స్మార్ట్ఫోన్ల కోసం ARM చిప్ ఫ్యాబ్రికేషన్ టెక్నాలజీ
ఆధునిక స్మార్ట్ఫోన్ల అభివృద్ధి ప్రధానంగా ప్రాసెసర్ల (SoCలు/సిస్టమ్-ఆన్-చిప్లు) పురోగతిపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇవి ఆ పరికరానికి "మెదడు" వంటివి. స్నాప్డ్రాగన్, డైమెన్సిటీ, ఎక్సినోస్, మరియు ఆపిల్ సిలికాన్ వంటి అనేక ప్రసిద్ధ SoCలు తమ CPU సూచనలు మరియు రూపకల్పనకు పునాదిగా ARM ఆర్కిటెక్చర్ను ఉపయోగిస్తాయి. అయితే, పనితీరు మరియు సామర్థ్యం కేవలం ఆర్కిటెక్చర్పైనే కాకుండా ఫ్యాబ్రికేషన్ టెక్నాలజీపై కూడా ఆధారపడి ఉంటాయి: ఇది సర్క్యూట్ డిజైన్లను సిలికాన్ వేఫర్లపై భౌతిక చిప్లుగా మార్చే సెమీకండక్టర్ తయారీ ప్రక్రియ. స్మార్ట్ఫోన్ల కోసం ARM-ఆధారిత చిప్ ఫ్యాబ్రికేషన్ టెక్నాలజీ ఎలా అభివృద్ధి చెందింది, ఈ ప్రక్రియ ఎలా పనిచేస్తుంది, మరియు 7nm, 5nm, 4nm, మరియు 3nm వంటి నోడ్లు ఎందుకు అంత ముఖ్యమైనవిగా మారాయో ఈ వ్యాసం చర్చిస్తుంది.
1. ARM: ఆర్కిటెక్చర్ వర్సెస్ “ARM చిప్”
ముందుగా, ఒక విషయాన్ని స్పష్టం చేద్దాం: ARM ఒక చిప్ తయారీదారు కాదు. ARM (ఆర్మ్ లిమిటెడ్) ప్రధానంగా ఇన్స్ట్రక్షన్ సెట్ ఆర్కిటెక్చర్లను (ISAలు) మరియు కార్టెక్స్-A (అప్లికేషన్ CPUలు), కార్టెక్స్-X (అధిక-పనితీరు గలవి), కార్టెక్స్-R (రియల్-టైమ్), మరియు మాలి GPUలు (కొన్ని SoCలలో) వంటి IP కోర్లను డిజైన్ చేస్తుంది. ఆ తర్వాత క్వాల్కామ్, మీడియాటెక్, శాంసంగ్, మరియు ఆపిల్ వంటి కంపెనీలు:
– ARM ఆర్కిటెక్చర్కు లైసెన్సింగ్,
– దీనిని ఇతర భాగాలతో (GPU, ISP, NPU, మోడెమ్, కాష్, ఇంటర్కనెక్షన్) కలపండి,
– మరియు TSMC లేదా Samsung Foundry వంటి ఫౌండ్రీల ద్వారా దానిని ఉత్పత్తి చేయండి.
కాబట్టి ప్రజలు “ARM చిప్” అని చెప్పినప్పుడు, వారు సాధారణంగా ARM ISAను ఉపయోగించే స్మార్ట్ఫోన్ SoCని ఉద్దేశిస్తారు, అయితే దీని తయారీ ప్రక్రియను ఒక సెమీకండక్టర్ ఫౌండ్రీ నిర్వహిస్తుంది.
2. ఫ్యాబ్రికేషన్ టెక్నాలజీ ఎందుకు ముఖ్యమైనది?
ఫ్యాబ్రికేషన్ టెక్నాలజీని తరచుగా ప్రాసెస్ నోడ్ (ఉదా. 7 nm, 5 nm, 3 nm) అని పిలుస్తారు, ఇది మూడు ప్రధాన విషయాలను ప్రభావితం చేస్తుంది:
1. పనితీరు: చిన్న ట్రాన్సిస్టర్లు సాధారణంగా వేగంగా స్విచ్ చేయగలవు.
2. విద్యుత్ సామర్థ్యం: లీకేజ్ మరియు వోల్టేజ్ అవసరాలను తగ్గించవచ్చు, అయితే ఇది ఎల్లప్పుడూ సరళంగా ఉండదు.
3. సాంద్రత: యూనిట్ వైశాల్యానికి ఎక్కువ ట్రాన్సిస్టర్లు; దీనివల్ల పెద్ద కాష్లు, మరింత సంక్లిష్టమైన CPUలు, వెడల్పైన GPUలు మరియు మరింత శక్తివంతమైన AI యాక్సిలరేటర్లు సాధ్యమవుతాయి.
అయితే, 'nm' సంఖ్య గతంలోలాగా ఒకే భౌతిక ట్రాన్సిస్టర్ పరిమాణాన్ని సూచించదు. ఇది ఎక్కువగా లిథోగ్రఫీ సాంకేతికతలు, డిజైన్ నియమాలు మరియు సాంద్రత/సామర్థ్య లక్షణాల సమితికి సంబంధించిన ఒక నోడ్ హోదా.
3. స్మార్ట్ఫోన్ SoC ఫ్యాబ్రికేషన్ యొక్క ప్రధాన దశలు
సాధారణంగా, చిప్ రూపకల్పన నుండి స్మార్ట్ఫోన్ ఉత్పత్తి వరకు జరిగే ప్రయాణం అనేక దశల గుండా సాగుతుంది:
ఎ) రూపకల్పన మరియు ధృవీకరణ
SoC విక్రేతలు IP బ్లాక్లను (CPU, GPU, NPU) డిజైన్ చేస్తారు, ఆ తర్వాత సిమ్యులేషన్, ఫంక్షనల్ వెరిఫికేషన్, టైమింగ్ వెరిఫికేషన్ (STA), మరియు ఫిజికల్ సైన్-ఆఫ్ (DRC/LVS) నిర్వహిస్తారు. ఈ డిజైన్ తప్పనిసరిగా టార్గెట్ నోడ్ యొక్క ప్రాసెస్ డిజైన్ కిట్ (PDK)కి అనుకూలంగా ఉండాలి.
బి) టేప్-అవుట్
టేప్-అవుట్ అనేది తుది డిజైన్ను మాస్క్ సెట్ (ఫోటోమాస్క్)గా తయారు చేయడానికి ఫౌండ్రీకి పంపే దశ. ఇది ఖరీదైన మరియు ప్రమాదకరమైన దశ: టేప్-అవుట్ తర్వాత డిజైన్లో చేసే సవరణలు గణనీయమైన ఖర్చులకు మరియు షెడ్యూల్ ఆలస్యాలకు దారితీయవచ్చు.
సి) వేఫర్ ఉత్పత్తి: ఫ్రంట్-ఎండ్-ఆఫ్-లైన్ (FEOL)
FEOL అనేది ఒక వేఫర్పై ట్రాన్సిస్టర్లను ఏర్పాటు చేయడం—డోపింగ్, ఛానల్ ఏర్పాటు, గేట్ ఏర్పాటు, ఐసోలేషన్ మొదలైన ప్రక్రియల ద్వారా. ఆధునిక యుగంలో, ట్రాన్సిస్టర్ నిర్మాణాలు ప్లానార్ నుండి FinFET (ఫిన్) వరకు అభివృద్ధి చెంది, ఇప్పుడు GAAFET (గేట్-ఆల్-అరౌండ్) వైపు పయనిస్తున్నాయి.
d) అంతర అనుసంధానం: బ్యాక్-ఎండ్-ఆఫ్-లైన్ (BEOL)
ట్రాన్సిస్టర్లను అమర్చిన తర్వాత, వాటిని ఒక సర్క్యూట్గా అనుసంధానించడానికి పేర్చిన లోహపు పొరలను (రాగి/లో-కె డైఎలెక్ట్రిక్) జోడిస్తారు. ఆధునిక SoCలలో, దట్టమైన డేటా రౌటింగ్ అవసరాలను తీర్చడానికి లోహపు పొరల సంఖ్య చాలా ఎక్కువగా ఉండవచ్చు.
ఇ) ముక్కలుగా కోయడం, ప్యాకేజింగ్ మరియు పరీక్షించడం
వేఫర్లను డైస్గా కత్తిరించి, ఆపై ప్యాకేజింగ్ చేస్తారు. స్మార్ట్ఫోన్ల కోసం, ప్యాకేజింగ్ ఈ క్రింది వాటికి మద్దతు ఇవ్వాలి:
– కాంపాక్ట్ సైజు,
– ఉష్ణ విసర్జన,
– అధిక సిగ్నల్ సమగ్రత,
– తక్కువ విద్యుత్ వినియోగం.
ఫ్లిప్-చిప్, వేఫర్-లెవల్ ప్యాకేజింగ్ మరియు PoP (ప్యాకేజ్-ఆన్-ప్యాకేజ్) ఇంటిగ్రేషన్ వంటి సాంకేతిక పద్ధతులను తరచుగా ఉపయోగిస్తారు.
4. లితోగ్రఫీ: ట్రాన్సిస్టర్ల పరిమాణాన్ని తగ్గించడానికి కీలకం
లిథోగ్రఫీ అనేది కాంతి మరియు ఫోటోరెసిస్ట్ను ఉపయోగించి ఒక వేఫర్పై సర్క్యూట్ నమూనాలను "ముద్రించే" ప్రక్రియ. ముద్రించాల్సిన అంశాలు ఎంత చిన్నవిగా ఉంటే, ఆ ప్రక్రియ అంత కష్టతరంగా ఉంటుంది.
DUV vs EUV
– DUV (డీప్ అల్ట్రావయోలెట్) 193 nm తరంగదైర్ఘ్యాన్ని ఉపయోగిస్తుంది. చిన్న నోడ్ల కోసం, DUVకి సంక్లిష్టమైన మరియు ఖరీదైన మల్టీప్యాటర్నింగ్ పద్ధతులు (డబుల్, ట్రిపుల్, క్వాడ్రపుల్ ప్యాటర్నింగ్) అవసరం.
– EUV (ఎక్స్ట్రీమ్ అల్ట్రావయోలెట్) 13,5 nm తరంగదైర్ఘ్యాన్ని ఉపయోగిస్తుంది. EUV చాలా చిన్న ఫీచర్ల ప్రింటింగ్ను సులభతరం చేస్తుంది, మల్టీప్యాటర్నింగ్ దశల సంఖ్యను తగ్గిస్తుంది, ఖచ్చితత్వాన్ని పెంచుతుంది మరియు దిగుబడిని మెరుగుపరిచే అవకాశం ఉంది—అయితే దీని పరికరాల ఖర్చులు చాలా ఎక్కువగా ఉంటాయి.
తొలి 7nm నోడ్లు DUV మల్టీప్యాటర్నింగ్పై ఎక్కువగా ఆధారపడగా, 5nm మరియు 3nm నోడ్లు మరింత కీలకమైన పొరలలో EUVపై ఎక్కువగా ఆధారపడుతున్నాయి.
5. ట్రాన్సిస్టర్ నిర్మాణం యొక్క పరిణామం: ప్లానార్ → ఫిన్ఫెట్ → GAAFET
సమతల
సుమారు 28 nm–20 nm వరకు ప్లానార్ ట్రాన్సిస్టర్లు ఆధిపత్యం చెలాయించాయి. ట్రాన్సిస్టర్లు పరిమాణంలో చిన్నవి అయ్యేకొద్దీ, ఛానల్ యొక్క గేట్ నియంత్రణ బలహీనపడి, లీకేజ్ పెరిగింది.
ఫిన్ఫెట్
FinFETలు "ఫిన్లను" కలిగి ఉంటాయి, తద్వారా గేట్ ఛానెల్ను బహుళ వైపుల నుండి నియంత్రిస్తుంది. ఇది ఎలక్ట్రోస్టాటిక్ నియంత్రణను మెరుగుపరుస్తుంది మరియు లీకేజీని అణిచివేస్తుంది. 16/14 nm నుండి 4 nm శ్రేణిలోని అనేక ప్రసిద్ధ స్మార్ట్ఫోన్ SoCలు ఇప్పటికీ FinFETల ఆధారంగానే ఉన్నాయి.
GAAFET (గేట్-ఆల్-అరౌండ్)
GAAFETలు ఛానెల్ను మరింత సంపూర్ణంగా (ఉదాహరణకు, నానోషీట్లు) కప్పివేస్తాయి, దీనివల్ల చాలా చిన్న పరిమాణాలలో కూడా మెరుగైన నియంత్రణ లభిస్తుంది. FinFETలు వాటి స్కేలింగ్ పరిమితులను చేరుకోవడం ప్రారంభిస్తున్నందున, తదుపరి తరం నోడ్ల కోసం GAAFETలకు మారడం ఒక కీలకమైన దశ.
స్మార్ట్ఫోన్ ARM చిప్ల విషయంలో, GAAFET యొక్క ప్రయోజనాలు బ్యాటరీ లైఫ్కు కీలకమైన పవర్ ఎఫిషియెన్సీలోనూ, అలాగే అధిక లోడ్ల (గేమింగ్, ఆన్-డివైస్ AI, 4K/8K వీడియో రికార్డింగ్) కింద పనితీరు స్థిరత్వంలోనూ కనిపిస్తాయి.
6. స్మార్ట్ఫోన్ SoCలో ప్రాసెస్ నోడ్
ఫౌండ్రీల మధ్య వివరాలు వేర్వేరుగా ఉన్నప్పటికీ, సాధారణ ధోరణులు ఈ క్రింది విధంగా ఉన్నాయి:
7 nm మరియు దాని ఉత్పన్నాలు
10nm/12nm తో పోలిస్తే ఈ నోడ్ సాంద్రత మరియు సామర్థ్యంలో ఒక గణనీయమైన పురోగతిని సూచిస్తుంది. అనేక 7nm SoCలు మెరుగైన GPU పనితీరుకు మరియు మరింత సంక్లిష్టమైన మోడెమ్ అనుసంధానానికి మార్గం సుగమం చేస్తాయి.
5 nm / 4 nm
5nm టెక్నాలజీతో EUV వినియోగం మరింత విస్తృతంగా మారుతోంది. "4nm" అనేది తరచుగా 5nm టెక్నాలజీపై మెరుగైన సాంద్రత, పనితీరు లేదా సామర్థ్య ఆప్టిమైజేషన్లతో కూడిన అభివృద్ధిని సూచిస్తుంది. ఈ యుగంలో, కంప్యూటేషనల్ కెమెరా ప్రాసెసింగ్ మరియు తేలికపాటి ఆన్-డివైస్ జనరేటివ్ AIకి ఉన్న డిమాండ్ కారణంగా NPU/AI యాక్సిలరేటర్లు వేగంగా అభివృద్ధి చెందుతున్నాయి.
3 నామ్
3nm అనేది విద్యుత్ సామర్థ్యం మరియు సాంద్రత విషయంలో ఒక ముఖ్యమైన మైలురాయి. అయితే, అధిక సాంద్రత గల ట్రాన్సిస్టర్ల వల్ల ఉష్ణ సంబంధిత సవాళ్లు పెరగడంతో, తయారీ ఖర్చులు పెరుగుతున్నాయి, డిజైన్ సంక్లిష్టత అధికమవుతోంది, మరియు ఉష్ణ నిర్వహణ అత్యంత కీలకమవుతోంది.
7. దిగుబడి, బిన్ మరియు ఇన్ని చిప్ వేరియంట్లు ఎందుకు ఉన్నాయి
భారీ ఉత్పత్తిలో, ఒక వేఫర్పై ఉన్న అన్ని డైలు పరిపూర్ణంగా ఉండవు. యీల్డ్ అంటే నిర్దేశాలకు అనుగుణంగా ఉండే చిప్ల శాతం. ఫౌండ్రీలు మరియు SoC విక్రేతలు ఈ క్రింది వాటిని చేస్తారు:
– వేఫర్ సార్ట్ మరియు ఫంక్షనల్ టెస్టింగ్,
– ఫ్రీక్వెన్సీ/వోల్టేజ్ సామర్థ్యం ఆధారంగా నాణ్యత వర్గీకరణ (బిన్నింగ్),
– కొన్నిసార్లు విభిన్న వేరియంట్లను విక్రయించడానికి కొన్ని యూనిట్లను (ఉదా. నిర్దిష్ట GPU క్లస్టర్లు) నిలిపివేస్తారు.
ఈ కారణంగానే మార్కెట్లో ఒకేలా ఉండి వేర్వేరు పనితీరు గల అనేక SoC వెర్షన్లు, లేదా అధిక నాణ్యత గల భాగాల నుండి వచ్చే “ప్లస్/ప్రో” వెర్షన్లు అందుబాటులో ఉన్నాయి.
8. స్మార్ట్ఫోన్లలో ARM ఆర్కిటెక్చర్ డిజైన్పై ఫ్యాబ్రికేషన్ ప్రభావం
ఫ్యాబ్రికేషన్ టెక్నాలజీ, విక్రేతలు బిగ్.లిటిల్ లేదా డైనమిక్ వంటి ARM కోర్ కాన్ఫిగరేషన్లను ఎలా డిజైన్ చేస్తారనే దానిపై ప్రభావం చూపుతుంది: ఇది అధిక-పనితీరు గల కోర్లు మరియు తక్కువ-శక్తి కోర్ల కలయిక. మరింత అధునాతన నోడ్లతో:
– అధిక పనితీరు గల కోర్లు అదే శక్తితో వేగంగా పనిచేయగలవు,
– తేలికపాటి పనులకు సమర్థవంతమైన కోర్లు మరింత పొదుపుగా ఉంటాయి,
– డైని అతిగా పెద్దది చేయకుండానే కాష్ను పెద్దది చేయవచ్చు,
– కెమెరా ప్రాసెసింగ్, వాయిస్ మరియు జనరేటివ్ ఫీచర్ల కోసం ఏఐ యాక్సిలరేటర్లను జోడించవచ్చు.
అయితే చిన్న నోడ్లు కొన్ని సవాళ్లను కూడా తెస్తాయి: కొన్ని పరిస్థితులలో లీకేజీ, తయారీలో వైవిధ్యాలు, మరియు మరింత కఠినమైన విద్యుత్ సరఫరా రూపకల్పన అవసరాలు.
9. ప్యాకేజింగ్ మరియు ఇంటిగ్రేషన్: కేవలం “nm” మాత్రమే కాదు
స్మార్ట్ఫోన్ల పురోగతి కేవలం చిన్న ట్రాన్సిస్టర్లపైనే కాకుండా, సిస్టమ్ ఇంటిగ్రేషన్పై కూడా ఆధారపడి ఉంటుంది:
– స్థలాన్ని ఆదా చేయడానికి SoC పైన DRAMను పేర్చడానికి PoP (ప్యాకేజ్-ఆన్-ప్యాకేజ్) పద్ధతి.
– అధునాతన ప్యాకేజింగ్ సిగ్నల్ మార్గాన్ని, బ్యాండ్విడ్త్ను మరియు సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరచడంలో సహాయపడుతుంది.
– పవర్ మరియు థర్మల్ డిజైన్ (పవర్/థర్మల్ డిజైన్) నిరంతర పనితీరును నిర్ధారిస్తుంది, ముఖ్యంగా గేమింగ్ మరియు సుదీర్ఘ వీడియో రికార్డింగ్ కోసం.
PC/సర్వర్ ప్రపంచంలో చిప్లెట్ల వంటి భావనలు ప్రాచుర్యం పొందుతున్నప్పటికీ, స్థల పరిమితులు, వ్యయ పరిమితులు మరియు కఠినమైన విద్యుత్ అవసరాల కారణంగా స్మార్ట్ఫోన్లలో వాటిని అమలు చేయడం మరింత సవాలుతో కూడుకున్నది. అయినప్పటికీ, ఈ పరిశ్రమ మరింత తెలివైన అనుసంధానానికి సిద్ధంగానే ఉంది.
10 కేసింపులన్
స్మార్ట్ఫోన్లలోని ARM-ఆధారిత చిప్లు మరింత వేగవంతంగా, శక్తి-సమర్థవంతంగా మరియు ఫీచర్-రిచ్గా మారడానికి ఫ్యాబ్రికేషన్ టెక్నాలజీయే పునాది. DUV నుండి EUV లిథోగ్రఫీ వరకు, ప్లానార్ ట్రాన్సిస్టర్ల నుండి FinFET, ఆపై GAAFET వరకు, ప్రతి ప్రాసెస్ పురోగతి SoC సామర్థ్యాలలో గణనీయమైన మార్పులను తెస్తుంది: గేమింగ్ పనితీరు, కంప్యూటేషనల్ కెమెరా నాణ్యత, ఆన్-డివైస్ AI మరియు బ్యాటరీ సామర్థ్యం వంటివి. కానీ "nm" సంఖ్య వెనుక ఒక సంక్లిష్టమైన వాస్తవికత దాగి ఉంది—అధిక మాస్క్ ఖర్చులు, దిగుబడి సవాళ్లు, థర్మల్ డిజైన్ మరియు ట్రాన్సిస్టర్ ఫిజిక్స్ పరిమితులు వంటివి. భవిష్యత్తులో, మరింత అధునాతన నోడ్లు, మరింత సమర్థవంతమైన ARM ఆర్కిటెక్చర్ డిజైన్లు మరియు ప్యాకేజింగ్ ఆవిష్కరణల కలయిక తదుపరి తరం స్మార్ట్ఫోన్లను తీర్చిదిద్దడం కొనసాగిస్తుంది.
మీకు కావాలంటే, TSMC మరియు Samsung Foundryల పాత్రలను పోల్చుతూ ఒక ప్రత్యేక విభాగాన్ని నేను జోడించగలను, లేదా అవసరాన్ని బట్టి ఈ వ్యాసానికి మరింత సాంకేతిక రూపాన్ని (BEOL, low-k, variability, IR drop, మరియు clock/power gating వంటి అంశాలను చర్చిస్తూ) సృష్టించగలను.
