ARM չիպերի արտադրության տեխնոլոգիա սմարթֆոնների համար
Ժամանակակից սմարթֆոնների զարգացումը մեծապես պայմանավորված է պրոցեսորների (SoCs/System-on-Chip) զարգացմամբ, որոնք ծառայում են որպես սարքի «ուղեղներ»: Շատ հայտնի SoC-ներ, ինչպիսիք են Snapdragon-ը, Dimensity-ն, Exynos-ը և նույնիսկ Apple Silicon-ը, օգտագործում են ARM ճարտարապետությունը որպես իրենց պրոցեսորի հրահանգների և նախագծման հիմք: Այնուամենայնիվ, կատարողականությունն ու արդյունավետությունը որոշվում են ոչ միայն ճարտարապետությամբ, այլև արտադրության տեխնոլոգիայով՝ կիսահաղորդիչների արտադրության գործընթացով, որը սխեմաների դիզայնը վերածում է սիլիկոնային վաֆլերի վրա գտնվող ֆիզիկական չիպերի: Այս հոդվածը քննարկում է, թե ինչպես է զարգացել սմարթֆոնների համար ARM-ի վրա հիմնված չիպերի արտադրության տեխնոլոգիան, ինչպես է աշխատում գործընթացը և ինչու են 7 նմ, 5 նմ, 4 նմ և 3 նմ նման հանգույցները դարձել այդքան կարևոր:
1. ARM. Ճարտարապետություն ընդդեմ «ARM չիպի»
Նախ, պարզաբանենք. ARM-ը չիպերի արտադրող չէ: ARM-ը (Arm Ltd.) հիմնականում նախագծում է հրահանգների հավաքածուի ճարտարապետություններ (ISA) և IP միջուկներ, ինչպիսիք են Cortex-A-ն (կիրառական պրոցեսորներ), Cortex-X-ը (բարձր արդյունավետությամբ), Cortex-R-ը (իրական ժամանակի) և Mali GPU-ները (որոշ SoC-ներում): Այնուհետև Qualcomm-ը, MediaTek-ը, Samsung-ը և Apple-ը նախագծում են.
– ARM ճարտարապետության լիցենզավորում,
– համատեղել այն այլ բաղադրիչների հետ (GPU, ISP, NPU, մոդեմ, քեշ, փոխկապակցվածություն),
– և արտադրել այն TSMC-ի կամ Samsung Foundry-ի նման ձուլարանների միջոցով։
Այսպիսով, երբ մարդիկ ասում են «ARM չիպ», նրանք սովորաբար նկատի ունեն սմարթֆոնի SoC, որն օգտագործում է ARM ISA, մինչդեռ արտադրության գործընթացն իրականացվում է կիսահաղորդչային ձուլարանի կողմից։
2. Ինչո՞ւ է արտադրության տեխնոլոգիան կարևոր։
Արտադրության տեխնոլոգիան, որը հաճախ անվանում են գործընթացային հանգույց (օրինակ՝ 7 նմ, 5 նմ, 3 նմ), ազդում է երեք հիմնական բանի վրա՝
1. Արդյունավետություն. փոքր տրանզիստորները սովորաբար կարող են ավելի արագ անցնել։
2. Էներգաարդյունավետություն. արտահոսքի և լարման պահանջները կարող են կրճատվել, չնայած ոչ միշտ գծային կերպով։
3. Խտություն. ավելի շատ տրանզիստորներ մեկ միավոր մակերեսի վրա, ինչը հնարավորություն է տալիս օգտագործել ավելի մեծ քեշային հիշողություններ, ավելի բարդ պրոցեսորներ, ավելի լայն գրաֆիկական պրոցեսորներ և ավելի հզոր արհեստական բանականության արագացուցիչներ։
Սակայն, «նմ» թիվը այլևս չի ներկայացնում մեկ ֆիզիկական տրանզիստորի չափ, ինչպես նախկինում էր։ Այն ավելի շատ հանգույցի նշանակում է, որը կապված է լիտոգրաֆիայի տեխնոլոգիաների, նախագծման կանոնների և խտության/արդյունավետության բնութագրերի հետ։
3. Սմարթֆոնի SoC արտադրության հիմնական փուլերը
Ընդհանուր առմամբ, չիպի դիզայնից մինչև սմարթֆոնի արտադրանք անցնելու ճանապարհը անցնում է մի քանի փուլով.
ա) Նախագծում և ստուգում
SoC մատակարարները նախագծում են IP բլոկները (CPU, GPU, NPU), այնուհետև կատարում են սիմուլյացիա, ֆունկցիոնալ ստուգում, ժամանակի ստուգում (STA) և ֆիզիկական ստորագրում (DRC/LVS): Դիզայնը պետք է համատեղելի լինի թիրախային հանգույցի գործընթացների նախագծման հավաքածուի (PDK) հետ:
բ) Ժապավենով ամրացում
Ժապավենով ամրացումը այն կետն է, երբ վերջնական նախագիծն ուղարկվում է ձուլարան՝ դիմակների հավաքածուի (լուսադիմակ) վերածելու համար: Սա թանկ և ռիսկային փուլ է. ժապավենով ամրացումից հետո նախագծի վերանայումները կարող են նշանակել զգալի ծախսեր և ժամանակացույցի ուշացումներ:
գ) Վաֆլիների արտադրություն. գծի առաջնային ծայր (FEOL)
FEOL-ը տրանզիստորների ձևավորումն է թիթեղի վրա՝ դոպինգից, ալիքի ձևավորումից, դարպասի ձևավորումից, մեկուսացումից և այլն: Ժամանակակից դարաշրջանում տրանզիստորային կառուցվածքները զարգացել են պլանարից մինչև FinFET (fin) և շարժվում են դեպի GAAFET (gate-all-around):
դ) Միջկապ. Գծի հետևի ծայր (BEOL)
Տրանզիստորները հավաքվելուց հետո, ավելացվում են դարսված մետաղական շերտեր (պղինձ/ցածր k դիէլեկտրիկ)՝ տրանզիստորները շղթայի մեջ միացնելու համար: Ժամանակակից SoC-ներում մետաղական շերտերի քանակը կարող է բավականին մեծ լինել՝ խիտ տվյալների երթուղավորման կարիքները բավարարելու համար:
ե) Կտրատում, փաթեթավորում և փորձարկում
Վաֆլիները կտրվում են կաղապարների մեջ, ապա փաթեթավորվում: Սմարթֆոնների փաթեթավորումը պետք է ապահովի.
- կոմպակտ չափս,
- ջերմության ցրում,
- բարձր ազդանշանային ամբողջականություն,
- ցածր էներգիայի սպառում:
Հաճախ օգտագործվում են այնպիսի տեխնիկաներ, ինչպիսիք են flip-chip-ը, վաֆլի մակարդակի փաթեթավորումը և PoP (փաթեթի վրա փաթեթ) ինտեգրումը։
4. Լիտոգրաֆիա. տրանզիստորների կծկման բանալին
Լիտոգրաֆիան լույսի և լուսառեզիստի միջոցով թիթեղի վրա սխեմաների նախշերը «տպելու» գործընթաց է: Որքան փոքր են տպագրվող տարրերը, այնքան ավելի դժվար է գործընթացը:
DUV vs EUV
– DUV-ն (խորը ուլտրամանուշակագույն) օգտագործում է 193 նմ ալիքի երկարություն: Փոքր հանգույցների համար DUV-ն պահանջում է բարդ և թանկարժեք բազմակի նախշերի ստեղծման տեխնիկա (կրկնակի, եռակի, քառակի նախշերի ստեղծում):
– EUV (Extreme Ultraviolet)-ը օգտագործում է 13,5 նմ ալիքի երկարություն: EUV-ն պարզեցնում է շատ փոքր տարրերի տպագրությունը, նվազեցնում է բազմաձևման քայլերի քանակը, մեծացնում է ճշգրտությունը և հնարավոր է՝ բարելավում է արտադրողականությունը, չնայած սարքավորումների արժեքը շատ բարձր է:
Վաղ 7 նմ հանգույցները մեծապես կախված էին DUV բազմապատրերինինգից, մինչդեռ 5 նմ և 3 նմ հանգույցները ավելի ու ավելի են կախված EUV-ից ավելի կարևոր շերտերում։
5. Տրանզիստորի կառուցվածքի էվոլյուցիան. Պլանար → FinFET → GAAFET
Պլանար
Պլանար տրանզիստորները գերիշխող էին մինչև մոտ 28 նմ-20 նմ երկարություն։ Տրանզիստորների փոքրացմանը զուգընթաց, ալիքի դարպասի կառավարումը թուլանում էր, իսկ արտահոսքը մեծանում էր։
FinFET
FinFET-ները ներառում են «թևիկներ», որպեսզի դարպասը վերահսկի ալիքը բազմաթիվ կողմերից: Սա բարելավում է էլեկտրաստատիկ կառավարումը և կանխում արտահոսքը: 16/14 նմ-ից մինչև 4 նմ միջակայքում շատ հայտնի սմարթֆոնների SoC-ներ դեռևս հիմնված են FinFET-ների վրա:
ԳԱՖԵՏ (Գեյթ-Ամբողջական)
GAAFET-ները (օրինակ՝ նանոշերտերը) ավելի լիարժեքորեն են ծածկում ալիքը, ապահովելով ավելի լավ վերահսկողություն շատ փոքր չափերի դեպքում։ GAAFET-ներին անցումը կարևոր քայլ է հաջորդ սերնդի հանգույցների համար, քանի որ FinFET-ները սկսում են հասնել իրենց մասշտաբավորման սահմաններին։
Սմարթֆոնների ARM չիպերի դեպքում GAAFET-ի առավելությունները կզգացվեն էներգաարդյունավետության մեջ, որը կարևոր է մարտկոցի աշխատանքի համար, և ծանր բեռների դեպքում (խաղեր, սարքի վրա արհեստական ինտելեկտ, 4K/8K տեսաձայնագրում) կատարողականի կայունության մեջ։
6. Սմարթֆոնի SoC-ի վրա պրոցեսային հանգույց
Թեև մանրամասները տարբերվում են տարբեր ձուլարաններում, ընդհանուր միտումները հետևյալն են.
7 նմ և դրա ածանցյալները
Այս հանգույցը ներկայացնում է խտության և արդյունավետության զգալի աճ՝ համեմատած 10նմ/12նմ-ի հետ։ Շատ 7նմ SoC-ներ հիմք են հանդիսանում GPU-ի բարելավված աշխատանքի և մոդեմի ավելի բարդ ինտեգրման համար։
5 նմ / 4 նմ
5 նմ-ում EUV-ի կիրառումը սկսում է ավելի լայն տարածում գտնել։ «4 նմ»-ը հաճախ վերաբերում է 5 նմ-ի համեմատ բարելավումներին՝ բարելավված խտությամբ, կատարողականությամբ կամ արդյունավետության օպտիմալացմամբ։ Այս դարաշրջանում NPU/AI արագացուցիչները արագ զարգանում են՝ հաշվիչ տեսախցիկի մշակման և սարքի վրա թեթև գեներատիվ արհեստական բանականության պահանջարկի պատճառով։
3 NM
3 նմ-ը էներգաարդյունավետության և խտության կարևորագույն հանգրվան է։ Այնուամենայնիվ, արտադրական ծախսերը աճում են, նախագծման բարդությունը մեծանում է, և ջերմային կառավարումը դառնում է ավելի ու ավելի կարևոր, քանի որ ավելի խիտ տրանզիստորները մեծացնում են ջերմային մարտահրավերները։
7. Yield, Bin, և ինչու կան այդքան շատ չիպերի տարբերակներ
Զանգվածային արտադրության մեջ ոչ բոլոր մամլիչներն են կատարյալ վաֆլիի վրա։ Արտադրողականությունը չիպերի այն տոկոսն է, որոնք համապատասխանում են սպեցիֆիկացիաներին։ Ձուլարաններն ու SoC մատակարարները անում են հետևյալը.
– վաֆլիների տեսակավորում և ֆունկցիոնալ փորձարկում,
– որակի խմբավորում (բինինգ)՝ հիմնված հաճախականության/լարման ունակության վրա,
– երբեմն անջատում են որոշ սարքեր (օրինակ՝ որոշակի GPU կլաստերներ)՝ տարբեր տարբերակներ վաճառելու համար։
Սա է պատճառը, որ շուկայում կան SoC-ների մի քանի տարբերակներ, որոնք նման են, բայց ունեն տարբեր արտադրողականություն, կամ «Plus/Pro» տարբերակներ, որոնք գալիս են ավելի բարձր որակի տարաներից։
8. Արտադրության ազդեցությունը սմարթֆոնների ARM ճարտարապետության նախագծման վրա
Արտադրության տեխնոլոգիան ազդում է այն բանի վրա, թե ինչպես են վաճառողները նախագծում ARM միջուկների կոնֆիգուրացիաները, ինչպիսիք են big.LITTLE-ը կամ DynamIQ-ը՝ բարձր արդյունավետության և ցածր էներգիայի միջուկների համադրություն: Ավելի առաջադեմ հանգույցներով՝
– բարձր արդյունավետությամբ միջուկները կարող են ավելի արագ աշխատել նույն հզորությամբ,
– արդյունավետ միջուկները կարող են ավելի տնտեսող լինել թեթև առաջադրանքների համար,
– քեշը կարող է մեծացվել առանց մատրիցը չափազանց մեծացնելու,
– Արհեստական բանականության արագացուցիչներ կարող են ավելացվել տեսախցիկի մշակման, ձայնի և գեներատիվ գործառույթների համար։
Սակայն փոքր հանգույցները նաև դժվարություններ են առաջացնում՝ որոշակի պայմաններում արտահոսք, արտադրական տատանումներ և ավելի խիստ էներգամատակարարման նախագծման պահանջներ։
9. Փաթեթավորում և ինտեգրում. Ոչ միայն «nm»
Սմարթֆոնների առաջընթացը կախված է ոչ միայն փոքր տրանզիստորներից, այլև համակարգային ինտեգրացիայից.
– PoP (Package-on-Package)՝ DRAM-ը SoC-ի վրա դասավորելու համար՝ տարածք խնայելու համար։
– Առաջադեմ փաթեթավորումը օգնում է բարելավել ազդանշանի ուղին, թողունակությունը և արդյունավետությունը։
– Հզորության և ջերմության դիզայնը (հզորության/ջերմության դիզայն) որոշում է կայուն աշխատանքը, հատկապես խաղերի և երկար տեսանկարահանումների ժամանակ։
Մինչդեռ չիպլետների նման հասկացությունները ժողովրդականություն են ձեռք բերում համակարգիչների/սերվերների աշխարհում, դրանց ներդրումը սմարթֆոններում ավելի դժվար է՝ տարածքային սահմանափակումների, ծախսերի և խիստ էներգիայի պահանջների պատճառով: Այնուամենայնիվ, ոլորտը շարունակում է բաց լինել ավելի ու ավելի խելացի ինտեգրման համար:
10. Քեսիմպուլան
Արտադրության տեխնոլոգիան այն հիմքն է, որը թույլ է տալիս սմարթֆոններում ARM-ի վրա հիմնված չիպերին դառնալ ավելի արագ, էներգաարդյունավետ և հարուստ ֆունկցիոնալությամբ: DUV-ից մինչև EUV լիտոգրաֆիա, պլանար տրանզիստորներից մինչև FinFET և GAAFET, յուրաքանչյուր գործընթացային թռիչք էական փոփոխություններ է բերում SoC հնարավորություններում՝ խաղերի կատարողականություն, հաշվողական տեսախցիկի որակ, սարքի վրա արհեստական բանականություն և մարտկոցի արդյունավետություն: Սակայն «նմ» թվի հետևում թաքնված է բարդ իրականություն՝ դիմակի բարձր արժեք, արտադրողականության հետ կապված խնդիրներ, ջերմային դիզայն և տրանզիստորային ֆիզիկայի սահմանափակումներ: Առաջ նայելով՝ ավելի առաջադեմ հանգույցների, ավելի արդյունավետ ARM ճարտարապետության դիզայնի և փաթեթավորման նորարարությունների համադրությունը կշարունակի ձևավորել սմարթֆոնների հաջորդ սերունդը:
Եթե ցանկանաք, կարող եմ ավելացնել առանձին բաժին, որտեղ համեմատվում են TSMC-ի և Samsung Foundry-ի դերերը, կամ անհրաժեշտության դեպքում ստեղծել հոդվածի ավելի տեխնիկական տարբերակ (քննարկելով BEOL-ը, low-k-ն, փոփոխականությունը, IR անկումը և ժամացույցի/հզորության դարպասավորումը):
