Смартфондарға арналған ARM чиптерін жасау технологиясы
Қазіргі заманғы смартфондардың дамуы көбінесе құрылғының «миы» болып табылатын процессорлардың (SoC/System-on-Chip) дамуымен анықталады. Snapdragon, Dimensity, Exynos және тіпті Apple Silicon сияқты көптеген танымал SoC процессорлары ARM архитектурасын CPU нұсқаулары мен дизайнының негізі ретінде пайдаланады. Дегенмен, өнімділік пен тиімділік тек архитектурамен ғана емес, сонымен қатар өндіріс технологиясымен де анықталады: тізбек конструкцияларын кремний пластиналарындағы физикалық чиптерге түрлендіретін жартылай өткізгіш өндіріс процесі. Бұл мақалада смартфондарға арналған ARM негізіндегі чип жасау технологиясының қалай дамығаны, процестің қалай жұмыс істейтіні және 7нм, 5нм, 4нм және 3нм сияқты түйіндер неге соншалықты маңызды болғаны талқыланады.
1. ARM: Сәулет және «ARM чипі»
Алдымен, нақтылап алайық: ARM чип өндірушісі емес. ARM (Arm Ltd.) негізінен Cortex-A (қолданбалы процессорлар), Cortex-X (жоғары өнімділік), Cortex-R (нақты уақыт режимінде) және Mali GPU (кейбір SoC-ларда) сияқты нұсқаулықтар жиынтығының архитектураларын (ISA) және IP ядроларын жасайды. Qualcomm, MediaTek, Samsung және Apple сияқты компаниялар:
– ARM архитектурасын лицензиялау,
– оны басқа компоненттермен (GPU, ISP, NPU, модем, кэш, өзара байланыс) біріктіру,
– және оны TSMC немесе Samsung Foundry сияқты құю зауыттары арқылы шығарыңыз.
Сондықтан адамдар «ARM чипі» дегенде, әдетте ARM ISA пайдаланатын смартфонның SoC-ін білдіреді, ал өндіріс процесін жартылай өткізгіш құю зауыты жүзеге асырады.
2. Өндіріс технологиясы неліктен маңызды?
Көбінесе технологиялық түйін деп аталатын өндіріс технологиясы (мысалы, 7 нм, 5 нм, 3 нм) үш негізгі нәрсеге әсер етеді:
1. Өнімділік: кішірек транзисторлар әдетте жылдамырақ ауыса алады.
2. Қуат тиімділігі: ағып кету және кернеу талаптарын азайтуға болады, бірақ әрқашан сызықтық емес.
3. Тығыздық: бірлік аумаққа көбірек транзисторлар; үлкенірек кэштерді, күрделірек процессорларды, кеңірек графикалық процессорларды және қуаттырақ жасанды интеллект үдеткіштерін пайдалануға мүмкіндік береді.
Дегенмен, «nm» саны бұрынғыдай бір физикалық транзистор өлшемін білдірмейді. Бұл литография технологияларының, жобалау ережелерінің және тығыздық/тиімділік сипаттамаларының жиынтығына қатысты түйіннің белгіленуі.
3. Смартфон SoC жасаудың негізгі кезеңдері
Жалпы, чип дизайнынан смартфон өніміне дейінгі жол бірнеше кезеңнен өтеді:
а) Дизайн және тексеру
SoC жеткізушілері IP блоктарын (CPU, GPU, NPU) жобалайды, содан кейін модельдеуді, функционалды тексеруді, уақытты тексеруді (STA) және физикалық қол қоюды (DRC/LVS) орындайды. Дизайн мақсатты түйіннің процесс дизайны жинағымен (PDK) үйлесімді болуы керек.
b) Таспаны алып тастау
Таспаны алып тастау - бұл соңғы дизайн құю зауытына маска жиынтығын (фотомаска) жасау үшін жіберілетін нүкте. Бұл қымбат және қауіпті кезең: таспаны алып тастағаннан кейін дизайнды қайта қарау айтарлықтай шығындар мен кестенің кешігуіне әкелуі мүмкін.
c) Вафли өндірісі: алдыңғы қатар (FEOL)
FEOL – пластинадағы транзисторлардың қалыптасуы — легирлеуден, арна қалыптастырудан, қақпа қалыптастырудан, оқшаулаудан және т.б. Қазіргі дәуірде транзисторлық құрылымдар жазықтықтан FinFET-ке (fin) дейін эволюцияланып, GAAFET-ке (gate-all-around) қарай жылжуда.
d) Өзара байланыс: Желінің артқы жағы (BEOL)
Транзисторлар жиналғаннан кейін, транзисторларды тізбекке қосу үшін қабаттасқан металл қабаттары (мыс/төмен-k диэлектрик) қосылады. Қазіргі заманғы SoC-де тығыз деректерді бағыттау қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін металл қабаттарының саны өте көп болуы мүмкін.
e) Текшелеу, қаптау және сынау
Вафлилер қалыптарға кесіліп, содан кейін қапталады. Смартфондар үшін қаптама келесілерді қолдауы керек:
– ықшам өлшем,
– жылудың таралуы,
– сигналдың жоғары тұтастығы,
– төмен қуат тұтыну.
Жиі чипті флип-чип, пластина деңгейіндегі қаптама және PoP (қаптамадағы қаптама) интеграциясы сияқты әдістер қолданылады.
4. Литография: транзисторлардың кішіреюінің кілті
Литография - жарық пен фоторезистті пайдаланып, пластинаға тізбек үлгілерін «басып шығару» процесі. Басып шығарылатын элементтер неғұрлым кішірек болса, процесс соғұрлым қиын болады.
DUV және EUV
– DUV (терең ультракүлгін) 193 нм толқын ұзындығын пайдаланады. Кішкентай түйіндер үшін DUV күрделі және қымбат көп үлгілеу әдістерін (қос, үш, төрт еселенген үлгілеу) қажет етеді.
– EUV (Extreme Ultraviolet) 13,5 нм толқын ұзындығын пайдаланады. EUV өте ұсақ элементтерді басып шығаруды жеңілдетеді, көп өрнектеу қадамдарының санын азайтады, дәлдікті арттырады және өнімділікті арттырады, дегенмен жабдықтың құны өте жоғары.
Алғашқы 7 нм түйіндер DUV көп үлгілеуіне қатты сүйенді, ал 5 нм және 3 нм түйіндер маңызды қабаттарда EUV-ге көбірек сүйенді.
5. Транзисторлық құрылымның эволюциясы: жазықтық → FinFET → GAAFET
Планар
Жазық транзисторлар шамамен 28 нм–20 нм дейін басым болды. Транзисторлар кішірейген сайын, арнаның қақпасын басқару әлсіреді және ағып кету артты.
FinFET
FinFET жүйелерінде қақпа арнаны бірнеше жағынан басқару үшін «қанаттарды» енгізу көзделеді. Бұл электростатикалық бақылауды жақсартады және ағып кетуді басады. 16/14 нм-ден 4 нм-ге дейінгі диапазондағы көптеген танымал смартфондық SoC процессорлары әлі де FinFET-терге негізделген.
GAAFET (қақпамен жарысу)
GAAFET-тер арнаны толығымен жабады (мысалы, наноқұсқалар), бұл өте кішкентай өлшемдерде жақсы басқаруды қамтамасыз етеді. FinFET-тер масштабтау шегіне жете бастағандықтан, GAAFET-терге көшу келесі буын түйіндері үшін маңызды қадам болып табылады.
Смартфон ARM чиптері үшін GAAFET артықшылықтары батареяның қызмет ету мерзімі үшін маңызды қуат тиімділігінде және ауыр жүктемелер кезінде (ойындар, құрылғыдағы жасанды интеллект, 4K/8K бейнежазба) өнімділік тұрақтылығында сезіледі.
6. Смартфонның SoC жүйесіндегі түйінді өңдеу
Құю зауыттары арасында мәліметтер әртүрлі болғанымен, жалпы үрдістер келесідей:
7 нм және оның туындылары
Бұл түйін 10 нм/12 нм-мен салыстырғанда тығыздық пен тиімділікте айтарлықтай секірісті білдіреді. Көптеген 7 нм SoC процессорлары GPU өнімділігін жақсартуға және модемді күрделірек интеграциялауға жол ашады.
5 нм / 4 нм
5нм EUV технологиясын қолдану кең тарала бастады. «4нм» көбінесе тығыздықты, өнімділікті немесе тиімділікті оңтайландыруды жақсартатын 5нм-ден асатын жақсартуларды білдіреді. Бұл дәуірде есептеу камераларын өңдеуге және құрылғыдағы жеңіл генеративті жасанды интеллектке сұранысқа байланысты NPU/AI үдеткіштері тез дамып келеді.
3 нм
3 нм қуат тиімділігі мен тығыздығы үшін маңызды кезең болып табылады. Дегенмен, өндіріс шығындары артып, жобалаудың күрделілігі артып келеді және тығыздығы жоғары транзисторлар жылулық қиындықтарды арттырған сайын жылуды басқару маңызды бола түсуде.
7. Кірістілік, қалдық және неге соншалықты көп чип нұсқалары бар
Жаппай өндірісте пластинадағы барлық қалыптар мінсіз бола бермейді. Шығымдылық - бұл сипаттамаларға сәйкес келетін чиптердің пайызы. Құю зауыттары мен SoC жеткізушілері келесі әрекеттерді орындайды:
– пластиналарды сұрыптау және функционалдық сынау,
– жиілік/кернеу мүмкіндігіне негізделген сапалық топтастыру (binning),
– кейде әртүрлі нұсқаларды сату үшін кейбір құрылғыларды (мысалы, белгілі бір GPU кластерлерін) өшіреді.
Міне, сондықтан нарықта ұқсас, бірақ әртүрлі өнімділікке ие SoC-тің бірнеше нұсқалары немесе жоғары сапалы қалталардан шыққан «Plus/Pro» нұсқалары бар.
8. Смартфондардағы ARM архитектурасының дизайнына өндірістің әсері
Өндіріс технологиясы өндірушілердің big.LITTLE немесе DynamIQ сияқты ARM ядросының конфигурацияларын қалай жобалауына әсер етеді: жоғары өнімді ядролар мен төмен қуатты ядролардың үйлесімі. Жетілдірілген түйіндермен:
– жоғары өнімді ядролар бірдей қуатта жылдамырақ жұмыс істей алады,
– тиімді ядролар жеңіл тапсырмалар үшін үнемдірек болуы мүмкін,
– кэшті матрицаны шамадан тыс үлкейтпей үлкейтуге болады,
– Камераларды өңдеу, дауысты басқару және генеративтік мүмкіндіктер үшін жасанды интеллект үдеткіштерін қосуға болады.
Бірақ кішігірім түйіндер де қиындықтар тудырады: белгілі бір жағдайларда ағып кету, өндірістік ауытқулар және қуат беруді жобалаудың қатаң талаптары.
9. Қаптама және интеграция: тек «nm» ғана емес
Смартфондардың дамуы тек шағын транзисторларға ғана емес, сонымен қатар жүйелік интеграцияға да байланысты:
– Орынды үнемдеу үшін SoC үстіне DRAM жадын жинауға арналған PoP (Package-on-Package).
– Жетілдірілген қаптама сигнал жолын, өткізу қабілеттілігін және тиімділікті жақсартуға көмектеседі.
– Қуат және жылу дизайны (қуат/жылу дизайны) тұрақты өнімділікті анықтайды, әсіресе ойындар мен ұзақ бейнежазбалар үшін.
Чиплеттер сияқты тұжырымдамалар ДК/сервер әлемінде танымал бола бастағанымен, оларды смартфондарға енгізу кеңістіктің шектеулілігіне, шығындардың шектеулілігіне және қуаттың қатаң талаптарына байланысты қиынырақ. Соған қарамастан, сала ақылды интеграцияға ашық болып қала береді.
10. Кесімпулан
Өндіріс технологиясы смартфондардағы ARM негізіндегі чиптердің жылдам, қуатты үнемдейтін және мүмкіндіктері мол болуына мүмкіндік беретін негіз болып табылады. DUV-дан EUV литографиясына, жазық транзисторлардан FinFET-ке және GAAFET-ке дейін әрбір процестік секіріс SoC мүмкіндіктеріне айтарлықтай өзгерістер әкеледі: ойын өнімділігі, есептеу камерасының сапасы, құрылғыдағы жасанды интеллект және батарея тиімділігі. Бірақ «nm» санының артында күрделі шындық жатыр - масканың жоғары құны, өнімділік қиындықтары, жылулық дизайн және транзистор физикасының шектеулері. Болашаққа көз жүгіртсек, дамыған түйіндердің, тиімдірек ARM архитектурасының дизайнының және қаптама инновацияларының үйлесімі келесі буын смартфондарын қалыптастыруды жалғастырады.
Қаласаңыз, TSMC және Samsung Foundry рөлдерін салыстыратын арнайы бөлім қоса аламын немесе қажет болған жағдайда мақаланың техникалық нұсқасын жасай аламын (BEOL, төмен k, өзгергіштік, инфрақызыл түсу және тактілік/қуат геймплейін талқылайды).
