать какие-либо единицы измерения длины. Вместо этого Intel будет обозначать техпроцесс, опираясь на соотношение между производительностью и энергопотреблением чипов на его базе.
Intel также представила новую архитектуру транзисторов RibbonFET – впервые за последние 10 лет, а также рассказала о технологии PowerVia, которая предлагает новый подход к подаче питания на транзисторы очень малого размера.
История и будущее инноваций в техпроцессах Intel
Кроме того, компания заявила о планах по внедрению фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV) нового поколения (High-NA EUV). Intel рассчитывает завершить этот процесс первой в отрасли при помощи оборудования нидерландской ASML.
Чипмейкер рассчитывает догнать лидера отрасли TSMC к 2024 г. по показателю совершенства внедренного техпроцесса, а в 2025 г. и вовсе вернуть себе пальму первенства. Однако стоит иметь в виду, что Intel под этим понимает отношение производительности выпускаемых процессоров к потребляемой мощности, а не, например, применение самых компактных транзисторов в мире.
Планы на будущее
Сейчас TSMC ведет разработку 2-нанометрового техпроцесса. В этом направлении, как сообщал CNews, она работает с лета 2019 г., не забывая при этом про промежуточные 4 и 3 нанометра.
ММК развивает сквозную систему учета материальных потоков
Интеграция
Сроки запуска 4-нанометрового производства компания не раскрывает. Выпуск микросхем по 3-нанометровым нормам предварительно запланирован на 2022 г.
И все же, основной упор TSMC делает именно на 2 нм. В июле 2020 г. она совершила прорыв в его создании и заявила, что за счет него можно ожидать появления первых соответствующих чипов не позднее 2024 г. Новой топологией открыто интересуется Apple – в марте 2021 г. она присоединилась к ее разработке, желая в дальнейшем стать основным заказчиком 2-нанометровой продукции TSMC. Благодаря помощи Apple TSMC сместила сроки запуска новой линии с 2024 г. на 2023 г.
За пару недель до заявления TSMC об открытии в создании 1-нанометровой микросхемы американская IBM заявила об изобретении первого в мире процессора с топологией 2 нм. Она смогла уместить 50 млрд транзисторов на кристалле размером с ноготь.
На тот момент у IBM было готово несколько тестовых образцов чипа. Она сравнила их с распространенными сейчас 7-нанометровыми процессорами и заверила, что ее новинка обладает на 75% более высокой производительностью при том же уровне потребления энергии. При этом если снизить производительность до уровня 7 нм, то потребление энергии упадет на 45%.
Intel не будет первой
Интерес к новым производственным нормам проявляет не только Intel. По информации издания, поделить с ней все объемы выпуска новых микросхем собирается компания Apple.
Не исключено, что именно Apple окажется первой компанией, которая анонсирует готовое к серийному производству устройство на базе 3-нанометрого чипа. Так случилось с 5 нм – первым в мире такой CPU (Apple A14) в сентябре 2020 г. получил планшет iPad Air четвертого поколения, а спустя месяц – и смартфоны линейки iPhone 12. До ноутбуков MacBook и неттопа Mac mini 5-нанометровые CPU в лице М1 добрались в ноябре 2020 г.
Как пишет профильный ресурс MacRumors, ждать появления первых 3-нанометровых чипов Apple, в отличие от Intel, до 2023 г. не придется. На основе такого процессора может быть построен планшет iPad Pro 2022, любые сведения о разработке которого Apple пока не комментирует.
По сложившейся традиции, новые модификации планшета iPad Pro Apple выпускает почти каждый год в начале или середине весны. Когда именно состоится премьера iPad Pro 2022, остается загадкой, но, если ничего не изменится, то ждать анонса первого в мире гаджета на чипе с топологией 3 нм остается меньше года.
Пока нет данных, какой именно процессор разрабатывает Apple. Не исключено, что это будет общий чип для целой серии ее устройств, потому что новый iPad Pro 2021 работает на М1, который первоначально создавался для ноутбуков и неттопов компании. Также М1 сейчас используется и в настольном моноблоке iMac 2021.
