Dans le monde des puces informatiques, les plus grands nombres sont souvent meilleurs. Plus de cœurs, plus de GHz, plus de FLOPs, tous souhaités par les ingénieurs et les utilisateurs. Mais il y a une mesure qui est une nouvelle chaude en ce moment et plus elle est petite, mieux c’est. Mais exactement de quoi s’agit-il et pourquoi c’est si important? Pourquoi est-il mesuré en nanomètres et pourquoi allons-nous tous sur Sesame Street et vous apporter cet article avec les chiffres 10, 7 et 5? Faisons un voyage dans le monde des nœuds de processus…
Avant de nous plonger dans les choses, il vaudra la peine de passer du temps à parcourir notre récent regard sur l’architecture du PROCESSEUR. Dans la première partie, nous avons couvert l’architecture fondamentale des processeurs et dans la deuxième partie, nous avons examiné comment les ingénieurs les planifient et les conçoivent.
La section clé pertinente à cet article est l’explication de la façon dont les puces informatiques sont physiquement assemblées. Vous voudrez lire attentivement la section sur la photolithographie si vous souhaitez une compréhension approfondie du processus de fabrication, alors que dans cette fonctionnalité, nous nous concentrerons davantage sur ce point qui a été brièvement abordé:
L’un des plus grands termes marketing associés à la fabrication de puces est la taille de la fonctionnalité.
Dans l’industrie des puces, la taille de la fonctionnalité est liée à quelque chose appelé nœud de processus. Comme nous l’avons mentionné dans Comment les processeurs sont conçus, Partie 3, il s’agit d’un terme assez lâche, car différents fabricants utilisent l’expression pour décrire différents aspects de la puce elle-même, mais il n’y a pas si longtemps, elle faisait référence au plus petit espace entre deux sections d’un transistor.
Aujourd’hui, c’est plutôt un terme marketing et peu utile pour comparer les méthodes de production. Cela dit, le transistor est une caractéristique critique de tout processeur, car des groupes d’entre eux effectuent tous les calculs de nombre et le stockage de données effectués à l’intérieur de la puce, et un nœud de processus plus petit du même fabricant est une chose très souhaitée. La question évidente à se poser ici est pourquoi?
Rien dans le monde des processeurs ne se passe instantanément et cela ne se produit pas non plus sans nécessiter une source d’énergie électrique. Les composants plus gros mettent plus de temps à changer d’état, les signaux prennent plus de temps à se déplacer et plus d’énergie est nécessaire pour déplacer l’électricité autour du processeur. Sans essayer de paraître obtus, les composants plus gros occupent également plus d’espace physique, de sorte que les puces elles-mêmes sont plus grandes.
Dans l’image ci-dessus, nous examinons trois anciens processeurs Intel. En partant de la gauche, nous avons un Celeron 2006, un Pentium M 2004 et un très vieux Pentium de 1995. Ils ont un noeud de processus de 65, 90 et 350 nm respectivement. En d’autres termes, les parties critiques de la conception de 24 ans sont plus de 5 fois plus grandes que celle de 13 ans. Une autre différence importante est que la puce la plus récente a environ 290 millions de transistors emballés à l’intérieur, alors que le Pentium d’origine en a un peu plus de 3 millions; presque des centaines de fois moins.
Bien que la réduction du nœud de processus ne soit qu’une partie de la raison pour laquelle la conception plus récente est physiquement plus petite et comporte plus de transistors, elle joue un rôle important dans la capacité d’Intel à offrir cela.
Mais voici le vrai kicker: ce Celeron ne produit qu’environ 30 W de chaleur, contre 12 W pour le Pentium. Cette chaleur provient du fait que lorsque l’électricité est poussée autour des circuits de la puce, l’énergie est perdue par divers processus et la grande majorité est libérée sous forme de chaleur. Oui, 30 est un nombre plus grand que 12, mais n’oubliez pas que la puce a près de 100 fois plus de transistors.
Donc, si les avantages d’avoir un nœud de processus plus petit se traduisent par des puces plus petites, vantant plus de transistors qui peuvent commuter plus rapidement – ce qui nous donne plus de calculs par seconde – et moins d’énergie perdue sous forme de chaleur, cela pose une autre question: pourquoi chaque puce au monde n’utilise-t-elle pas le plus petit nœud de processus possible ?
Qu’il y ait de la lumière!
À ce stade, nous devons examiner un processus appelé photolithographie: la lumière passe à travers quelque chose appelé un photomasque, qui bloque la lumière dans certaines zones et la laisse passer dans d’autres. Là où elle passe, la lumière est alors fortement focalisée en un petit point et elle réagit ensuite avec une couche spéciale utilisée dans la fabrication de la puce, aidant à indiquer où les différentes pièces vont se trouver.
Pensez que c’est comme une radiographie de votre main: les os bloquent les rayons, agissant comme le photomasque, tandis que la chair le laisse passer, produisant une image de la structure interne de la main.
Source de l’image: Peellden, Wikimedia Commons
La lumière n’est pas réellement utilisée – même pour des puces comme l’ancien Pentium, elle est trop grande. Vous vous demandez peut-être comment la lumière terrestre peut avoir n’importe quelle taille, mais c’est en référence à la longueur d’onde. La lumière est ce qu’on appelle une onde électromagnétique, un mélange cyclique constant de champs électriques et magnétiques.
Bien que nous utilisions une onde sinusoïdale classique pour visualiser la forme, les ondes électromagnétiques n’ont pas vraiment de forme. C’est plus un cas que l’effet qu’ils génèrent lorsqu’ils interagissent avec quelque chose suit ce modèle. La longueur d’onde de ce motif cyclique est la distance physique entre deux points identiques: imaginez les vagues de la mer roulant sur une plage, la longueur d’onde est la distance entre les sommets de ces vagues. Les ondes électromagnétiques ont une vaste gamme de longueurs d’onde possibles, alors nous les assemblons et appelons cela un spectre.
Petit, plus petit, plus petit
Dans l’image ci-dessous, nous pouvons voir que ce que nous appelons la lumière n’est qu’une infime partie de ce spectre. Il existe d’autres noms familiers: ondes radio, micro-ondes, rayons X, etc. Nous pouvons également voir quelques chiffres pour les longueurs d’onde; la lumière est quelque part autour de 10-7 mètres de taille ou environ 0,000004 pouces!
Les scientifiques et les ingénieurs préfèrent utiliser une méthode légèrement différente pour décrire des longueurs aussi petites et des nanomètres ou nm pour faire court. Si nous regardons la section élargie du spectre, nous pouvons voir que la lumière varie en fait de 380 nm à 750 nm.
Source de l’image : Philip Ronan, Gringer
Revenez un peu sur cet article et relisez la partie sur l’ancienne puce Celeron it elle a été fabriquée sur un nœud de processus de 65 nm. Alors, comment pourrait-on fabriquer des pièces plus petites que la lumière? Simple: le processus de photolithographie n’utilisait pas de lumière, il utilisait de la lumière ultraviolette (aka UV).
Dans la carte spectrale, les UV commencent à environ 380 nm (où la lumière se termine) et se rétrécissent jusqu’à environ 10 nm. Des fabricants tels que Intel, TSMC et GlobalFoundries utilisent un type d’onde électromagnétique appelé EUV (UV extrême), d’une taille d’environ 190 nm. Cette vague minuscule signifie non seulement que les composants eux-mêmes peuvent être créés plus petits, mais que leur qualité globale peut être potentiellement meilleure. Cela permet de rapprocher les différentes pièces les unes des autres, ce qui contribue à réduire la taille globale de la puce.
Les différentes entreprises proposent différents noms pour l’échelle du nœud de processus qu’elles utilisent. Intel appelle leur tout dernier P1274 ou « 10 nm » pour le grand public, tandis que TSMC appelle simplement le leur « 10FF. »Les concepteurs de processeurs tels qu’AMD créent la disposition et les structures pour les nœuds de processus plus petits, puis comptent sur TSMC pour les produire, qui a intensifié ses lignes de production à haut volume « 7 nm » plus tôt cette année. À cette échelle de production, certaines des plus petites caractéristiques ne mesurent que 6 nm (la majorité, cependant, sont beaucoup plus grandes que cela).
Pour avoir une idée de la taille réelle de 6 nm, les atomes de silicium qui constituent la majeure partie du processeur sont espacés d’environ 0,5 nm, les atomes eux-mêmes ayant un diamètre très approximatif de 0,1 nm. Ainsi, en tant que chiffre théorique, les usines de TSMC traitent des aspects d’un transistor qui couvrent moins de 10 atomes de silicium de largeur.
Le défi de viser des atomes
En laissant de côté le fait ahurissant que les fabricants de puces travaillent à ce que les caractéristiques ne soient qu’une poignée d’atomes, la photolithographie EUV a soulevé tout un tas de graves problèmes d’ingénierie et de fabrication.
Intel a notamment lutté pour que sa production à 10 nm atteigne le même niveau que celle à 14 nm et l’année dernière, GlobalFoundries a arrêté tout développement de ses systèmes de production à 7 nm et plus petits. Bien que les problèmes d’Intel et de GF ne soient pas dus aux difficultés inhérentes à la photolithographie EUV, ils ne peuvent pas être entièrement sans rapport.
Plus la longueur d’onde d’une onde électromagnétique est courte, plus elle transporte d’énergie, ce qui augmente le risque d’endommagement de la puce en cours de fabrication; la fabrication à très petite échelle est également très sensible à la contamination et aux défauts des matériaux utilisés. D’autres problèmes, tels que les limites de diffraction et le bruit statistique (variation naturelle de l’endroit où l’énergie transférée par l’onde EUV se dépose dans la couche de puces), vont également à l’encontre de l’objectif d’atteindre des puces 100% parfaites.
Deux défauts de fabrication dans une puce. Source: Technologie à l’état solide
Il y a aussi le problème que dans le monde étrange des atomes, le flux d’électricité et le transfert d’énergie ne peuvent plus être supposés suivre les systèmes et les règles classiques. Garder l’électricité, sous la forme d’électrons en mouvement (l’une des trois particules qui composent les atomes), s’écoulant le long de conducteurs étroitement espacés les uns des autres est relativement facile à l’échelle à laquelle nous sommes habitués – il suffit d’envelopper les conducteurs avec une épaisse couche d’isolation.
Au niveau auquel Intel et TSMC travaillent, cela devient beaucoup plus difficile à réaliser car l’isolation n’est pas vraiment assez épaisse. Pour le moment, cependant, les problèmes de production sont presque entièrement liés aux problèmes inhérents à la photolithographie EUV, il faudra donc encore quelques années avant de pouvoir commencer à argumenter dans les forums que Nvidia gère mieux le comportement quantique qu’AMD ou d’autres absurdités similaires!
C’est parce que le vrai problème, la raison ultime derrière les difficultés de production, est qu’Intel, TSMC et tous leurs amis fabricants sont des entreprises, et ils visent des atomes dans le seul but de générer des revenus futurs. Dans un document de recherche d’entreprise de Mentor, l’aperçu suivant a été offert quant au coût des plaquettes supplémentaires pour les nœuds de processus plus petits.
Par exemple, si nous supposons que le nœud de processus de 28 nm est le même qu’Intel a utilisé pour fabriquer sa gamme de processeurs Haswell (comme le Core i7-4790K), leur système de 10 nm coûte presque deux fois plus cher par tranche. Le nombre de puces que chaque plaquette peut produire dépend fortement de la taille de chaque puce, mais avec une échelle de processus plus petite, une plaquette peut potentiellement produire plus de puces à vendre, ce qui contribue à compenser l’augmentation des coûts. En fin de compte, cependant, une grande partie de ce coût sera répercutée sur le consommateur en augmentant le prix de détail du produit, mais cela doit être équilibré par rapport à la demande de l’industrie.
L’augmentation des ventes de smartphones au cours des dernières années, associée à une croissance quasi exponentielle de la technologie intelligente dans les maisons et les voitures, a obligé les fabricants de puces à absorber le coup financier d’aller vers des nœuds de processus plus petits jusqu’à ce que l’ensemble du système soit suffisamment mature pour produire des plaquettes à haut rendement (c’est-à-dire celles qui contiennent le moins de défauts possible) en volumes élevés. Étant donné que nous parlons de milliards de dollars ici, c’est une entreprise risquée et une bonne partie de la raison pour laquelle GlobalFoundries s’est retiré de la course aux nœuds de processus.
Perspectives d’avenir
Si tout cela semble quelque peu sombre, il ne faut pas oublier que l’avenir immédiat semble positif. Samsung et TSMC exploitent non seulement leurs lignes de production de 7 nm avec une marge saine, en termes de volume et de revenus, mais les concepteurs de puces planifient également à l’avance en utilisant plusieurs nœuds dans leurs produits. Dernièrement, l’exemple le plus notable de cela a été la conception chiplet d’AMD sur les PROCESSEURS Ryzen de 3e génération récemment publiés.
Ce processeur de PC de bureau haut de gamme comportera deux puces fabriquées sur le nœud de 7 nm de TSMC et une puce de 14 nm fabriquée par GlobalFoundries. Les premiers seront les parties réelles du processeur, tandis que les seconds géreront la mémoire DDR4 et les périphériques PCI Express connectés au processeur. En supposant que cette conception fonctionne comme prévu (et il n’y a aucune raison de douter qu’elle le devrait), nous verrons presque certainement plus d’entreprises suivant cette configuration multi-nœuds.
L’image ci-dessus montre les changements du nœud de processus d’Intel au cours des 50 dernières années. L’axe vertical montre la taille du nœud par des facteurs de 10, à partir de 10 000 nm. Le géant des puces a suivi une demi-vie approximative du nœud (le temps nécessaire pour réduire la taille du nœud de moitié à chaque fois) de 4,5 ans.
Cela signifie-t-il que nous verrons une Intel de 5 nm d’ici 2025? Probablement oui, malgré leur récent trébuchement avec 10 nm. Samsung et TSMC ont poursuivi leurs recherches sur 5 nm, de sorte que l’avenir semble bon pour les processeurs de toutes sortes.
Ils seront plus petits et plus rapides, consommeront moins d’énergie et offriront plus de performances. Ils ouvriront la voie à des voitures entièrement autonomes, des montres intelligentes avec la puissance et la durée de vie de la batterie des smartphones actuels, et des graphismes dans des jeux au-delà de tout ce que l’on voit dans des films de plusieurs millions de dollars d’il y a dix ans.
L’avenir est en effet brillant, car l’avenir est petit.