Смартфондор үчүн ARM чиптерин жасоо технологиясы
Заманбап смартфондордун өнүгүшү көбүнчө түзмөктүн "мээси" болгон процессорлордун (SoC/System-on-Chip) өнүгүшү менен аныкталат. Snapdragon, Dimensity, Exynos жана ал тургай Apple Silicon сыяктуу көптөгөн популярдуу SoCлер CPU көрсөтмөлөрү жана дизайны үчүн ARM архитектурасын колдонушат. Бирок, өндүрүмдүүлүк жана натыйжалуулук архитектура менен гана эмес, ошондой эле өндүрүш технологиясы менен да аныкталат: схемалардын дизайнын кремний пластиналарындагы физикалык чиптерге айландыруучу жарым өткөргүч өндүрүш процесси. Бул макалада смартфондор үчүн ARM негизиндеги чип жасоо технологиясы кандайча өнүккөндүгү, процесстин кандайча иштээри жана эмне үчүн 7нм, 5нм, 4нм жана 3нм сыяктуу түйүндөр ушунчалык маанилүү болуп калганы талкууланат.
1. ARM: Архитектура жана "ARM чипи"
Алгач, тактап алалы: ARM чип өндүрүүчүсү эмес. ARM (Arm Ltd.) негизинен Cortex-A (тиркеме CPU), Cortex-X (жогорку өндүрүмдүүлүк), Cortex-R (реалдуу убакыт режиминде) жана Mali GPU (айрым SoCлерде) сыяктуу көрсөтмөлөр топтомунун архитектураларын (ISA) жана IP өзөктөрүн иштеп чыгат. Qualcomm, MediaTek, Samsung жана Apple сыяктуу компаниялар андан кийин:
– ARM архитектурасын лицензиялоо,
– аны башка компоненттер (GPU, ISP, NPU, модем, кэш, интернет байланышы) менен айкалыштыруу,
– жана аны TSMC же Samsung Foundry сыяктуу куюучу заводдор аркылуу өндүрүңүз.
Ошентип, адамдар "ARM чипи" деп айтканда, алар көбүнчө ARM ISA колдонгон смартфондун SoCсин айтып жатышат, ал эми өндүрүш процесси жарым өткөргүч куюучу завод тарабынан жүргүзүлөт.
2. Эмне үчүн өндүрүш технологиясы маанилүү?
Көбүнчө процесстик түйүн деп аталган өндүрүш технологиясы (мисалы, 7 нм, 5 нм, 3 нм) үч негизги нерсеге таасир этет:
1. Иштөө жөндөмдүүлүгү: кичирээк транзисторлор, адатта, тезирээк которула алышат.
2. Кубаттуулуктун натыйжалуулугу: агып кетүү жана чыңалуу талаптарын азайтууга болот, бирок дайыма эле сызыктуу эмес.
3. Тыгыздык: бирдик аянтка көбүрөөк транзисторлор; чоңураак кэштерди, татаалыраак процессорлорду, кеңири графикалык процессорлорду жана күчтүүрөөк жасалма интеллект акселераторлорун иштетүү.
Бирок, "nm" саны мурдагыдай бир физикалык транзистордун өлчөмүн билдирбейт. Бул литография технологияларынын, долбоорлоо эрежелеринин жана тыгыздык/натыйжалуулук мүнөздөмөлөрүнүн жыйындысына байланыштуу түйүндүн белгиленишине көбүрөөк окшош.
3. Смартфондун SoC өндүрүшүнүн негизги этаптары
Жалпысынан алганда, чиптин дизайнынан смартфон продуктусуна чейинки жол бир нече этаптан өтөт:
а) Дизайн жана текшерүү
SoC жеткирүүчүлөрү IP блокторун (CPU, GPU, NPU) иштеп чыгышат, андан кийин симуляцияны, функционалдык текшерүүнү, убакытты текшерүүнү (STA) жана физикалык белгилөөнү (DRC/LVS) аткарышат. Дизайн максаттуу түйүндүн процесстик дизайн комплекти (PDK) менен шайкеш келиши керек.
б) Лента менен чаптоо
Тасманы алып салуу – бул акыркы дизайн куюучу заводго маска топтомун (фотомаска) жасоо үчүн жөнөтүлүүчү учур. Бул кымбат жана тобокелдүү этап: скотчту алып салгандан кийин дизайнды кайра карап чыгуу олуттуу чыгымдарга жана графиктин кечигүүсүнө алып келиши мүмкүн.
в) Вафли өндүрүү: Алдыңкы линия (FEOL)
FEOL – бул пластинадагы транзисторлордун пайда болушу — кошулуудан, каналдардын пайда болушунан, дарбазалардын пайда болушунан, изоляциядан жана башкалардан. Азыркы доордо транзистордук түзүлүштөр тегиздиктен FinFETке (фин) чейин эволюциялашып, GAAFETке (дарбаза ар тараптан) карай жылып баратат.
d) Өз ара байланыш: линиянын арткы аягы (BEOL)
Транзисторлор чогултулгандан кийин, транзисторлорду чынжырчага туташтыруу үчүн үймөктөлгөн металл катмарлары (жез/төмөн-k диэлектриги) кошулат. Заманбап SoCлерде тыгыз маалыматтарды багыттоо муктаждыктарын канааттандыруу үчүн металл катмарларынын саны бир топ көп болушу мүмкүн.
д) Кесүү, таңгактоо жана сыноо
Вафлилер калыптарга кесилип, андан кийин таңгакталат. Смартфондор үчүн таңгактоо төмөнкүлөрдү колдоого алышы керек:
– компакттуу өлчөмү,
– жылуулуктун бөлүнүп чыгышы,
– сигналдын жогорку бүтүндүгү,
- аз энергия керектөө.
Көп учурда чип түрүндөгү флип-чип, пластина деңгээлиндеги таңгактоо жана PoP (пакеттеги таңгак) интеграциясы сыяктуу ыкмалар колдонулат.
4. Литография: Транзисторлордун кичирейишинин ачкычы
Литография – бул жарык жана фоторезистти колдонуп, пластинага схема үлгүлөрүн "басып чыгаруу" процесси. Басылып чыгарыла турган өзгөчөлүктөр канчалык кичине болсо, процесс ошончолук татаалдашат.
DUV жана EUV
– DUV (терең ультрафиолет) 193 нм толкун узундугун колдонот. Кичинекей түйүндөр үчүн DUV татаал жана кымбат көп үлгүлүү ыкмаларды (кош, үч, төрт үлгүлүү) талап кылат.
– EUV (Extreme Ultraviolet) 13,5 нм толкун узундугун колдонот. EUV өтө кичинекей элементтерди басып чыгарууну жөнөкөйлөтөт, көп үлгүлүү кадамдардын санын азайтат, тактыкты жогорулатат жана натыйжаны жакшыртат, бирок жабдуулардын баасы абдан жогору.
Алгачкы 7 нм түйүндөр DUV көп үлгүсүнө көбүрөөк таянган, ал эми 5 нм жана 3 нм түйүндөр барган сайын маанилүү катмарларда EUVге көбүрөөк таянган.
5. Транзистордук түзүлүштүн эволюциясы: Тегиздик → FinFET → GAAFET
жалпак
Тегиз транзисторлор болжол менен 28 нм–20 нмге чейин доминанттык болгон. Транзисторлор кичирейген сайын, каналдын дарбазасын башкаруу алсырап, агып кетүү көбөйгөн.
FinFET
FinFETтер "канатчаларды" киргизишет, ошондуктан дарбаза каналды бир нече тараптан башкарат. Бул электростатикалык башкарууну жакшыртат жана агып кетүүнү басаңдатат. 16/14 нмден 4 нмге чейинки диапазондогу көптөгөн популярдуу смартфондордун SoCлери дагы эле FinFETтерге негизделген.
GAAFET (Дарбаза менен жарышуу)
GAAFETтер каналды толугу менен камтыйт (мисалы, нанобаракчалар), бул өтө кичинекей өлчөмдөрдө жакшыраак башкарууну камсыз кылат. FinFETтер масштабдоо чегине жете баштагандыктан, GAAFETтерге өтүү кийинки муундагы түйүндөр үчүн маанилүү кадам болуп саналат.
Смартфон ARM чиптери үчүн GAAFETтин артыкчылыктары батареянын иштөө мөөнөтү үчүн маанилүү болгон энергиянын натыйжалуулугунда жана оор жүктөмдөрдө (оюндар, түзмөктөгү жасалма интеллект, 4K/8K видео жаздыруу) туруктуу иштөөдө сезилет.
6. Смартфондун SoC'сундагы түйүндү иштетүү
Ар бир заводдо ар кандай маалыматтар болгону менен, жалпы тенденциялар төмөнкүдөй:
7 нм жана анын туундулары
Бул түйүн 10нм/12нмге салыштырмалуу тыгыздык жана натыйжалуулук боюнча олуттуу секирикти билдирет. Көптөгөн 7нм SoCлер GPU иштешин жакшыртууга жана модемдерди татаалыраак интеграциялоого жол ачат.
5 нм / 4 нм
5нм технологиясы EUV технологиясынын кеңири колдонулушуна алып келе баштады. "4нм" көбүнчө тыгыздыктын, иштин же натыйжалуулуктун оптималдаштырылышынын жакшырышы менен 5нм технологиясынын жакшырышын билдирет. Бул доордо, эсептөө камераларын иштетүүгө жана жеңил түзмөктөгү генеративдик ИИге болгон суроо-талаптан улам, NPU/ИИ акселераторлору тездик менен өсүп жатат.
3 нм
3нм энергиянын натыйжалуулугу жана тыгыздыгы үчүн маанилүү этап болуп саналат. Бирок, өндүрүш чыгымдары өсүп, долбоорлоонун татаалдыгы жогорулап, тыгыздыгы жогорулаган транзисторлор жылуулук көйгөйлөрүн күчөткөн сайын жылуулукту башкаруу барган сайын маанилүү болуп баратат.
7. Кирешелүүлүк, кутулоо жана эмне үчүн чиптин варианттары мынчалык көп
Массалык өндүрүштө пластинадагы бардык эле штаммдар кемчиликсиз боло бербейт. Чыгаруу - бул спецификациялардан өткөн чиптердин пайызы. Куюу заводдору жана SoC жеткирүүчүлөрү төмөнкүлөрдү жасашат:
– пластиналарды сорттоо жана функционалдык сыноо,
– жыштык/чыңалуу мүмкүнчүлүгүнө негизделген сапаттык топтоо (биннинг),
– кээде ар кандай варианттарды сатуу үчүн айрым блокторду (мисалы, айрым GPU кластерлерин) өчүрүп коюу.
Мына ошондуктан рынокто окшош, бирок ар кандай иштеши бар SoCлердин бир нече версиялары же жогорку сапаттагы контейнерлерден чыккан "Plus/Pro" версиялары бар.
8. Смартфондордогу ARM архитектурасынын дизайнына өндүрүштүн таасири
Өндүрүш технологиясы сатуучулардын ARM өзөк конфигурацияларын, мисалы, big.LITTLE же DynamIQ сыяктуу конфигурацияларды кантип иштеп чыгышына таасир этет: жогорку өндүрүмдүү өзөктөрдүн жана аз кубаттуулуктагы өзөктөрдүн айкалышы. Өркүндөтүлгөн түйүндөр менен:
– жогорку өндүрүмдүү өзөктөр ошол эле кубаттуулукта тезирээк иштей алат,
– натыйжалуу өзөктөр жеңил тапшырмалар үчүн үнөмдүү болушу мүмкүн,
– кэшти штампты өтө чоңойтпостон чоңойтсо болот,
– Камера иштетүү, үн жана генеративдик функциялар үчүн жасалма интеллект акселераторлорун кошууга болот.
Бирок кичинекей түйүндөр дагы кыйынчылыктарды жаратат: белгилүү бир шарттарда агып кетүү, өндүрүштүн вариациялары жана электр энергиясын жеткирүүнү долбоорлоонун катаал талаптары.
9. Таңгактоо жана интеграция: жөн гана "nm" эмес
Смартфондордун өнүгүшү кичинекей транзисторлорго гана эмес, системалык интеграцияга да көз каранды:
– Орун үнөмдөө үчүн DRAMды SoCтин үстүнө үйүү үчүн PoP (Package-on-Package).
– Өркүндөтүлгөн таңгактоо сигналдын жолун, өткөрүү жөндөмдүүлүгүн жана натыйжалуулукту жакшыртууга жардам берет.
– Кубаттуулук жана жылуулук дизайны (кубаттуулук/жылуулук дизайны) туруктуу иштөөнү аныктайт, айрыкча оюндар жана узак видео жаздыруулар үчүн.
Чиплеттер сыяктуу түшүнүктөр ЖК/сервер дүйнөсүндө популярдуулукка ээ болуп жатканы менен, аларды смартфондорго ишке ашыруу мейкиндиктин чектелүүлүгүнөн, чыгымдардын чектелүүлүгүнөн жана катуу кубаттуулук талаптарынан улам кыйыныраак. Ошого карабастан, тармак барган сайын акылдуу интеграцияга ачык бойдон калууда.
10. Кесимпулан
Өндүрүш технологиясы смартфондордогу ARM негизиндеги чиптердин барган сайын ылдам, энергияны үнөмдүү жана функцияларга бай болушуна мүмкүндүк берген негиз болуп саналат. DUVден EUV литографиясына, тегиз транзисторлордон FinFETке жана GAAFETке чейин, ар бир процесстик секирик SoC мүмкүнчүлүктөрүнө олуттуу өзгөрүүлөрдү алып келет: оюндун иштеши, эсептөө камерасынын сапаты, түзмөктөгү жасалма интеллект жана батареянын натыйжалуулугу. Бирок "nm" санынын артында татаал чындык жатат — маскалардын жогорку баасы, өндүрүмдүүлүк көйгөйлөрү, жылуулук дизайны жана транзистор физикасынын чектөөлөрү. Келечекке көз чаптырсак, өркүндөтүлгөн түйүндөрдүн, барган сайын натыйжалуу ARM архитектурасынын дизайндарынын жана таңгактоо инновацияларынын айкалышы кийинки муундагы смартфондорду калыптандырууну улантат.
Кааласаңыз, мен TSMC менен Samsung Foundry компанияларынын ролдорун салыштырган атайын бөлүм кошо алам же зарылчылыкка жараша макаланын техникалык версиясын (BEOL, төмөнкү k, өзгөрмөлүүлүк, IR төмөндөшү жана саат/кубаттуулукту башкаруу) түзө алам.
