ස්මාර්ට්ෆෝන් සඳහා ARM චිප් නිෂ්පාදන තාක්ෂණය
නවීන ස්මාර්ට්ෆෝන් වල සංවර්ධනය බොහෝ දුරට තීරණය වන්නේ උපාංගයේ "මොළය" වන සකසනයන්ගේ (SoCs/System-on-Chips) දියුණුව මගිනි. Snapdragon, Dimensity, Exynos සහ Apple Silicon වැනි බොහෝ ජනප්රිය SoCs ඔවුන්ගේ CPU උපදෙස් සහ සැලසුම සඳහා පදනම ලෙස ARM ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය භාවිතා කරයි. කෙසේ වෙතත්, කාර්ය සාධනය සහ කාර්යක්ෂමතාව තීරණය වන්නේ ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය මගින් පමණක් නොව නිෂ්පාදන තාක්ෂණය මගිනි: පරිපථ සැලසුම් සිලිකන් වේෆර් මත භෞතික චිප් බවට පරිවර්තනය කරන අර්ධ සන්නායක නිෂ්පාදන ක්රියාවලිය. ස්මාර්ට්ෆෝන් සඳහා ARM මත පදනම් වූ චිප් නිෂ්පාදන තාක්ෂණය පරිණාමය වී ඇති ආකාරය, ක්රියාවලිය ක්රියාත්මක වන ආකාරය සහ 7nm, 5nm, 4nm සහ 3nm වැනි නෝඩ් එතරම් වැදගත් වී ඇත්තේ මන්දැයි මෙම ලිපියෙන් සාකච්ඡා කෙරේ.
1. ARM: ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය එදිරිව “ARM චිපය”
පළමුව, අපි පැහැදිලි කර ගනිමු: ARM යනු චිප් නිෂ්පාදකයෙකු නොවේ. ARM (Arm Ltd.) ප්රධාන වශයෙන් උපදෙස් කට්ටල ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය (ISAs) සහ Cortex-A (යෙදුම් CPU), Cortex-X (ඉහළ කාර්ය සාධනය), Cortex-R (තත්ය කාලීන) සහ Mali GPU (සමහර SoC වල) වැනි IP මධ්යයන් නිර්මාණය කරයි. එවකට Qualcomm, MediaTek, Samsung සහ Apple වැනි සමාගම්:
- ARM ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පයට බලපත්ර ලබා දීම,
– එය අනෙකුත් සංරචක සමඟ ඒකාබද්ධ කරන්න (GPU, ISP, NPU, මොඩමය, හැඹිලිය, අන්තර් සම්බන්ධතාවය),
- සහ TSMC හෝ Samsung Foundry වැනි අත්තිවාරම් හරහා එය නිෂ්පාදනය කරන්න.
ඉතින් මිනිස්සු "ARM චිප්" කියනකොට සාමාන්යයෙන් අදහස් කරන්නේ ARM ISA භාවිතා කරන ස්මාර්ට්ෆෝන් SoC එකක්, ඒ නිෂ්පාදන ක්රියාවලිය අර්ධ සන්නායක වාත්තු කර්මාන්ත ශාලාවක් මගින් සිදු කරනවා.
2. නිෂ්පාදන තාක්ෂණය වැදගත් වන්නේ ඇයි?
බොහෝ විට ක්රියාවලි නෝඩ් (උදා: 7 nm, 5 nm, 3 nm) ලෙස හඳුන්වන නිෂ්පාදන තාක්ෂණය, ප්රධාන කරුණු තුනකට බලපායි:
1. කාර්ය සාධනය: කුඩා ට්රාන්සිස්ටර සාමාන්යයෙන් වේගයෙන් මාරු විය හැක.
2. බල කාර්යක්ෂමතාව: කාන්දුවීම් සහ වෝල්ටීයතා අවශ්යතා අඩු කළ හැකි නමුත්, සෑම විටම රේඛීයව නොවේ.
3. ඝනත්වය: ඒකක ප්රදේශයකට වැඩි ට්රාන්සිස්ටර; විශාල හැඹිලි, වඩාත් සංකීර්ණ CPU, පුළුල් GPU සහ වඩාත් බලවත් AI ත්වරක සක්රීය කිරීම.
කෙසේ වෙතත්, "nm" අංකය අතීතයේ දී මෙන් තනි භෞතික ට්රාන්සිස්ටර ප්රමාණයක් තවදුරටත් නියෝජනය නොකරයි. එය ලිතෝග්රැෆි තාක්ෂණයන්, සැලසුම් නීති සහ ඝනත්වය/කාර්යක්ෂමතා ලක්ෂණ සමූහයකට අදාළ නෝඩ් තනතුරකි.
3. ස්මාර්ට්ෆෝන් SoC නිෂ්පාදනයේ ප්රධාන අදියර
සාමාන්යයෙන්, චිප් නිර්මාණයේ සිට ස්මාර්ට්ෆෝන් නිෂ්පාදනය දක්වා ගමන අදියර කිහිපයක් හරහා ගමන් කරයි:
අ) නිර්මාණය සහ සත්යාපනය
SoC වෙළෙන්දෝ IP බ්ලොක් (CPU, GPU, NPU) නිර්මාණය කරති, පසුව සමාකරණය, ක්රියාකාරී සත්යාපනය, කාල සත්යාපනය (STA) සහ භෞතික අත්සන් කිරීම (DRC/LVS) සිදු කරති. සැලසුම ඉලක්ක නෝඩයේ ක්රියාවලි සැලසුම් කට්ටලය (PDK) සමඟ අනුකූල විය යුතුය.
ආ) පටිගත කිරීම
ටේප්-අවුට් යනු අවසාන සැලසුම ආවරණ කට්ටලයක් (ෆොටෝමාස්ක්) සෑදීම සඳහා වාත්තු ශාලාවට යවන ස්ථානයයි. මෙය මිල අධික හා අවදානම් සහිත අවධියකි: ටේප්-අවුට් කිරීමෙන් පසු සැලසුම් සංශෝධන සැලකිය යුතු පිරිවැයක් සහ කාලසටහන් ප්රමාදයන් අදහස් කළ හැකිය.
ඇ) වේෆර් නිෂ්පාදනය: රේඛාවේ ඉදිරිපස-අන්තය (FEOL)
FEOL යනු වේෆරයක් මත ට්රාන්සිස්ටර සෑදීමයි - මාත්රණය කිරීම, නාලිකා සෑදීම, ගේට්ටු සෑදීම, හුදකලා කිරීම යනාදිය. නූතන යුගයේ දී, ට්රාන්සිස්ටර ව්යුහයන් තලීය සිට FinFET (වරල්) දක්වා පරිණාමය වී ඇති අතර GAAFET (ගේට්ටුව-සියල්ල වටා) දෙසට ගමන් කරයි.
ඈ) අන්තර් සම්බන්ධතාවය: රේඛාවේ පසුපස කෙළවර (BEOL)
ට්රාන්සිස්ටර එකලස් කළ පසු, ට්රාන්සිස්ටර පරිපථයකට සම්බන්ධ කිරීම සඳහා ගොඩගැසූ ලෝහ ස්ථර (තඹ/අඩු-කේ ඩයලෙක්ටික්) එකතු කරනු ලැබේ. නූතන SoC වල, ඝන දත්ත මාර්ගගත කිරීමේ අවශ්යතා සපුරාලීම සඳහා ලෝහ ස්ථර ගණන තරමක් විශාල විය හැකිය.
ඉ) ඩයිසිං, ඇසුරුම් කිරීම සහ පරීක්ෂා කිරීම
වේෆර් කැබලිවලට කපා පසුව ඇසුරුම් කරනු ලැබේ. ස්මාර්ට්ෆෝන් සඳහා, ඇසුරුම්කරණය සහාය විය යුතුය:
- සංයුක්ත ප්රමාණය,
- තාපය විසුරුවා හැරීම,
– ඉහළ සංඥා අඛණ්ඩතාව,
- අඩු බලශක්ති පරිභෝජනය.
ෆ්ලිප්-චිප්, වේෆර්-මට්ටමේ ඇසුරුම්කරණය සහ PoP (පැකේජය මත පැකේජය) ඒකාබද්ධ කිරීම වැනි ශිල්පීය ක්රම නිතර භාවිතා වේ.
4. ලිතෝග්රැෆි: ට්රාන්සිස්ටර හැකිලීමේ යතුර
ලිතෝග්රැෆි යනු ආලෝකය සහ ප්රභා ප්රතිරෝධකය භාවිතයෙන් වේෆරයක් මත පරිපථ රටා "මුද්රණය" කිරීමේ ක්රියාවලියයි. මුද්රණය කළ යුතු ලක්ෂණ කුඩා වන තරමට ක්රියාවලිය වඩාත් අපහසු වේ.
DUV එදිරිව EUV
– DUV (ගැඹුරු පාරජම්බුල කිරණ) 193 nm තරංග ආයාමයක් භාවිතා කරයි. කුඩා නෝඩ් සඳහා, DUV සඳහා සංකීර්ණ හා මිල අධික බහු රටා ශිල්පීය ක්රම (ද්විත්ව, ත්රිත්ව, හතර ගුණ රටා) අවශ්ය වේ.
– EUV (අතිශයින් පාරජම්බුල කිරණ) 13,5 nm තරංග ආයාමයක් භාවිතා කරයි. EUV ඉතා කුඩා විශේෂාංග මුද්රණය කිරීම සරල කරයි, බහු රටා පියවර ගණන අඩු කරයි, නිරවද්යතාවය වැඩි කරයි, සහ අස්වැන්න වැඩි දියුණු කිරීමේ විභවයක් ඇත - උපකරණ පිරිවැය ඉතා ඉහළ වුවද.
මුල් 7nm නෝඩ් DUV බහු රටාකරණය මත දැඩි ලෙස රඳා පැවතුන අතර, 5nm සහ 3nm වඩාත් තීරණාත්මක ස්ථර වලදී EUV මත වැඩි වැඩියෙන් රඳා පවතී.
5. ට්රාන්සිස්ටර ව්යුහයේ පරිණාමය: තලීය → FinFET → GAAFET
ප්ලැනර්
තල ට්රාන්සිස්ටර 28 nm–20 nm පමණ දක්වා ප්රමුඛ විය. ට්රාන්සිස්ටර කුඩා වන විට, නාලිකාවේ ගේට්ටු පාලනය දුර්වල වූ අතර කාන්දුව වැඩි විය.
ෆින්ෆෙට්
FinFET මඟින් "වරල්" හඳුන්වා දෙන බැවින් ද්වාරය නාලිකාව බහු පැතිවලින් පාලනය කරයි. මෙය විද්යුත් ස්ථිතික පාලනය වැඩි දියුණු කරන අතර කාන්දු වීම මර්දනය කරයි. 16/14 nm සිට 4 nm පරාසයේ බොහෝ ජනප්රිය ස්මාර්ට්ෆෝන් SoC තවමත් FinFET මත පදනම් වේ.
GAAFET (සියලුම දොරටුව)
GAAFETs නාලිකාව වඩාත් සම්පූර්ණයෙන්ම ආවරණය කරයි (උදා: නැනෝෂීට්), ඉතා කුඩා ප්රමාණවලින් වඩා හොඳ පාලනයක් සපයයි. FinFETs ඔවුන්ගේ පරිමාණ සීමාවන් කරා ළඟා වීමට පටන් ගන්නා විට GAAFET වෙත සංක්රමණය ඊළඟ පරම්පරාවේ නෝඩ් සඳහා තීරණාත්මක පියවරකි.
ස්මාර්ට්ෆෝන් ARM චිප් සඳහා, GAAFET හි ප්රතිලාභ බැටරි ආයු කාලය සඳහා ඉතා වැදගත් වන බල කාර්යක්ෂමතාව සහ අධික බරක් යටතේ කාර්ය සාධන ස්ථායිතාව (ක්රීඩා, උපාංගයේ AI, 4K/8K වීඩියෝ පටිගත කිරීම) තුළ දැනෙනු ඇත.
6. ස්මාර්ට්ෆෝන් SoC හි ක්රියාවලි නෝඩය
වාත්තු කර්මාන්ත ශාලා අනුව විස්තර වෙනස් වුවද, සාමාන්ය ප්රවණතා පහත පරිදි වේ:
7 nm සහ එහි ව්යුත්පන්න
මෙම නෝඩය 10nm/12nm නෝඩයට සාපේක්ෂව ඝනත්වයේ සහ කාර්යක්ෂමතාවයේ සැලකිය යුතු පිම්මක් නියෝජනය කරයි. බොහෝ 7nm SoCs වැඩිදියුණු කළ GPU ක්රියාකාරිත්වය සහ වඩාත් සංකීර්ණ මොඩම් ඒකාබද්ධ කිරීම සඳහා මග පාදයි.
5 nm / 4 nm
5nm EUV භාවිතය වඩාත් පුළුල් ලෙස ව්යාප්ත වීමට පටන් ගෙන තිබේ. "4nm" යන්නෙන් බොහෝ විට වැඩි දියුණු කළ ඝනත්වය, කාර්ය සාධනය හෝ කාර්යක්ෂමතා ප්රශස්තිකරණයන් සමඟ 5nm ට වැඩි වැඩිදියුණු කිරීම් අදහස් කෙරේ. මෙම යුගයේ දී, පරිගණක කැමරා සැකසුම් සහ සැහැල්ලු උපාංග උත්පාදක AI සඳහා ඇති ඉල්ලුම හේතුවෙන් NPU/AI ත්වරණකාරක වේගයෙන් වර්ධනය වේ.
3 nm
3nm යනු බලශක්ති කාර්යක්ෂමතාව සහ ඝනත්වය සඳහා සැලකිය යුතු සන්ධිස්ථානයකි. කෙසේ වෙතත්, නිෂ්පාදන පිරිවැය ඉහළ යමින් පවතී, සැලසුම් සංකීර්ණත්වය වැඩි වෙමින් පවතී, සහ ඝනත්ව ට්රාන්සිස්ටර තාප අභියෝග වැඩි වන විට තාප කළමනාකරණය වඩ වඩාත් තීරණාත්මක වෙමින් පවතී.
7. අස්වැන්න, බඳුන සහ මෙතරම් චිප් ප්රභේද ඇත්තේ ඇයි?
මහා පරිමාණ නිෂ්පාදනයේදී, වේෆරයක් මත ඇති සියලුම ඩයි පරිපූර්ණ නොවේ. අස්වැන්න යනු පිරිවිතරයන් සමත් වන චිප් ප්රතිශතයයි. අත්තිවාරම් සහ SoC වෙළෙන්දෝ පහත සඳහන් දේ කරති:
- වේෆර් වර්ග කිරීම සහ ක්රියාකාරී පරීක්ෂණ,
- සංඛ්යාතය/වෝල්ටීයතා හැකියාව මත පදනම්ව ගුණාත්මක කාණ්ඩගත කිරීම (බින් කිරීම),
– සමහර විට විවිධ ප්රභේද විකිණීම සඳහා සමහර ඒකක (උදා: ඇතැම් GPU පොකුරු) අක්රීය කරන්න.
මේ නිසා තමයි වෙළඳපොලේ SoC වල සමාන නමුත් වෙනස් කාර්ය සාධනයක් ඇති අනුවාද කිහිපයක් හෝ උසස් තත්ත්වයේ බඳුන් වලින් එන "Plus/Pro" අනුවාද කිහිපයක් තිබෙන්නේ.
8. ස්මාර්ට්ෆෝන් වල ARM ගෘහ නිර්මාණ නිර්මාණයට නිෂ්පාදනයේ බලපෑම
නිෂ්පාදන තාක්ෂණය, වෙළෙන්දන් ARM හර වින්යාසයන් නිර්මාණය කරන ආකාරය කෙරෙහි බලපෑම් කරයි, උදාහරණයක් ලෙස big.LITTLE හෝ DynamIQ: ඉහළ කාර්යසාධනයක් සහිත මධ්යයන් සහ අඩු බලැති මධ්යයන් වල එකතුවකි. වඩාත් දියුණු නෝඩ් සමඟ:
- ඉහළ කාර්යසාධනයක් සහිත මධ්යයන් එකම බලයෙන් වේගයෙන් ක්රියාත්මක විය හැක,
- සැහැල්ලු කාර්යයන් සඳහා කාර්යක්ෂම හරයන් වඩාත් ලාභදායී විය හැකිය,
- අච්චුව අධික ලෙස විශාල නොකර හැඹිලිය විශාල කළ හැකිය,
- කැමරා සැකසුම්, හඬ සහ උත්පාදක විශේෂාංග සඳහා AI ත්වරණකාරක එකතු කළ හැක.
නමුත් කුඩා නෝඩ් ද අභියෝග ගෙන එයි: ඇතැම් තත්වයන් යටතේ කාන්දු වීම, නිෂ්පාදන වෙනස්කම් සහ වඩාත් දැඩි බල සැපයුම් සැලසුම් අවශ්යතා.
9. ඇසුරුම්කරණය සහ ඒකාබද්ධ කිරීම: “nm” පමණක් නොවේ.
ස්මාර්ට්ෆෝන් වල ප්රගතිය කුඩා ට්රාන්සිස්ටර මත පමණක් නොව, පද්ධති ඒකාබද්ධ කිරීම මත ද රඳා පවතී:
– ඉඩ ඉතිරි කර ගැනීම සඳහා SoC මත DRAM ගොඩගැසීමට PoP (Package-on-Package).
- උසස් ඇසුරුම්කරණය සංඥා මාර්ගය, කලාප පළල සහ කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කිරීමට උපකාරී වේ.
- බලය සහ තාප නිර්මාණය (බලය/තාප නිර්මාණය) තිරසාර කාර්ය සාධනය තීරණය කරයි, විශේෂයෙන් ක්රීඩා සහ දිගු වීඩියෝ පටිගත කිරීම සඳහා.
චිප්ලට් වැනි සංකල්ප පරිගණක/සේවාදායක ලෝකයේ ජනප්රිය වෙමින් පවතින අතර, ඉඩකඩ සීමා, පිරිවැය සීමා සහ දැඩි බල අවශ්යතා හේතුවෙන් ස්මාර්ට්ෆෝන් තුළ ඒවා ක්රියාත්මක කිරීම වඩාත් අභියෝගාත්මක වේ. කෙසේ වෙතත්, කර්මාන්තය වඩ වඩාත් බුද්ධිමත් ඒකාබද්ධතාවයට විවෘතව පවතී.
10 කෙසිම්පුලන්
ස්මාර්ට්ෆෝන් වල ARM-පාදක චිප්ස් වඩ වඩාත් වේගවත්, බල-කාර්යක්ෂම සහ විශේෂාංග-පොහොසත් වීමට හැකියාව ලබා දෙන පදනම වන්නේ නිෂ්පාදන තාක්ෂණයයි. DUV සිට EUV ලිතෝග්රැෆි දක්වා, ප්ලැනර් ට්රාන්සිස්ටරවල සිට FinFET දක්වා සහ GAAFET දක්වා, සෑම ක්රියාවලි පිම්මක්ම SoC හැකියාවන්ට සැලකිය යුතු වෙනස්කම් ගෙන එයි: ක්රීඩා කාර්ය සාධනය, පරිගණක කැමරා ගුණාත්මකභාවය, උපාංගයේ AI සහ බැටරි කාර්යක්ෂමතාව. නමුත් "nm" අංකය පිටුපස සංකීර්ණ යථාර්ථයක් ඇත - ඉහළ ආවරණ පිරිවැය, අස්වැන්න අභියෝග, තාප නිර්මාණය සහ ට්රාන්සිස්ටර භෞතික විද්යාවේ සීමාවන්. ඉදිරිය දෙස බලන විට, වඩාත් දියුණු නෝඩ්, වැඩි වැඩියෙන් කාර්යක්ෂම ARM ගෘහ නිර්මාණ සැලසුම් සහ ඇසුරුම්කරණ නවෝත්පාදනවල සංයෝජනය ඊළඟ පරම්පරාවේ ස්මාර්ට්ෆෝන් හැඩගැස්වීම දිගටම කරගෙන යනු ඇත.
ඔබ කැමති නම්, අවශ්ය පරිදි TSMC vs Samsung Foundry හි භූමිකාවන් සංසන්දනය කිරීම සඳහා කැපවූ කොටසක් මට එක් කළ හැකිය, නැතහොත් ලිපියේ වඩාත් තාක්ෂණික අනුවාදයක් (BEOL, low-k, variableity, IR drop, සහ clock/power gating සාකච්ඡා කරමින්) නිර්මාණය කළ හැකිය.
