Разговоры о микроэлектронике. Память и окна возможностей

В продолжение статей https://aftershock.news/?q=node/745507 и https://aftershock.news/?q=node/746092.
Из-за загруженности не успел ответить на вопросы камрадов, поэтому решил написать отдельную статью.

Если вкратце смысл этих длинных статей:

До начала 2000-х главным приоритетом при производстве микросхем для вычислительной техники было снижение размеров элементов (транзисторов). Миниатюризация позволяла вмещать больше транзисторов на кристалл, что снижало среднюю стоимость одного транзистора в микросхеме и позволяло повышать тактовые частоты. А также интегрировать больше функционала в один кристалл, что снижало необходимость обращения вовне к медленной внешней  шине. Размер транзисторов почти линейно коррелировал с так называемой нормой техпроцесса. При уменьшении технормы в 2 раза линейные размеры транзисторов также уменьшались в 2 раза, площадь в 4 раза. Физическая структура самих транзисторов при этом не менялась, просто сокращались размеры.

С начала 2000-х стали сказываться физические ограничения. Размеры транзисторов перестали линейно зависеть от технормы. И чем меньше нанометров заявлялось в техпроцессе, тем слабее это сказывалось на реальных размерах элементов. Каждый шаг в снижении размеров технормы теперь сопровождался изменением физики процесса.  Кроме того, по мере миниатюризации стали проявляться побочные эффекты в виде увеличения токов утечки и увеличении паразитного энергопотребления. Это поставило крест на дальнейшем увеличении тактовых частот процессоров. В течении 2000-х тихим сапом произошла смена приоритетов. Теперь главной задачей конструкторов стало не уменьшение размеров транзисторов, а снижение токов утечки. Результатом такой политики стал переход от плоских транзисторов к объемным.

Одним из проявлений усложнения техпроцессов стало увеличение стоимости кристалла с каждым сокращением технормы.  Себестоимость производства чипов меняется по одному и тому же графику - сразу после выхода нового техпроцесса цена максимальная из-за низкого выхода годных микросхем, затрат на проектирование и оптимизацию. По мере отладки производства себестоимость снижается, выход годных микросхем увеличивается. Минимальная цена в конце цикла, перед снятием с производства. Раньше стоимость микросхемы, например по техпроцессу 3 мкм и по 1,5 мкм, была одинаковой на одной и том же стадии жизненного цикла. А поскольку число транзисторов на той же площади вырастало в 4 раза, то цена одного транзистора снижалась в 4 раза.

После перехода ниже 130 нм себестоимость чипов стала расти из-за усложнения техпроцессов. Но из-за увеличения плотности транзисторов в пересчете на один транзистор продолжала снижаться. Так длилось до технормы 28/32 нм. Дальше каждый шаг давался все с большим удорожанием чипа, а реальные размеры транзисторов сокращались все меньше. В результате один транзистор на микросхеме с нормой 22 нм и ниже стоит дороже, чем на норме 28 нм.

О Зеленограде.

Больше всего народ интересует конечно ситуация с российской микроэлектроникой. К сожалению, не силен в зеленоградских делах. Все что знаю, что в 2014-м «Микрон» закупил у французской STMicroelectronics технологическую линию на 90 нм, перед самым кризисом. А затем самостоятельно проапгрейдили его до 65 нм. Я так полагаю французам это не очень понравилось. О переходе на 65 нм отчитались еще в конце  2014-го. Периодически производили на ней  опытные партии, пошли ли в серию, не знаю. Тем не менее полусуверенные 65 нм в России есть.

Главная проблема в том, что 65 нм оказались не очень востребованы. Для основной продукции Микрона достаточно и 90 нм, и 180, и даже полностью суверенных 250 нм. Некоторые микросхемы для оборонки до сих поры выпускают по технологиям 3 - 5 мкм. Просто чем больше размеры транзисторов, тем выше устойчивость к помехам и радиации. А сверхбольшие вычислительные мощности для специализированных микросхем как правило не нужны. С другой стороны, производство современных процессоров выгоднее заказывать  на Тайване и Китае по технормам 28 нм и ниже. В этом случае разработка архитектуры и топологии полностью российская, но само изготовление кристаллов произходит на тайваньских заводах. Многих смущает, что мол это не совсем наши процессоры получаются. В качестве успокоения можно сказать, что практически все мировые лидеры в такой же ситуации. Собственное полупроводниковое производство осталось только у Intel. Такие бренды как AMD, Apple, NVidia, Qualcomm, IBM и прочие производятся на заводах TSMC или Samsung. Так. AMD в 2009-м вывел свое производство в отдельную компанию GlobalFoundries, который купили арабы. Последние технормы они не осилили, сконцентрировались на "более зрелых" техпроцессах. Сейчас находятся в предбанкротном состоянии.

В конце 2018 в Микроне подтвердили свои планы создать в Зеленограде собственное производство на 28 нм. Производство планируют развернуть уже в 2022 году на новой, построенной с нуля, фабрике. Реальность сроков под большим сомнением, хотя конечно был бы неплохо. 28 нм – это уже другой уровень, позволяющий начать производство принципиально новых изделий. Но об этом ниже.

Вообще ситуация в российской микроэлектронике не такая тухлая, как может показаться. Если учесть, что 12 лет назад самый «тонкий» техпроцесс в стране был 800 нм, даже нынешние полностью российские 250 нм выглядят уже не так плохо. Есть слухи что освоили технологию «растянутого кремния»,  перешли с 15 см пластин на 20 см, наладили  выпуск собственных фотошаблонов. Главной проблемой останется недостаточный спрос и конкуренция с импортом, что никак не позволяет выйти хотя бы к нулевой рентабельности.

Ведутся попытки освоить что-то прорывное. Например фотолитографию в глубоком ультрафиолете (EUV-литографию)

В этом смысле интересна история с голландской фирмой «Mapper Lithography». Фирма специализировалась на оборудовании и установках многолучевой электронной литографии (МЭЛ). Электронная литография позволяет работать с разрешениями в доли нм, однако очень энергоемкая и медленная. С помощью нее делают фотошаблоны для оптической литографии. Обычно используют один пучок электронов, который облучает всю площадь. Использование МЭЛ позволяло существенно ускорить процесс, хотя и энергопотребление установки сильно возрастало. Голландцы пытались вывести МЭЛ в серийное производство. Хотя бы для мелкосерийных микросхем, где создание набора фотошаблонов не окупается. Т.е. где дешевле наносить рисунок сразу на кремний, чем делать набор масок и потом штамповать микросхемы с помощью оптической литографии. И здесь Mapper нашел единомышленноков в лице Роснано. В 2012-м заключили договор на постройку заводов в Москве и Питере. Завод в Москве был открыт в 2014 году и в тот же год начал выпуск электронных линз. О прибыльности пока речь нет даже близко, но сами технологии есть и развиваются. С учетом удорожания процессов фотолитографии, МЭЛ может со временем сравняться с ней по стоимости. К сожалению инвестиции Роснано не спасли саму «Mapper Lithography». Компанию выкупила голландская же ASML – крупнейший в мире производитель фотошаблонов и систем фотолитографии. Направление МЭЛ закрыли, сотрудников Mapper распихали по другим направлениям. Сейчас в мире осталось всего 2 игрока, которые продолжают развивать МЭЛ – американская Multibeam и Роснано.

Где нужны маленькие нанометры.

Рассмотрим крупнейшего контрактного производителя микроэлектроники – тайваньский TSMC. Вот отчет за 2 квартал 2018

Как видим, на самые тонкие процессы приходится только 38% выручки компании, а 19% приходится на 90 нм и больше. Немецкая XFAB например вообще использует технологии только 130 нм и выше, и не страдает от этого.

Рассмотрим основные направления современной электроники.

1. Силовая электроника. Здесь тонкие процессы не только не нужны, а даже невозможны. Поскольку они работают только на напряжениях в районе 1 В. Для силовой электроники требуются дригие концентраций примеси и вертикальные размеры слоев. Само понятие норма техпроцесса имеет другой смысл. Она рассчитывается не исходя из минимально возможного технологически, а вытекает из рабочих напряжений и плотности тока.  Размеры силовых элементов рассчитываются исходя из пиковой силы тока.
2. Промышленная электроника. Это различные промышленные микроконтроллеры и системы управления механикой. Как правило работают с напряжениями в пределах от нескольких вольт до десятков вольт. Рабочие технормы там обычно от 130 нм.  Для промышленной электроники не требуется миллиардов транзисторов и каш-память в сотни МБ, т,к. выполняют обычно ограниченный набор операций. Микроконтроллеры более специализированы, чем микропроцессоры для вычислительных систем. Т.е. часть кода и инструкций там «зашиты» в сам кристалл на этапе изготовления, а не загружаются программно. Благодаря этому на родных операциях работают быстрее.  Самое большое значение здесь имеет надежность.
3. Военная, космическая и радиационно-стойкая электроника. Здесь технормы начинаются от 250 нм. Меньше просто нельзя, т.к. с уменьшение размеров транзисторов резко растет число сбоев от воздействия радиации и помех. Также как промышленная электроника, это как правило специализированные микросхемы с меньшими требованиями к производительности.
4. Бытовая и автомобильная электроника. Аналоговые, аналого-цифровые схемы и цифро-аналоговые микросхемы. Тенденция здесь – объединение всего функционала (и цифрового и аналогового) в один кристалл. Кроме силовых транзисторов естественно. Например однокристальные телевизоры. Проблема здесь в том, что как правило число требуемых транзисторов невелико. Для нормального функционирования устройства за глаза хватает десятков тысяч транзисторов. При технологиях меньше микрона вся занимаемая ими площадь – доли квадратного миллиметра. Часто контактные площадки под выводов занимают больше площади, чем сама логика. Поэтому и пытаются впихнуть в такие микросхемы все что можно – электронные часы с будильником, радиоприемник и прочие побочные функции в чип стиральной машинки. Себестоимость получается практически та же. Заморачиваться с маленькими нанометрами при таких раскладах смысла никакого. Тем более есть ограничения из-за наличия аналоговых биполярных транзисторов и заметных рабочих токов. Использовать меньше 90 нм даже в цифровой части нет смысла. Ситуация может измениться с распространением "интернета вещей" (IoT). 
5. RFID-метки. Это чипы для разных карт, электронных ключей, метки товаров. Состоит из небольшой микросхемы и пленочной антеннки. Микросхема сделана из репрограммируемой памяти на основе КМОП и управление наведенным питанием на биполярных транзисторах. Размеры кристалла меньше 1 мм². Число транзисторов обычно невелико, постоянного питания нет. Поэтому требования к дешевизне одного транзистора и энергопотребление не актуальны. Главное – длительность хранения значения памяти в пассивном режиме. Как писал уже при нормах ниже 130 нм вырастают выше токи утечки. Техпроцесы ниже 90 нм не просто не актуальны, они вредны.
6. Вычислительная техника. Процессоры, память, контроллеры. По стоимости это львиная доля современного рынка электроники. Вот здесь действует правило – чем больше транзисторорв в кристалле, тем лучше. В отличии от специализированных контроллеров здесь весь набор команд и инструкций загружается программно. Отсюда высокие требования к производительности – цена универсальности.

Российские предприятия в состоянии выпускать первые 5 групп микросхем. Кроме IoT. Правда по обороту рынка в деньгах они все вместе сильно уступают 6-й группе.

Смысл миниатюризации.

Некоторые интересовались, а почему так важно впихивать максимум транзисторов на единицу площади? Что мешает сделать просто кристалл побольше или сделать 2 кристалла вместо одного.

Для вычислительной техники это очень важно. При современных частотах на размер кристалла имеется физическое ограничение. Это скорость света, оно же скорость распространения электрического сигнала. Скорость всего 300 млн метров в секунду. В процессоре с тактовой частотой в 3 ГГц электрический сигнал за такт пробегает 10 см. При этом за такт транзисторы должны не только изменить свое состояние, но и должны устояться все переходные процессы. Для этого нужен запас минимум в 3 раза. Т.е. самый дальний транзистор в кристалле не должен быть дальше 3 см от тактового генератора. Генератор ставят в центре чипа, значит вся схема должна вписываться в круг радиусом 3 см от центра кристалла. Для кристалла квадратной формы получаем максимальный размер 4х4 см. Чем выше частота, тем меньше предельные размеры.

Теплоотвод. Чем больше размер кристалла, тем труднее отводить тепло с центральной части. А это чревато.

Чем меньше линейные размеры транзисторов, тем меньше паразитные емкости и быстрее проходят переходные процессы.  Соответственно выше быстродействие и ниже ток перезарядки.

Теперь почему один процессор с 4 млн транзисторов, например, лучше 4 процессоров по 1 млн транзисторов. Для начала вопрос цены. Кристалл с 4 млн транзисторов будет стоить ненамного дороже кристалла с 1  млн транзисторов. Поскольку создаются в едином  техпроцессе. Кроме чипа микросхема состоит еще и из корпуса и золотых выводов из кристалла. А золото металл недешевый. Условно для 1-милионной микросхемы нужно 300 контактов (1200 для 4-х микросхем), для 4-милионной 308. Выгода очевидна. Потом 4 микросхемы будут между собой взаимодействовать через внешнюю шина. А она в разы медленнее тактовой частоты самого процессора (см. пункт про скорость света). Получается что 4 процессора могут работать только в режиме изолированных задач. В то время как 4 ядра внутри одной микросхемы могут работать как кластер, оперативно распределяя задачи и обмениваясь на тактовой частоте процессора.

Поэтому желание сделать транзисторы максимально мелкими и запихать в кристалл все что можно имеет под собой рациональное обоснование.

Перспективы.

Получается, что с первыми пятью группами микроэлектроники в России все не так уж и плохо. Проблемы с рентабельностью и ценой, но технологические возможности имеются. С вычислительной техникой сложнее. Можно конечно сделать Байкал или Эльбрус по 65 нм технологии. Это эпоха Intel Pentium 4. Вот только при из таких мизерных сериях стоимость будет запредельной. Или как вариант продавать ниже себестоимости за счет бюджета. А на фига? Пока не прикрыли возможность, проще и дешевле производить на Тайване.

С выходом на мировой уровень и большие серии кажется беспросветный мрак. Но и здесь появился лучик света  Связан он с появлением новых типов электронной памяти. Чтобы объяснить с чем связан оптимизм, придется слегка влезть в технические детали. 

Основные типа электронной памяти.

Магниторезистивная память сейчас считается самой перспективной. Некоторые даже заявляют, что с ее внедрением в серию вообще исчезнет разделение памяти на оперативную и постоянную. Будет просто память. В частности операционку не нужно будет загружать, она сразу будет работать из памяти при включении питания. Как TR-DOS на Синклерах в старые добрые времена. Там ядро операционки работало из ПЗУ.

Какое место здесь занимает Россия. В разработке MRAM наши хоть и не лидеры, но на передней линии. Во всяком случае пока. Есть такая российская компания «Крокус Наноэлектроника», которая занимается памятью STT MRAM, т.е. MRAM переносом спинового момента - КОМПАНИЯ КРОКУС НАНОЭЛЕКТРОНИКА ОПУБЛИКОВАЛА ДАННЫЕ О РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ МАГНИТОРЕЗИСТИВНОЙ ПАМЯТИ STT MRAM

Это дает нашим производителям окно возможностей чтобы пробиться на мировой рынок производителей микросхем вычислительной техники. Окошко не очень большое, но оно есть. Нужна воля, деньги и собственные техпроцессы на 28 нм.

Заключение.

Я считаю одна из наших главных проблем заключается в менталитете. Это привычка впадать в эмоции, опускать руки и заниматься самобичеванием. Вместо того методично и целенаправленно работать. В микроэлектронике это проявляется особенно остро. Надо просто вспомнить старую русскую пословицу - "Глаза боятся. руки делают".

Мировые лидеры уперлись в физические ограничения, отрасль от бурного роста переходит к медленному развитию.  Прорывы типа квантовых процессоров пока на далеком горизонте. Ближе чем телепортация, но скорее всего не в нашей жизни. В ближайшие 20 лет среди игроков на поле микроэлектроники может кардинально смениться состав лидеров. Главное тут не щелкать клювом.