ஸ்மார்ட்போன்களுக்கான ARM சிப் தயாரிப்பு தொழில்நுட்பம்
நவீன ஸ்மார்ட்போன்களின் வளர்ச்சி, சாதனத்தின் "மூளையாக" செயல்படும் செயலிகளின் (SoCs/சிஸ்டம்-ஆன்-சிப்) முன்னேற்றத்தைப் பெருமளவில் சார்ந்துள்ளது. ஸ்னாப்டிராகன், டைமென்சிட்டி, எக்ஸினோஸ் மற்றும் ஆப்பிள் சிலிக்கான் போன்ற பல பிரபலமான SoC-கள், தங்களின் CPU கட்டளைகள் மற்றும் வடிவமைப்பிற்கான அடித்தளமாக ARM கட்டமைப்பைப் பயன்படுத்துகின்றன. இருப்பினும், செயல்திறன் மற்றும் திறன் ஆகியவை கட்டமைப்பால் மட்டுமல்ல, உற்பத்தித் தொழில்நுட்பத்தாலும் தீர்மானிக்கப்படுகின்றன: அதாவது, சுற்று வடிவமைப்புகளை சிலிக்கான் தகடுகளில் உள்ள பௌதீக சில்லுகளாக மாற்றும் குறைக்கடத்தி உற்பத்தி செயல்முறை. ஸ்மார்ட்போன்களுக்கான ARM அடிப்படையிலான சில்லு உற்பத்தித் தொழில்நுட்பம் எவ்வாறு பரிணாம வளர்ச்சி அடைந்துள்ளது, அந்த செயல்முறை எவ்வாறு செயல்படுகிறது, மற்றும் 7nm, 5nm, 4nm, மற்றும் 3nm போன்ற கணுக்கள் ஏன் இவ்வளவு முக்கியத்துவம் பெற்றுள்ளன என்பதை இந்தக் கட்டுரை விவாதிக்கிறது.
1. ARM: கட்டமைப்பு மற்றும் “ARM சிப்” ஒப்பீடு
முதலில், தெளிவுபடுத்திக் கொள்வோம்: ARM ஒரு சிப் தயாரிப்பு நிறுவனம் அல்ல. ARM (Arm Ltd.) முதன்மையாக இன்ஸ்ட்ரக்ஷன் செட் ஆர்க்கிடெக்சர்கள் (ISA) மற்றும் கார்டெக்ஸ்-ஏ (பயன்பாட்டு CPU-கள்), கார்டெக்ஸ்-எக்ஸ் (உயர் செயல்திறன்), கார்டெக்ஸ்-ஆர் (நிகழ்நேர), மற்றும் மாலி GPU-கள் (சில SoC-களில்) போன்ற IP கோர்களை வடிவமைக்கிறது. குவால்காம், மீடியாடெக், சாம்சங் மற்றும் ஆப்பிள் போன்ற நிறுவனங்கள் பின்னர்:
– ARM கட்டமைப்பிற்கு உரிமம் வழங்குதல்,
– இதை மற்ற கூறுகளுடன் (GPU, ISP, NPU, மோடம், கேச், இடை இணைப்பு) இணைக்கவும்,
– மேலும் அதை TSMC அல்லது சாம்சங் ஃபவுண்டரி போன்ற வார்ப்பகங்கள் மூலம் உற்பத்தி செய்கிறது.
எனவே, மக்கள் “ARM சிப்” என்று குறிப்பிடும்போது, அவர்கள் பொதுவாக ARM ISA-வைப் பயன்படுத்தும் ஒரு ஸ்மார்ட்போன் SoC-ஐயே குறிப்பிடுகிறார்கள், அதன் உற்பத்திச் செயல்முறை ஒரு குறைக்கடத்தி வார்ப்பகத்தால் மேற்கொள்ளப்படுகிறது.
2. புனையமைப்புத் தொழில்நுட்பம் ஏன் முக்கியமானது?
உற்பத்தித் தொழில்நுட்பம், பொதுவாக செயல்முறை முனை (எ.கா. 7 nm, 5 nm, 3 nm) என அழைக்கப்படுகிறது, இது மூன்று முக்கிய விஷயங்களைப் பாதிக்கிறது:
1. செயல்திறன்: சிறிய டிரான்சிஸ்டர்கள் பொதுவாக வேகமாக நிலைமாற்றம் செய்ய முடியும்.
2. மின்சாரத் திறன்: கசிவு மற்றும் மின்னழுத்தத் தேவைகளைக் குறைக்க முடியும், இருப்பினும் இது எப்போதும் நேர்கோட்டு முறையில் அமைவதில்லை.
3. அடர்த்தி: ஓரலகு பரப்பிற்கு அதிக டிரான்சிஸ்டர்கள்; இது பெரிய கேச்கள், அதிக சிக்கலான CPU-க்கள், அகலமான GPU-க்கள் மற்றும் அதிக சக்திவாய்ந்த AI முடுக்கிகளைச் சாத்தியமாக்குகிறது.
இருப்பினும், "nm" என்ற எண், கடந்த காலத்தைப் போல இனி ஒரு குறிப்பிட்ட டிரான்சிஸ்டரின் பௌதீக அளவைக் குறிப்பதில்லை. அது, லித்தோகிராபி தொழில்நுட்பங்கள், வடிவமைப்பு விதிகள் மற்றும் அடர்த்தி/செயல்திறன் பண்புகளின் தொகுப்புடன் தொடர்புடைய ஒரு கணு குறியீடாகவே உள்ளது.
3. ஸ்மார்ட்போன் SoC உருவாக்கத்தின் முக்கிய நிலைகள்
பொதுவாக, சிப் வடிவமைப்பிலிருந்து ஸ்மார்ட்போன் தயாரிப்பு வரையிலான பயணம் பல கட்டங்களைக் கடந்து செல்கிறது:
அ) வடிவமைப்பு மற்றும் சரிபார்ப்பு
SoC விற்பனையாளர்கள் IP தொகுதிகளை (CPU, GPU, NPU) வடிவமைத்து, பின்னர் உருவகப்படுத்துதல், செயல்பாட்டுச் சரிபார்ப்பு, நேரச் சரிபார்ப்பு (STA) மற்றும் பௌதீக ஒப்புதல் (DRC/LVS) ஆகியவற்றை மேற்கொள்கின்றனர். இந்த வடிவமைப்பு, இலக்கு முனையின் செயல்முறை வடிவமைப்புத் தொகுப்புடன் (PDK) இணக்கமாக இருக்க வேண்டும்.
b) டேப்-அவுட்
டேப்-அவுட் என்பது, இறுதி வடிவமைப்பை ஒரு மாஸ்க் தொகுப்பாக (போட்டோமாஸ்க்) உருவாக்குவதற்காக வார்ப்பகத்திற்கு அனுப்பும் கட்டமாகும். இது ஒரு செலவுமிக்க மற்றும் அபாயகரமான கட்டமாகும்: டேப்-அவுட்டிற்குப் பிறகு செய்யப்படும் வடிவமைப்புத் திருத்தங்கள், கணிசமான செலவுகளையும் கால அட்டவணைத் தாமதங்களையும் ஏற்படுத்தக்கூடும்.
c) வேஃபர் உற்பத்தி: முன்-வரிசை (FEOL)
FEOL என்பது டோப்பிங், சேனல் உருவாக்கம், கேட் உருவாக்கம், தனிமைப்படுத்தல் மற்றும் பலவற்றின் மூலம் ஒரு வேஃபரில் டிரான்சிஸ்டர்களை உருவாக்குவதாகும். நவீன காலத்தில், டிரான்சிஸ்டர் கட்டமைப்புகள் பிளானரிலிருந்து FinFET (ஃபின்) ஆகப் பரிணமித்து, GAAFET (கேட்-ஆல்-அரவுண்ட்) ஐ நோக்கி நகர்கின்றன.
d) இடை இணைப்பு: பின்தளச் செயல்பாடு (BEOL)
டிரான்சிஸ்டர்கள் ஒன்றிணைக்கப்பட்டவுடன், அவற்றை ஒரு மின்சுற்றில் இணைப்பதற்காக, அடுக்கப்பட்ட உலோக அடுக்குகள் (செம்பு/குறைந்த-k மின்காப்பு) சேர்க்கப்படுகின்றன. நவீன SoC-களில், அடர்த்தியான தரவு வழித்தடத்தின் தேவைகளைப் பூர்த்தி செய்வதற்காக, உலோக அடுக்குகளின் எண்ணிக்கை கணிசமாக அதிகமாக இருக்கலாம்.
இ) சிறு துண்டுகளாக்குதல், பொட்டலமிடுதல் மற்றும் பரிசோதித்தல்
வேஃபர்கள் அச்சுகளில் வெட்டப்பட்டு, பின்னர் பொட்டலமிடப்படுகின்றன. ஸ்மார்ட்போன்களுக்கு, பொட்டலமானது பின்வருவனவற்றை ஆதரிக்க வேண்டும்:
– சிறிய அளவு,
– வெப்பச் சிதறல்,
– உயர் சமிக்ஞை ஒருமைப்பாடு,
குறைந்த மின் நுகர்வு.
ஃபிளிப்-சிப், வேஃபர்-லெவல் பேக்கேஜிங் மற்றும் PoP (பேக்கேஜ்-ஆன்-பேக்கேஜ்) ஒருங்கிணைப்பு போன்ற நுட்பங்கள் அடிக்கடி பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
4. லித்தோகிராஃபி: டிரான்சிஸ்டர்களைச் சுருக்குவதற்கான திறவுகோல்
லித்தோகிராஃபி என்பது ஒளி மற்றும் ஃபோட்டோரெசிஸ்ட்டைப் பயன்படுத்தி ஒரு வேஃபரில் மின்சுற்று வடிவங்களை 'அச்சிடும்' செயல்முறையாகும். அச்சிடப்பட வேண்டிய அம்சங்கள் எவ்வளவு சிறியதாக இருக்கிறதோ, அந்த அளவிற்கு இந்த செயல்முறை கடினமாக இருக்கும்.
DUV vs EUV
– ஆழ் புற ஊதா (DUV) 193 நானோமீட்டர் அலைநீளத்தைப் பயன்படுத்துகிறது. சிறிய கணுக்களுக்கு, DUV-க்கு சிக்கலான மற்றும் விலையுயர்ந்த பல்வடிவமைப்பு நுட்பங்கள் (இரட்டை, மும்மடங்கு, நான்மடங்கு வடிவமைப்பு) தேவைப்படுகின்றன.
– EUV (எக்ஸ்ட்ரீம் அல்ட்ரா வயலட்) 13,5 நானோமீட்டர் அலைநீளத்தைப் பயன்படுத்துகிறது. EUV மிகச் சிறிய அம்சங்களை அச்சிடுவதை எளிதாக்குகிறது, பலவடிவமைப்புப் படிகளின் எண்ணிக்கையைக் குறைக்கிறது, துல்லியத்தை அதிகரிக்கிறது, மேலும் உற்பத்தி அளவையும் மேம்படுத்தக்கூடும் — இருப்பினும், இதற்கான உபகரணச் செலவுகள் மிக அதிகம்.
ஆரம்பகால 7nm நோடுகள் DUV மல்டிபேட்டர்னிங்கை பெருமளவில் சார்ந்திருந்தன, அதேசமயம் 5nm மற்றும் 3nm நோடுகள் மிகவும் முக்கியமான அடுக்குகளில் EUV-ஐ அதிகளவில் சார்ந்துள்ளன.
5. டிரான்சிஸ்டர் கட்டமைப்பின் பரிணாம வளர்ச்சி: பிளானர் → ஃபின்ஃபெட் → ஜிஏஏஃபெட்
சமதள
சுமார் 28 நானோமீட்டர் முதல் 20 நானோமீட்டர் வரை தள டிரான்சிஸ்டர்களே ஆதிக்கம் செலுத்தின. டிரான்சிஸ்டர்கள் சிறியதாக ஆக ஆக, சேனலின் கேட் கட்டுப்பாடு பலவீனமடைந்து, கசிவு அதிகரித்தது.
ஃபின்ஃபெட்
FinFET-கள் "துடுப்புகளை" அறிமுகப்படுத்துவதால், கேட் ஆனது சேனலைப் பல பக்கங்களிலிருந்தும் கட்டுப்படுத்துகிறது. இது நிலைமின்னியல் கட்டுப்பாட்டை மேம்படுத்துவதோடு, கசிவையும் தடுக்கிறது. 16/14 நானோமீட்டர் முதல் 4 நானோமீட்டர் வரையிலான வரம்பில் உள்ள பல பிரபலமான ஸ்மார்ட்போன் SoC-கள் இன்றும் FinFET-களை அடிப்படையாகக் கொண்டே இயங்குகின்றன.
GAAFET (நுழைவாயில்-எல்லா இடங்களிலும்)
GAAFET-கள் சேனலை மிகவும் முழுமையாக (எ.கா., நானோ தாள்கள்) மூடி, மிகச் சிறிய அளவுகளில் சிறந்த கட்டுப்பாட்டை வழங்குகின்றன. FinFET-கள் அவற்றின் அளவிடுதல் வரம்புகளை அடையத் தொடங்குவதால், அடுத்த தலைமுறை நோடுகளுக்கு GAAFET-களுக்கான மாற்றம் ஒரு முக்கியமான படியாகும்.
ஸ்மார்ட்போன் ARM சிப்களைப் பொறுத்தவரை, GAAFET-இன் நன்மைகள், பேட்டரி ஆயுளுக்கு இன்றியமையாத மின்சாரத் திறனிலும், அதிகப் பளுவின் கீழ் (கேமிங், சாதனத்தில் உள்ள செயற்கை நுண்ணறிவு, 4K/8K வீடியோ பதிவு) செயல்திறன் நிலைத்தன்மையிலும் உணரப்படும்.
6. ஸ்மார்ட்போன் SoC-இல் உள்ள செயலாக்க முனை
வார்ப்பகங்களுக்கு இடையே விவரங்கள் வேறுபட்டாலும், பொதுவான போக்குகள் பின்வருமாறு:
7 nm மற்றும் அதன் வழித்தோன்றல்கள்
10nm/12nm உடன் ஒப்பிடும்போது, இந்த நோட் அடர்த்தி மற்றும் செயல்திறனில் ஒரு குறிப்பிடத்தக்க பாய்ச்சலைக் குறிக்கிறது. பல 7nm SoC-கள் மேம்பட்ட GPU செயல்திறன் மற்றும் மிகவும் சிக்கலான மோடம் ஒருங்கிணைப்பிற்கு வழி வகுக்கின்றன.
5 என்எம் / 4 என்எம்
5nm தொழில்நுட்பத்தில் EUV பயன்பாடு மேலும் பரவலாகத் தொடங்கி வருகிறது. "4nm" என்பது பெரும்பாலும் 5nm-ஐ விட மேம்பட்ட அடர்த்தி, செயல்திறன் அல்லது திறன் மேம்படுத்தல்களுடன் கூடிய முன்னேற்றங்களைக் குறிக்கிறது. இந்தக் காலகட்டத்தில், கணக்கீட்டு கேமரா செயலாக்கம் மற்றும் எடை குறைந்த சாதனத்திலேயே உருவாக்கப்படும் செயற்கை நுண்ணறிவு ஆகியவற்றின் தேவையால், NPU/AI முடுக்கிகள் வேகமாக வளர்ந்து வருகின்றன.
3 நா.மீ
3 நானோமீட்டர் என்பது ஆற்றல் திறன் மற்றும் அடர்த்திக்கு ஒரு குறிப்பிடத்தக்க மைல்கல் ஆகும். இருப்பினும், உற்பத்திச் செலவுகள் அதிகரித்து வருகின்றன, வடிவமைப்புச் சிக்கல்தன்மை கூடுகிறது, மேலும் அடர்த்தியான டிரான்சிஸ்டர்கள் வெப்பச் சவால்களை அதிகரிப்பதால், வெப்ப மேலாண்மை மிகவும் முக்கியமானதாகி வருகிறது.
7. உற்பத்தி அளவு, வகை மற்றும் ஏன் இத்தனை சிப் வகைகள் உள்ளன
பெருமளவு உற்பத்தியில், ஒரு வேஃபரில் உள்ள எல்லா டைகளும் குறைபாடற்றதாக இருப்பதில்லை. உற்பத்தி அளவு என்பது, குறிப்பிட்ட விவரக்குறிப்புகளைப் பூர்த்தி செய்யும் சிப்களின் சதவீதமாகும். ஃபவுண்ட்ரிகளும் SoC விற்பனையாளர்களும் பின்வருவனவற்றைச் செய்கின்றன:
– வேஃபர் வகைப்படுத்துதல் மற்றும் செயல்பாட்டுச் சோதனை,
– அதிர்வெண்/மின்னழுத்தத் திறனின் அடிப்படையில் தரக் குழுவாக்கம் (பிரித்தல்),
– வெவ்வேறு வகைகளை விற்பனை செய்வதற்காக, சில சமயங்களில் சில யூனிட்களை (உதாரணமாக, குறிப்பிட்ட GPU கிளஸ்டர்கள்) செயலிழக்கச் செய்வோம்.
இதனால்தான், சந்தையில் ஒரே மாதிரியாக இருந்தாலும் வெவ்வேறு செயல்திறன்களைக் கொண்ட பல SoC பதிப்புகள் அல்லது உயர்தர மூலப்பொருட்களிலிருந்து வரும் “பிளஸ்/ப்ரோ” பதிப்புகள் உள்ளன.
8. ஸ்மார்ட்போன்களில் ARM கட்டமைப்பு வடிவமைப்பில் புனைவின் தாக்கம்
உயர் செயல்திறன் கோர்கள் மற்றும் குறைந்த மின் நுகர்வு கோர்களின் கலவையான big.LITTLE அல்லது DynamIQ போன்ற ARM கோர் உள்ளமைப்புகளை விற்பனையாளர்கள் வடிவமைக்கும் விதத்தில் உற்பத்தித் தொழில்நுட்பம் செல்வாக்கு செலுத்துகிறது. மேலும் மேம்பட்ட நோடுகளுடன்:
– உயர் செயல்திறன் கோர்கள் அதே ஆற்றலில் வேகமாக இயங்க முடியும்,
– குறைந்த திறன் கொண்ட பணிகளுக்கு, செயல்திறன் மிக்க கோர்கள் அதிக சிக்கனமாக இருக்கக்கூடும்.
– பகடையை அதிகப்படியாகப் பெரிதாக்காமல், சேமிப்பகத்தைப் பெரிதாக்க முடியும்.
– கேமரா செயலாக்கம், குரல் மற்றும் உருவாக்க அம்சங்களுக்காக AI முடுக்கிகளைச் சேர்க்கலாம்.
ஆனால், சிறிய கலன்களும் சில சவால்களைக் கொண்டு வருகின்றன: குறிப்பிட்ட சூழ்நிலைகளில் ஏற்படும் கசிவு, உற்பத்தி மாறுபாடுகள் மற்றும் மிகவும் கடுமையான மின் விநியோக வடிவமைப்புத் தேவைகள் போன்றவை.
9. பேக்கேஜிங் மற்றும் ஒருங்கிணைப்பு: வெறும் “nm” மட்டுமல்ல
ஸ்மார்ட்போன்களின் முன்னேற்றம் சிறிய டிரான்சிஸ்டர்களை மட்டும் சார்ந்திருக்கவில்லை, மாறாக அமைப்பு ஒருங்கிணைப்பையும் சார்ந்துள்ளது:
– இடத்தைச் சேமிப்பதற்காக, SoC-யின் மேல் DRAM-ஐ அடுக்க PoP (Package-on-Package) முறையைப் பயன்படுத்துதல்.
– மேம்பட்ட பேக்கேஜிங், சிக்னல் செல்லும் பாதை, அலைவரிசை மற்றும் செயல்திறனை மேம்படுத்த உதவுகிறது.
ஆற்றல் மற்றும் வெப்ப வடிவமைப்பு (power/thermal design), குறிப்பாக கேமிங் மற்றும் நீண்ட நேர வீடியோ பதிவு போன்ற சமயங்களில், நீடித்த செயல்திறனைத் தீர்மானிக்கிறது.
பிசி/சர்வர் உலகில் சிப்லெட்டுகள் போன்ற கருத்தாக்கங்கள் பிரபலமடைந்து வரும் வேளையில், இட வரம்புகள், செலவுக் கட்டுப்பாடுகள் மற்றும் கடுமையான மின்சாரத் தேவைகள் காரணமாக ஸ்மார்ட்போன்களில் அவற்றைச் செயல்படுத்துவது மிகவும் சவாலானதாக உள்ளது. இருப்பினும், இந்தத் துறை மேலும் மேலும் அறிவார்ந்த ஒருங்கிணைப்பிற்குத் திறந்தே இருக்கிறது.
10. கெசிம்புலன்
ஸ்மார்ட்போன்களில் உள்ள ARM-அடிப்படையிலான சிப்கள் மேலும் மேலும் வேகமாகவும், ஆற்றல் திறன் மிக்கதாகவும், மற்றும் அம்சங்கள் நிறைந்ததாகவும் மாறுவதற்கு உற்பத்தித் தொழில்நுட்பமே அடித்தளமாக விளங்குகிறது. DUV முதல் EUV லித்தோகிராஃபி வரை, பிளானர் டிரான்சிஸ்டர்கள் முதல் FinFET, GAAFET வரை, ஒவ்வொரு செயல்முறைப் பாய்ச்சலும் SoC-யின் திறன்களில் குறிப்பிடத்தக்க மாற்றங்களைக் கொண்டுவருகிறது: கேமிங் செயல்திறன், கணக்கீட்டு கேமரா தரம், சாதனத்தினுள் உள்ள செயற்கை நுண்ணறிவு, மற்றும் பேட்டரி திறன். ஆனால், இந்த “nm” எண்ணுக்குப் பின்னால் ஒரு சிக்கலான யதார்த்தம் மறைந்துள்ளது—அதிக மாஸ்க் செலவுகள், உற்பத்திச் சவால்கள், வெப்ப வடிவமைப்பு, மற்றும் டிரான்சிஸ்டர் இயற்பியலின் வரம்புகள். எதிர்காலத்தில், மேலும் மேம்பட்ட நோட்கள், பெருகிவரும் திறன்மிக்க ARM கட்டமைப்பு வடிவமைப்புகள், மற்றும் பேக்கேஜிங் புதுமைகள் ஆகியவற்றின் ஒருங்கிணைப்பு, அடுத்த தலைமுறை ஸ்மார்ட்போன்களைத் தொடர்ந்து வடிவமைக்கும்.
நீங்கள் விரும்பினால், TSMC மற்றும் சாம்சங் ஃபவுண்டரியின் பங்குகளை ஒப்பிடும் ஒரு பிரத்யேகப் பகுதியை என்னால் சேர்க்க முடியும், அல்லது தேவைக்கேற்ப BEOL, low-k, மாறுபடும் தன்மை, IR டிராப் மற்றும் கிளாக்/பவர் கேட்டிங் ஆகியவற்றை விவாதிக்கும் கட்டுரையின் மேலும் தொழில்நுட்பம் சார்ந்த ஒரு பதிப்பை உருவாக்க முடியும்.
