ARM mikroshēmu ražošanas tehnoloģija viedtālruņiem
Mūsdienu viedtālruņu attīstību lielā mērā nosaka procesoru (SoC/System-on-Chips) attīstība, kas ir ierīces "smadzenes". Daudzi populāri SoC, piemēram, Snapdragon, Dimensity, Exynos un pat Apple Silicon, izmanto ARM arhitektūru kā pamatu savu CPU instrukcijām un dizainam. Tomēr veiktspēju un efektivitāti nosaka ne tikai arhitektūra, bet arī ražošanas tehnoloģija: pusvadītāju ražošanas process, kas pārveido shēmu dizainus fiziskās mikroshēmās uz silīcija plāksnēm. Šajā rakstā ir aplūkots, kā ir attīstījusies uz ARM balstīta mikroshēmu ražošanas tehnoloģija viedtālruņiem, kā šis process darbojas un kāpēc tādi mezgli kā 7nm, 5nm, 4nm un 3nm ir kļuvuši tik svarīgi.
1. ARM: arhitektūra pret “ARM mikroshēmu”
Vispirms precizēsim: ARM nav mikroshēmu ražotājs. ARM (Arm Ltd.) galvenokārt izstrādā instrukciju kopu arhitektūras (ISA) un IP kodolus, piemēram, Cortex-A (lietojumprogrammu centrālie procesori), Cortex-X (augstas veiktspējas), Cortex-R (reāllaika) un Mali grafiskie procesori (dažos sistēmas skaitļos). Uzņēmumi, piemēram, Qualcomm, MediaTek, Samsung un Apple:
– ARM arhitektūras licencēšana,
– apvienot to ar citiem komponentiem (GPU, ISP, NPU, modemu, kešatmiņu, savienojumu),
– un ražot to tādās lietuvēs kā TSMC vai Samsung Foundry.
Tātad, kad cilvēki saka “ARM mikroshēma”, viņi parasti domā viedtālruņa SoC, kas izmanto ARM ISA, savukārt ražošanas procesu veic pusvadītāju lietuve.
2. Kāpēc ražošanas tehnoloģija ir svarīga?
Ražošanas tehnoloģija, ko bieži sauc par procesa mezglu (piemēram, 7 nm, 5 nm, 3 nm), ietekmē trīs galvenās lietas:
1. Veiktspēja: mazāki tranzistori parasti var pārslēgties ātrāk.
2. Energoefektivitāte: noplūdes un sprieguma prasības var samazināt, lai gan ne vienmēr lineāri.
3. Blīvums: vairāk tranzistoru uz laukuma vienību; tas ļauj izmantot lielākas kešatmiņas, sarežģītākus centrālos procesorus, platākus grafiskos procesorus un jaudīgākus mākslīgā intelekta paātrinātājus.
Tomēr skaitlis "nm" vairs neatspoguļo viena fiziskā tranzistora izmēru, kā tas bija agrāk. Tas drīzāk ir mezgla apzīmējums, kas saistīts ar litogrāfijas tehnoloģiju kopumu, projektēšanas noteikumiem un blīvuma/efektivitātes raksturlielumiem.
3. Viedtālruņa SoC izgatavošanas galvenie posmi
Kopumā ceļš no mikroshēmas dizaina līdz viedtālruņa produktam iet cauri vairākiem posmiem:
a) Projektēšana un verifikācija
Sistēmas mikroshēmu (SoC) pārdevēji izstrādā IP blokus (CPU, GPU, NPU), pēc tam veic simulāciju, funkcionālo verifikāciju, laika verifikāciju (STA) un fizisko apstiprināšanu (DRC/LVS). Projektam jābūt saderīgam ar mērķa mezgla procesu projektēšanas komplektu (PDK).
b) Izlīmēšana
Izlīmēšana ir brīdis, kad galīgais dizains tiek nosūtīts uz rūpnīcu, lai to pārveidotu par masku komplektu (fotomasku). Šis ir dārgs un riskants posms: dizaina pārskatīšana pēc izlīmēšanas var nozīmēt ievērojamas izmaksas un laika grafika kavēšanos.
c) Vafeļu ražošana: līnijas sākumposms (FEOL)
FEOL ir tranzistoru veidošana uz vafeles — sākot ar dopingu, kanālu veidošanu, vārtu veidošanu, izolāciju utt. Mūsdienās tranzistoru struktūras ir attīstījušās no plaknes līdz FinFET (fin) un virzās uz GAAFET (all gate) (visapkārt esošie vārti).
d) Starpsavienojums: līnijas galapunkts (BEOL)
Kad tranzistori ir salikti, tiek pievienoti sakrauti metāla slāņi (varš/zema k dielektriķis), lai savienotu tranzistorus ķēdē. Mūsdienu SoC metāla slāņu skaits var būt diezgan liels, lai apmierinātu blīvas datu maršrutēšanas vajadzības.
e) Sagriešana kubiņos, iepakošana un testēšana
Plāksnes tiek sagrieztas matricās un pēc tam iepakotas. Viedtālruņu iepakojumam ir jāatbalsta:
– kompakts izmērs,
– siltuma izkliede,
– augsta signāla integritāte,
– zems enerģijas patēriņš.
Bieži tiek izmantotas tādas metodes kā flip-chip, vafeļu līmeņa iepakošana un PoP (Package-on-Package) integrācija.
4. Litogrāfija: tranzistoru saraušanās atslēga
Litogrāfija ir shēmas rakstu "drukāšanas" process uz vafeles, izmantojot gaismu un fotorezistu. Jo mazākas ir drukājamās detaļas, jo sarežģītāks ir process.
DUV pret EUV
– DUV (Deep Ultraviolet — dziļais ultravioletais starojums) izmanto 193 nm viļņa garumu. Maziem mezgliem DUV ir nepieciešamas sarežģītas un dārgas daudzrakstu veidošanas metodes (divkārša, trīskārša, četrkārša rakstu veidošana).
– EUV (Extreme Ultraviolet — galējais ultravioletais starojums) izmanto 13,5 nm viļņa garumu. EUV vienkāršo ļoti mazu elementu drukāšanu, samazina daudzrakstu veidošanas soļu skaitu, palielina precizitāti un potenciāli uzlabo ražību, lai gan iekārtu izmaksas ir ļoti augstas.
Agrīnie 7 nm mezgli lielā mērā paļāvās uz DUV daudzrakstu veidošanu, savukārt 5 nm un 3 nm mezgli arvien vairāk paļaujas uz EUV kritiskākos slāņos.
5. Tranzistora struktūras evolūcija: plaknes → FinFET → GAAFET
Planar
Līdz aptuveni 28 nm–20 nm diametrā dominēja plakanie tranzistori. Tranzistoriem kļūstot mazākiem, kanāla vārtu vadība vājinājās un noplūde palielinājās.
FinFET
FinFET tranzistori ievieš "spuras", tāpēc vārti kontrolē kanālu no vairākām pusēm. Tas uzlabo elektrostatisko kontroli un novērš noplūdi. Daudzi populāri viedtālruņu SoC 16/14 nm līdz 4 nm diapazonā joprojām ir balstīti uz FinFET tranzistoriem.
GAAFET (Visapkārt esošie vārti)
GAAFET tranzistori pilnīgāk nosedz kanālu (piemēram, nanoslāksnes), nodrošinot labāku kontroli ļoti mazos izmēros. Pāreja uz GAAFET tranzistoriem ir kritisks solis nākamās paaudzes mezgliem, jo FinFET tranzistori sāk sasniegt savas mērogošanas robežas.
Viedtālruņu ARM mikroshēmām GAAFET priekšrocības būs jūtamas energoefektivitātē, kas ir izšķiroši svarīgi akumulatora darbības laikam, un veiktspējas stabilitātē lielas slodzes apstākļos (spēles, ierīcē iebūvēts mākslīgais intelekts, 4K/8K video ierakstīšana).
6. Procesa mezgls viedtālruņa SoC
Lai gan detaļas dažādās lietuvēs atšķiras, vispārējās tendences ir šādas:
7 nm un tā atvasinājumi
Šis mezgls ir ievērojams lēciens blīvuma un efektivitātes ziņā, salīdzinot ar 10 nm/12 nm. Daudzi 7 nm SoC paver ceļu uzlabotai GPU veiktspējai un sarežģītākai modema integrācijai.
5nm / 4nm
5 nm tehnoloģija sāk kļūt arvien plašāk pieejama EUV tehnoloģijās. "4 nm" bieži attiecas uz uzlabojumiem salīdzinājumā ar 5 nm tehnoloģiju, uzlabojot blīvumu, veiktspēju vai efektivitātes optimizāciju. Šajā laikmetā NPU/AI paātrinātāju popularitāte strauji pieaug, pateicoties pieprasījumam pēc skaitļošanas kameru apstrādes un vieglas ierīcē iebūvētas ģeneratīvās mākslīgā intelekta.
3 nm
3 nm ir nozīmīgs pagrieziena punkts energoefektivitātes un blīvuma ziņā. Tomēr ražošanas izmaksas pieaug, dizaina sarežģītība pieaug, un termiskā pārvaldība kļūst arvien svarīgāka, jo blīvāki tranzistori palielina termiskās problēmas.
7. Ienesīgums, atkritumu tvertne un kāpēc ir tik daudz mikroshēmu variantu
Masveida ražošanā ne visi mikroshēmas uz vafeles ir perfektas. Ienesīgums ir mikroshēmu procentuālā daļa, kas atbilst specifikācijām. Liešanas rūpnīcas un SoC pārdevēji rīkojas šādi:
– vafeļu šķirošana un funkcionālā testēšana,
– kvalitātes grupēšana (grupēšana), pamatojoties uz frekvences/sprieguma iespējām,
– dažreiz atspējo dažas vienības (piemēram, noteiktus GPU klasterus), lai pārdotu dažādus variantus.
Šī iemesla dēļ tirgū ir pieejamas vairākas līdzīgas, bet atšķirīgas veiktspējas SoC versijas vai “Plus/Pro” versijas, kas nāk no augstākas kvalitātes korpusiem.
8. Ražošanas ietekme uz ARM arhitektūras dizainu viedtālruņos
Ražošanas tehnoloģija ietekmē to, kā pārdevēji izstrādā ARM kodolu konfigurācijas, piemēram, big.LITTLE vai DynamIQ: augstas veiktspējas kodolu un mazjaudas kodolu kombināciju. Ar modernākiem mezgliem:
– augstas veiktspējas kodoli var darboties ātrāk ar tādu pašu jaudu,
– efektīvi kodoli var būt ekonomiskāki viegliem uzdevumiem,
– kešatmiņu var palielināt, pārmērīgi nepalielinot mikroshēmu,
– Kameras apstrādei, balss un ģeneratīvajām funkcijām var pievienot mākslīgā intelekta paātrinātājus.
Taču mazāki mezgli rada arī izaicinājumus: noplūde noteiktos apstākļos, ražošanas variācijas un stingrākas jaudas piegādes projektēšanas prasības.
9. Iepakojums un integrācija: ne tikai “nm”
Viedtālruņu attīstība ir atkarīga ne tikai no maziem tranzistoriem, bet arī no sistēmu integrācijas:
– PoP (Package-on-Package — pakotne vienā iepakojumā), lai DRAM tiktu novietots virs SoC, tādējādi ietaupot vietu.
– Uzlabots iepakojums palīdz uzlabot signāla ceļu, joslas platumu un efektivitāti.
– Jaudas un termiskais dizains (jaudas/termiskais dizains) nosaka ilgstošu veiktspēju, īpaši spēlēm un ilgstošai videoierakstīšanai.
Lai gan tādi koncepti kā mikroshēmas iegūst popularitāti datoru/serveru pasaulē, to ieviešana viedtālruņos ir sarežģītāka vietas ierobežojumu, izmaksu ierobežojumu un stingru jaudas prasību dēļ. Neskatoties uz to, nozare joprojām ir atvērta arvien inteliģentākai integrācijai.
10. Kesimpulāns
Ražošanas tehnoloģija ir pamats, kas ļauj viedtālruņu ARM mikroshēmām kļūt arvien ātrākām, energoefektīvākām un funkcijām bagātākām. No DUV līdz EUV litogrāfijai, no plaknes tranzistoriem līdz FinFET un GAAFET, katrs procesa lēciens rada būtiskas izmaiņas SoC iespējās: spēļu veiktspējā, skaitļošanas kameras kvalitātē, ierīces mākslīgajā intelektā un akumulatora efektivitātē. Taču aiz "nm" skaitļa slēpjas sarežģīta realitāte — augstas masku izmaksas, ražas problēmas, termiskais dizains un tranzistoru fizikas ierobežojumi. Raugoties nākotnē, progresīvāku mezglu, arvien efektīvāku ARM arhitektūras dizainu un iepakojuma inovāciju kombinācija turpinās veidot nākamo viedtālruņu paaudzi.
Ja vēlaties, varu pievienot īpašu sadaļu, kurā salīdzinātas TSMC un Samsung Foundry lomas, vai arī izveidot tehniskāku raksta versiju (apspriežot BEOL, zemu k, mainīgumu, IR kritumu un pulksteņa/jaudas regulēšanu).
