ለስማርት ስልኮች የARM ቺፕ ማምረቻ ቴክኖሎጂ
የዘመናዊ ስማርት ስልኮች እድገት በአብዛኛው የሚወሰነው በመሳሪያው "አእምሮ" በሆኑት ፕሮሰሰሮች (SoCs/System-on-Chips) እድገት ነው። እንደ Snapdragon፣ Dimensity፣ Exynos እና Apple Silicon ያሉ ብዙ ታዋቂ SoCs - የARM አርክቴክቸር ለሲፒዩ መመሪያዎቻቸው እና ዲዛይናቸው መሰረት አድርገው ይጠቀማሉ። ሆኖም፣ አፈጻጸም እና ቅልጥፍና የሚወሰነው በሥነ ሕንፃ ብቻ ሳይሆን በማምረቻ ቴክኖሎጂም ጭምር ነው፡- የወረዳ ዲዛይኖችን በሲሊኮን ዋፈር ላይ ወደ አካላዊ ቺፕስ የሚቀይረው የሴሚኮንዳክተር ማምረቻ ሂደት። ይህ ጽሑፍ ለስማርት ስልኮች በARM ላይ የተመሠረተ ቺፕ ማምረቻ ቴክኖሎጂ እንዴት እንደተለወጠ፣ ሂደቱ እንዴት እንደሚሰራ እና እንደ 7nm፣ 5nm፣ 4nm እና 3nm ያሉ ኖዶች ለምን በጣም አስፈላጊ እንደሆኑ ያብራራል።
1. አርኤም፡ አርክቴክቸር ከ “ARM ቺፕ” ጋር ሲነጻጸር
በመጀመሪያ፣ ግልጽ እናድርግ፡ ARM የቺፕ አምራች አይደለም። ARM (Arm Ltd.) በዋናነት እንደ Cortex-A (የመተግበሪያ ሲፒዩዎች)፣ Cortex-X (ከፍተኛ አፈፃፀም)፣ Cortex-R (እውነተኛ ጊዜ) እና የማሊ ጂፒዩዎች (በአንዳንድ SoCs) ያሉ የማስተማሪያ ስብስብ አርክቴክቸሮችን (ISAs) እና የአይፒ ኮሮችን ይቀርፃል። እንደ Qualcomm፣ MediaTek፣ Samsung እና Apple ያሉ ኩባንያዎች ከዚያም፡
- የ ARM አርክቴክቸር ፈቃድ መስጠት፣
- ከሌሎች ክፍሎች (ጂፒዩ፣ አይኤስፒ፣ ኤንፒዩ፣ ሞደም፣ መሸጎጫ፣ ግንኙነት) ጋር ያዋህዱት
- እና እንደ TSMC ወይም ሳምሰንግ ፋውንድሪ ባሉ የፋውንዴሽኖች አማካኝነት ያመርቱት።
ስለዚህ ሰዎች “ARM ቺፕ” ሲሉ፣ ብዙውን ጊዜ የARM ISAን የሚጠቀም የስማርትፎን SoC ማለታቸው ሲሆን የማምረት ሂደቱ የሚከናወነው ደግሞ በሴሚኮንዳክተር ፋውንዴሽን ነው።
2. የማምረቻ ቴክኖሎጂ ለምን አስፈላጊ ነው?
የማምረቻ ቴክኖሎጂ፣ ብዙውን ጊዜ የሂደት ኖድ (ለምሳሌ 7 nm፣ 5 nm፣ 3 nm) ተብሎ የሚጠራው፣ ሶስት ዋና ዋና ነገሮችን ይነካል፡
1. አፈጻጸም፡ ትናንሽ ትራንዚስተሮች በአጠቃላይ በፍጥነት መቀያየር ይችላሉ።
2. የኃይል ቆጣቢነት፡- የፍሳሽ ማስወገጃ እና የቮልቴጅ መስፈርቶች ሊቀነሱ ይችላሉ፣ ምንም እንኳን ሁልጊዜ ቀጥ ያለ ባይሆንም።
3. ጥግግት፡ በአንድ አሃድ አካባቢ ተጨማሪ ትራንዚስተሮች፤ ትላልቅ መሸጎጫዎችን፣ የበለጠ ውስብስብ ሲፒዩዎችን፣ ሰፋ ያሉ ጂፒዩዎችን እና የበለጠ ኃይለኛ የAI አክስሌተሮችን ማንቃት።
ሆኖም ግን፣ የ"nm" ቁጥር ልክ እንደበፊቱ አንድ ነጠላ አካላዊ ትራንዚስተር መጠንን አይወክልም። ከሊቶግራፊ ቴክኖሎጂዎች፣ ከዲዛይን ደንቦች እና ከጥግግት/ቅልጥፍና ባህሪያት ስብስብ ጋር የተያያዘ የኖድ ስያሜ ነው።
3. የስማርትፎን ሶሲ ማምረት ዋና ዋና ደረጃዎች
በአጠቃላይ፣ ከቺፕ ዲዛይን እስከ ስማርትፎን ምርት ያለው ጉዞ በበርካታ ደረጃዎች ያልፋል፡
ሀ) ዲዛይን እና ማረጋገጫ
የSoC ሻጮች የአይፒ ብሎኮችን (ሲፒዩ፣ ጂፒዩ፣ ኤንፒዩ) ይቀርጻሉ፣ ከዚያም ማስመሰል፣ ተግባራዊ ማረጋገጫ፣ የጊዜ ማረጋገጫ (STA) እና አካላዊ ፊርማ (DRC/LVS) ያከናውናሉ። ዲዛይኑ ከዒላማው ኖድ የሂደት ዲዛይን ኪት (PDK) ጋር ተኳሃኝ መሆን አለበት።
ለ) ቴፕ አውት
ቴፕ አውት የመጨረሻው ዲዛይን ወደ ፋብሪካው የሚላክበት እና ጭምብል ስብስብ (ፎቶማስክ) እንዲሆን የሚደረግበት ቦታ ነው። ይህ ውድ እና አደገኛ ደረጃ ነው፡ ቴፕ አውት ካደረጉ በኋላ የዲዛይን ማሻሻያዎች ከፍተኛ ወጪ እና የጊዜ ሰሌዳ መዘግየት ሊያስከትሉ ይችላሉ።
ሐ) የዋፈር ምርት፡ የፊት-መጨረሻ-መስመር (FEOL)
FEOL በዋፈር ላይ የትራንስስተሮችን መፈጠር ነው - ከዶፒንግ፣ የቻናል መፈጠር፣ የበር መፈጠር፣ ማግለል፣ ወዘተ። በዘመናዊው ዘመን፣ የትራንዚስተር መዋቅሮች ከፕላናር ወደ FinFET (ፊን) ተሻሽለው ወደ GAAFET (በር-ሁሉንም-ዙሪያ) እየተንቀሳቀሱ ነው።
መ) ግንኙነት፡ የኋላ መስመር መጨረሻ (BEOL)
ትራንዚስተሮቹ አንዴ ከተገጣጠሙ በኋላ፣ ትራንዚስተሮቹን ወደ ወረዳ ለማገናኘት የተደረደሩ የብረት ንብርብሮች (መዳብ/ዝቅተኛ-ኪ ዳይኤሌክትሪክ) ይታከላሉ። በዘመናዊ SoCs ውስጥ፣ የብረት ንብርብሮች ብዛት ጥቅጥቅ ያሉ የውሂብ ማስተላለፊያ ፍላጎቶችን ለማሟላት በጣም ትልቅ ሊሆን ይችላል።
ሠ) ዳይሲንግ፣ ማሸጊያ እና ሙከራ
ዋፈሮቹ ወደ ዳይስ ተቆርጠው ከዚያም ይታሸጋሉ። ለስማርት ስልኮች፣ ማሸጊያው የሚከተሉትን መደገፍ አለበት፡
- አነስተኛ መጠን፣
- የሙቀት መሟጠጥ፣
- ከፍተኛ የምልክት ትክክለኛነት፣
- ዝቅተኛ የኃይል ፍጆታ።
እንደ ፍሊፕ-ቺፕ፣ ዋፈር-ደረጃ ማሸጊያ እና የPoP (ጥቅል-በጥቅል ላይ) ውህደት ያሉ ቴክኒኮች በተደጋጋሚ ጥቅም ላይ ይውላሉ።
4. ሊትግራፊ፡ ትራንዚስተሮችን ለመቀነስ ቁልፉ
ሊቶግራፊ በብርሃን እና በፎቶ ሬዚስት በመጠቀም በዋፈር ላይ የወረዳ ቅጦችን "የማተም" ሂደት ነው። የሚታተሙት ባህሪያት ባነሱ ቁጥር ሂደቱ የበለጠ አስቸጋሪ ይሆናል።
DUV vs EUV
– DUV (ጥልቅ አልትራቫዮሌት) 193 nm የሞገድ ርዝመት ይጠቀማል። ለትናንሽ ኖዶች፣ DUV ውስብስብ እና ውድ የሆኑ ባለብዙ ንድፍ ቴክኒኮችን (ድርብ፣ ሶስትዮሽ፣ ባለአራት እጥፍ ንድፍ) ይፈልጋል።
– EUV (Extreme Ultraviolet) 13,5 nm የሞገድ ርዝመት ይጠቀማል። EUV በጣም ትንሽ የሆኑ ባህሪያትን ማተምን ቀላል ያደርገዋል፣ የብዙ ንድፍ ደረጃዎችን ቁጥር ይቀንሳል፣ ትክክለኛነትን ይጨምራል፣ እና የመሳሪያው ዋጋ በጣም ከፍተኛ ቢሆንም ምርትን ሊያሻሽል ይችላል።
የመጀመሪያዎቹ 7nm ኖዶች በDUV ባለብዙ ንድፍ ላይ በእጅጉ የተመኩ ሲሆን፣ 5nm እና 3nm ደግሞ ይበልጥ ወሳኝ በሆኑ ንብርብሮች ላይ በ EUV ላይ የበለጠ ጥገኛ ናቸው።
5. የትራንዚስተር መዋቅር ዝግመተ ለውጥ፡ ፕላናር → FinFET → GAAFET
አውሮፕላን
ጠፍጣፋ ትራንዚስተሮች እስከ 28 nm–20 nm ድረስ የበላይ ነበሩ። ትራንዚስተሮች እያነሱ ሲሄዱ የቻናሉ የበር ቁጥጥር ይዳከምና መፍሰስም ይጨምራል።
FinFET
FinFETs "ፊንስ" ያስተዋውቃሉ ስለዚህ በሩ ቻናሉን ከብዙ ጎኖች ይቆጣጠራል። ይህ የኤሌክትሮስታቲክ መቆጣጠሪያን ያሻሽላል እና መፍሰስን ያቆማል። በ16/14 nm እስከ 4 nm ክልል ውስጥ ያሉ ብዙ ታዋቂ የስማርትፎን ሶሲዎች አሁንም በFinFETs ላይ የተመሰረቱ ናቸው።
GAAFET (በሁሉም ዙሪያ)
GAAFETs ቻናሉን ሙሉ በሙሉ ይሸፍናሉ (ለምሳሌ፣ ናኖሼቶች)፣ በጣም በትንሽ መጠኖች የተሻለ ቁጥጥር ይሰጣሉ። FinFETs የመጠን ገደባቸውን መድረስ ሲጀምሩ ወደ GAAFETs የሚደረግ ሽግግር ለቀጣዩ ትውልድ ኖዶች ወሳኝ እርምጃ ነው።
ለስማርትፎን ARM ቺፕስ፣ የGAAFET ጥቅሞች በኃይል ቆጣቢነት - ለባትሪ ዕድሜ ወሳኝ - እና በከባድ ሸክሞች (ጨዋታ፣ በመሳሪያ ላይ ያለ AI፣ 4K/8K የቪዲዮ ቀረጻ) ውስጥ ይሰማቸዋል።
6. በስማርትፎን ሶሲ ላይ የሂደት ኖድ
ዝርዝሮቹ በተለያዩ ፋብሪካዎች መካከል የተለያዩ ቢሆኑም፣ አጠቃላይ አዝማሚያዎቹ እንደሚከተለው ናቸው፡
7 nm እና ተዋጽኦዎቹ
ይህ ኖድ ከ10nm/12nm ጋር ሲነጻጸር በጥግግት እና በቅልጥፍና ረገድ ጉልህ የሆነ ዝላይን ያሳያል። ብዙ 7nm SoCዎች የተሻሻለ የጂፒዩ አፈጻጸም እና የበለጠ ውስብስብ የሞደም ውህደትን መንገድ ይጠርጋሉ።
5 ናም / 4 ናም
5nm የEUV ተቀባይነት በስፋት መታየት ጀምሯል። "4nm" ብዙውን ጊዜ የተሻሻለ ጥግግት፣ አፈጻጸም ወይም ቅልጥፍና ማመቻቸት ያላቸው ከ5nm በላይ ማሻሻያዎችን ያመለክታል። በዚህ ዘመን፣ የNPU/AI አፋጣኝ መሳሪያዎች በኮምፒውተር ካሜራ ሂደት እና በመሳሪያ ላይ ቀላል ክብደት ያለው የAI ፍላጎት ምክንያት በፍጥነት እያደጉ ናቸው።
3 nm
3nm ለኃይል ቅልጥፍና እና ጥግግት ጉልህ የሆነ ምዕራፍ ነው። ሆኖም ግን፣ የማምረቻ ወጪዎች እየጨመሩ ነው፣ የዲዛይን ውስብስብነት እየጨመረ ነው፣ እና ጥቅጥቅ ያሉ ትራንዚስተሮች የሙቀት ተግዳሮቶችን እየጨመሩ ሲሄዱ የሙቀት አስተዳደር በጣም ወሳኝ እየሆነ መጥቷል።
7. ምርት፣ ቢን እና ለምን ብዙ የቺፕ ልዩነቶች አሉ
በጅምላ ምርት ውስጥ፣ በዋፈር ላይ ያሉ ሁሉም ዳይሶች ፍጹም አይደሉም። ምርት ማለት የቺፖችን ዝርዝር መግለጫዎችን የሚያልፉ መቶኛ ነው። የፋውንድሪ እና የSoC ሻጮች የሚከተሉትን ያደርጋሉ፡
- የዋፈር ደርድር እና ተግባራዊ ሙከራ፣
– በተደጋጋሚነት/ቮልቴጅ አቅም ላይ የተመሰረተ የጥራት ቡድን (ቢኒንግ)፣
- አንዳንድ ጊዜ የተለያዩ አማራጮችን ለመሸጥ አንዳንድ ክፍሎችን (ለምሳሌ የተወሰኑ የጂፒዩ ክላስተሮችን) ያሰናክሉ።
በገበያ ላይ ተመሳሳይ የሆኑ ነገር ግን የተለያየ አፈጻጸም ያላቸው በርካታ የSoC ስሪቶች ወይም ከፍተኛ ጥራት ካላቸው ቢኖች የሚመጡ “Plus/Pro” ስሪቶች ያሉበት ምክንያት ይህ ነው።
8. በስማርትፎኖች ላይ የማምረቻ ውጤት በARM አርክቴክቸር ዲዛይን ላይ የሚያሳድረው ተጽዕኖ
የማምረቻ ቴክኖሎጂ ሻጮች እንደ big.LITTLE ወይም DynamIQ ያሉ የARM ኮር ውቅሮችን እንዴት እንደሚነድፉ ላይ ተጽዕኖ ያሳድራል፡ ከፍተኛ አፈጻጸም ያላቸው ኮሮች እና ዝቅተኛ ኃይል ያላቸው ኮሮች ጥምረት። ከላቁ ኖዶች ጋር፡
- ከፍተኛ አፈጻጸም ያላቸው ኮሮች በተመሳሳይ ኃይል በፍጥነት ሊሰሩ ይችላሉ፣
- ቀልጣፋ ኮሮች ለቀላል ስራዎች የበለጠ ኢኮኖሚያዊ ሊሆኑ ይችላሉ፣
- መሸጎጫውን ከመጠን በላይ ሳያሰፋ ሊሰፋ ይችላል፣
- ለካሜራ ማቀነባበሪያ፣ ለድምጽ እና ለጄኔሬቲቭ ባህሪያት የAI ማፋጠጫዎች ሊጨመሩ ይችላሉ።
ነገር ግን ትናንሽ ኖዶችም ተግዳሮቶችን ያስከትላሉ፤ እነዚህም በተወሰኑ ሁኔታዎች ስር መፍሰስ፣ የማምረቻ ልዩነቶች እና የበለጠ ጥብቅ የኃይል አቅርቦት ዲዛይን መስፈርቶች ናቸው።
9. ማሸግ እና ውህደት፡- “nm” ብቻ አይደለም
የስማርትፎኖች እድገት የሚወሰነው በትናንሽ ትራንዚስተሮች ላይ ብቻ ሳይሆን በስርዓት ውህደትም ላይ ነው፡
– ቦታ ለመቆጠብ በ SoC ላይ DRAM ለመደርደር PoP (ጥቅል-በጥቅል ላይ)።
- የላቀ ማሸጊያ የምልክት መንገድን፣ የመተላለፊያ ይዘትን እና ቅልጥፍናን ለማሻሻል ይረዳል።
- የኃይል እና የሙቀት ዲዛይን (የኃይል/የሙቀት ዲዛይን) በተለይም ለጨዋታ እና ለረጅም የቪዲዮ ቀረጻ ዘላቂ አፈጻጸምን ይወስናል።
እንደ ቺፕሌት ያሉ ፅንሰ ሀሳቦች በፒሲ/ሰርቨር ዓለም ውስጥ ተወዳጅነትን እያገኙ ቢሆንም፣ በስማርት ስልኮች ላይ ያላቸው አተገባበር በቦታ ገደቦች፣ በወጪ ገደቦች እና ጥብቅ የኃይል መስፈርቶች ምክንያት የበለጠ ፈታኝ ነው። ያም ሆኖ፣ ኢንዱስትሪው እየጨመረ ለሚሄደው ብልህ ውህደት ክፍት ሆኖ ቀጥሏል።
10. ኬሲምፑላን
የማምረቻ ቴክኖሎጂ በስማርትፎኖች ውስጥ በ ARM ላይ የተመሰረቱ ቺፖችን በፍጥነት፣ በኃይል ቆጣቢ እና በባህሪያት የበለፀጉ እንዲሆኑ የሚያስችል መሠረት ነው። ከ DUV እስከ EUV ሊቶግራፊ፣ ከፕላነር ትራንዚስተሮች እስከ FinFET እስከ GAAFET፣ እያንዳንዱ የሂደት ዝላይ በ SoC ችሎታዎች ላይ ጉልህ ለውጦችን ያመጣል፡ የጨዋታ አፈጻጸም፣ የኮምፒውተር ካሜራ ጥራት፣ በመሳሪያ ላይ ያለ AI እና የባትሪ ቅልጥፍና። ነገር ግን ከ “nm” ቁጥር በስተጀርባ ውስብስብ እውነታ አለ - ከፍተኛ የጭንብል ወጪዎች፣ የምርት ተግዳሮቶች፣ የሙቀት ዲዛይን እና የትራንዚስተር ፊዚክስ ገደቦች። ወደፊት ስንመለከት፣ የላቁ ኖዶች ጥምረት፣ ከጊዜ ወደ ጊዜ ቀልጣፋ የሆኑ የ ARM አርክቴክቸር ዲዛይኖች እና የማሸጊያ ፈጠራዎች የሚቀጥለውን የስማርትፎኖች ትውልድ መቅረጻቸውን ይቀጥላሉ።
ከፈለጉ፣ የTSMC እና የሳምሰንግ ፋውንድሪ ሚናዎችን የሚያነጻጽር የተወሰነ ክፍል ማከል ወይም እንደ አስፈላጊነቱ የጽሑፉን የበለጠ ቴክኒካዊ ስሪት (BEOL፣ low-k፣ ተለዋዋጭነት፣ የIR ጠብታ እና የሰዓት/የኃይል ጌት መወያየት) መፍጠር እችላለሁ።
