Talaş yapımı zorlukları moore yasasıyla karşı karşıya

Her birkaç yılda bir Moore Yasası'nın - belirli bir bölgedeki transistörlerin sayısının iki yılda bir iki katına çıktığı kavramı - nasıl öldüğü hakkında hikayeler var. Bu tür hikayeler onlarca yıldır var, ancak hala birkaç yılda bir, daha fazla transistörlü yeni fişler görmeye devam ediyoruz.

Örneğin, Şubat ayında Intel, 22nm işlemini kullanarak 541 milimetrekarelik bir kalıpta Xeon E7v2 veya Ivytown adında 4.3 milyarlık bir transistör yongasını tanıttı. On yıl önce, Intel'in Gallatin olarak bilinen üst düzey Xeon'u, 555 metrekarelik bir kalıpta 82 milyon transistör bulunan 130 nm'lik bir çipti. İki yılda bir iki katına yetişmek bu değil ama yakın.

Elbette, bu sonsuza kadar çalışmaya devam edeceği anlamına gelmez ve gerçekten de, talaş yapımı hem talaşın hem imalatını hem de tasarımını etkileyen bazı büyük değişikliklerden geçiyor ve tüm bunların kullanıcılar üzerinde kalıcı etkileri olacak.

En açık şekilde, saat hızlarının daha da hızlanmadığı uzun süredir açıktı. Ne de olsa Intel 2004 yılında 3.6 GHz hızında çalışan Pentium yongalarını tanıttı; Bugün şirketin en üst seviye Core i7'sı maksimum 3.9 GHz turbo hızıyla 3.5 GHz'de çalışıyor. (Tabii ki, overclock yapan bazı insanlar var, ama her zaman böyle oldu.)

Bunun yerine, tasarımcılar çiplere daha fazla çekirdek ekleyerek ve her bir çekirdeğin verimliliğini artırarak tepki gösterdi. Bugün, bir masaüstü veya dizüstü bilgisayar için alabileceğiniz en düşük seviye yonga bile çift çekirdekli bir yonga ve dört çekirdekli sürümleri yaygın. Telefonlarda bile, şimdi çok sayıda dört çekirdekli ve hatta okta çekirdekli parçaları görüyoruz.

Aynı anda birden fazla uygulamayı çalıştırmak (çoklu görev) veya gerçekten birden fazla çekirdek ve iş parçacığından gerçekten faydalanabilecek uygulamalar için harikadır, ancak çoğu uygulama hala bunu yapmaz. Geliştiriciler - özellikle geliştirici araçları oluşturanlar - uygulamalarının birden fazla çekirdekle daha iyi çalışmasını sağlamak için çok zaman harcadılar, ancak çoğunlukla tek iş parçacıklı performansa bağlı çok fazla uygulama var.

Ek olarak, işlemci geliştiricileri, endüstrinin çoğunun heterojen işleme olarak adlandırdığı bir uygulama işlemcisine çok daha fazla grafik çekirdeği ve diğer özel çekirdeği (video kodlayan veya kod çözen veya verileri şifreleyen veya şifresini çözen olanlar gibi) koyuyorlar. AMD, Qualcomm ve MediaTek, bazı şeyleri çok anlamlı kılan bu konsepti zorluyor. Kesinlikle entegrasyona yardımcı oluyor - talaşları daha küçük ve daha az aç hale getiriyor; ve mobil işlemcilerde mükemmel bir anlam ifade ediyor gibi görünüyor - ARM, daha güçlü ancak daha fazla güç tüketen çekirdeği yalnızca biraz güç alanlarla birleştiren yerlerde aldığı büyük LITTLE yaklaşımı gibi. Birçoğumuz için aynı performans için daha az güç kullanan çipleri almak - ve dolayısıyla pil şarjında ​​daha uzun süren mobil cihazlar çok önemlidir.

Çok sayıda çekirdeğin kullanılması - ister grafik çekirdeği isterse özel x86 çekirdeği olsun - kesinlikle Nvidia'nın Tesla tahtaları ya da Intel'in Xeon Phi (Şövalye Köşesi) gibi şeylerin büyük bir etkiye sahip olduğu yüksek performanslı bilgi işlem üzerinde büyük bir etkiye sahip. Gerçekten de, bugün en iyi süper bilgisayarların çoğu bu yaklaşımlardan birini kullanıyor. Ancak yine de yalnızca belirli kullanımlar için, öncelikle SIMD (tek komut, çoklu veri) komutları kullanan uygulamalar için geçerlidir. Diğer şeyler için bu yaklaşım işe yaramıyor.

Ve bu sadece daha hızlı koşamayan fişler değil. İmalat tarafında, kalıba daha fazla transistör yerleştirmenin önünde başka engeller var. Geçtiğimiz on yıl boyunca, geleneksel silikon, oksijen ve alüminyum karışımından "süzülmüş silikon" (mühendislerin silikon atomlarını uzattığı) gibi yeni tekniklere doğru ilerleyen talaş yapımı için her türlü yeni teknik gördük. yüksek K / metal geçit malzemeleri olan ve en son olarak Intel parlance'da geleneksel düzlemsel kapılardan FinFET veya "TriGate" olarak bilinen 3B kapılara geçiş. İlk iki teknik şimdi, tüm gelişmiş yonga üreticileri tarafından kullanılıyor; dökümhaneler, Intel'in 2012 tanıtımını takiben gelecek yıl içinde FinFET'leri tanıtmayı planlıyor.

Alternatiflerden biri, özellikle ST Microelectronics'in, özellikle, küçük transistörlerin daha iyi elektriksel kontrolünü sağlamak için silikon substrat ve kanal arasında ince bir yalıtım katmanı kullanan, ittiği bir teknik olan ST Microelectronics'in uyguladığı bir teknik olan FD-SOI (tamamen tükenmiş yalıtkan silikon) olarak adlandırılır. daha iyi performans ve düşük güç sağlayan teori. Ancak şu ana kadar FinFET’lerin sahip olduğu büyük üreticilerden neredeyse bir ivme almıyor gibi görünüyor.

Son zamanlarda, Intel, çip yapımında ne kadar ileride olduğu konusunda çok büyük bir çaba sarf ediyor ve aslında Çekirdek mikroişlemcilerinin 22nm işleminde TriGate teknolojisi ile yaklaşık iki yıl önce hacimli üretimine başladı ve ikinci yarısında 14nm ürünlerini sevk etmeyi planlıyor bu yılın. Öte yandan, büyük yonga dökümhaneler, gelecek yıl için FinFET'lerin hazırlandığı 14 ya da 16nm'lik ürünlerle, geleneksel düzlemsel transistörleri kullanarak bu yıl sonra 20nm üretim yapmayı planlıyorlar.

Intel, analist gününden itibaren olduğu gibi chip yoğunluğunun ne kadar ileride olduğunu gösteren slaytlar gösteriyor:

Ancak dökümhaneler aynı fikirde değil. İşte TSMC'nin en son yatırımcı çağrısında, gelecek yılki açığı kapatabileceğini söyleyen bir slayt.

Açıkçası, sadece zaman söyleyecektir.

Bu arada, daha küçük kalıp boyutları elde etmek, çizgileri silikon çipine asmak için kullanılan geleneksel litografi araçlarıyla daha zordur. Endüstrinin yıllardır kullandığı daldırma litografisi sınırına ulaşmıştır, bu nedenle satıcılar daha ince boyutlar elde etmek için "çift kalıplama" ya da daha fazla geçişe yönelmektedir. Son zamanlarda biraz ilerleme görmemize rağmen, daha ince kontrol sunması gereken aşırı ultraviyole (EUV) litografisine doğru uzun süredir beklenen hareket yıllarca uzak durmaya devam ediyor.

FinFET'ler ve çoklu modelleme gibi şeyler, gelecek nesil cipsleri oluşturmaya yardımcı oluyor, ancak artan maliyetlerle. Nitekim, bazı analistler, 20nm'deki transistörün üretim başına maliyetinin, çiftli kalıplama gereksiniminden dolayı 28nm'deki maliyet üzerinde bir gelişme olmayabileceğini söylüyorlar. FinFET'ler gibi yeni yapılar da en azından başlangıçta daha pahalı olacak.

Sonuç olarak, birçok yonga üreticisi, geleneksel Moore Yasası teknikleri işe yaramasa bile yoğunluğu arttırmak için daha egzotik yöntemlere bakıyor.

NAND flash bellek en gelişmiş işlem teknolojisini kullanıyor, bu yüzden zaten geleneksel yatay ölçeklendirmeyle ilgili ciddi sorunlar yaşıyor. Çözüm, dikey NAND dizeleri oluşturmaktır. Tek tek bellek hücreleri küçülmez, ancak aynı yüzey üzerinde çok fazla üst üste yığılabildiğiniz için, aynı kaplama alanında çok daha fazla yoğunluk elde edersiniz. Örneğin, bir 40nm işleminde üretilen 16 katmanlı bir 3D NAND çipi, 10nm'lik bir işlemle yapılan konvansiyonel bir 2D NAND çipine kabaca eşdeğer olacaktır (şu anda kullanımdaki en gelişmiş işlem 16nm'dir). Samsung zaten V-NAND (Vertical-NAND) 'ı ürettiğini ve Toshiba ve SanDisk’in p-BiCS dediği şeyi takip edeceğini söyledi. Micron ve SK Hynix ayrıca 3D NAND'ı geliştiriyor, ancak önümüzdeki birkaç yıl boyunca standart 2D NAND'a odaklanmış gibi görünüyor.

Bunun 3D yonga istiflemeyle aynı şey olmadığını unutmayın. DRAM belleği de bir ölçekleme duvarına çarpıyor, ancak her hücrede bir transistör ve bir kapasitör gerektiren farklı bir mimariye sahip. Buradaki çözüm, birbiri üzerine çoklu üretilmiş DRAM bellek yongalarını istiflemek, alt tabakalar boyunca delikler açmak ve daha sonra bunları silisyum-silisyum (TSV'ler) adı verilen bir teknoloji kullanarak bağlamaktır. Sonuç aynıdır - daha az yer kaplayan daha yüksek yoğunluklu - ancak yeni bir imalat işleminden daha gelişmiş bir paketleme işleminden daha iyidir. Endüstri, bu aynı tekniği sadece ayak izini kesmek için değil, aynı zamanda performansı artırmak ve gücü azaltmak için mantığın üstüne bellek yığmak için kullanmayı planlıyor. Çok dikkat çeken bir çözüm, Micron's Hybrid Memory Cube. Sonunda 3B yonga istifleme, CPU'ları, belleği, sensörleri ve diğer bileşenleri tek bir pakette birleştiren güçlü mobil yongalar oluşturmak için kullanılabilir, ancak bu tür heterojen denilen ürünlerin üretimi, test edilmesi ve işletilmesiyle çözülmesi gereken birçok sorun var. 3B yığınlar.

Ancak bu, çip üreticilerinin konuştukları yeni nesil teknikler çok daha egzotik görünüyor. Chip konferanslarda, yeni malzemelerin kendilerini temel transistör modelinde bir araya getirecekleri (en azından bir çip tabakası için) Directed Self Assembly (DSA) hakkında çok şey duyarsınız. Biraz bilim kurgu gibi gözüküyor, ama bunun çok da iyi olmadığını düşünen birkaç araştırmacı tanıyorum.

Bu arada, diğer araştırmacılar daha geleneksel üretim tarzlarında III-V yarı iletkenler olarak bilinen yeni malzemeler sınıfına bakıyor; diğerleri ise nanotelleri gibi FinFET'leri tamamlamak veya değiştirmek için farklı yarı iletken yapılara bakarken.

Maliyetleri düşürmenin bir başka yöntemi, transistörleri daha büyük bir gofret yapmaktır. Endüstri, yaklaşık on yıl önce 200 mm gofretten 300 mm gofrete (yaklaşık 12 inç çapında) geçmeden önce bu tür geçişlerden geçti. Şimdi, büyük gofret üreticilerinden ve araç tedarikçilerinden gerekli teknolojilere bakmak için bir konsorsiyum yaratan 450 mm gofrete geçme hakkında çok fazla konuşma var. Böyle bir geçiş, üretim maliyetlerini düşürmeli, ancak yeni fabrikalar ve yeni nesil yonga yapma araçları gerektireceği için yüksek sermaye maliyeti taşıyacaktır. Intel’in Arizona’da 450mm üretim kapasitesine sahip, ancak araçları sipariş etmeyi geciktiren bir tesisi var ve araç üreticilerinin birçoğu tekliflerini de geciktiriyor, bu da 450mm gofretlerin ilk gerçek üretiminin yapılmayacağını gösteriyor. En erken 2019 veya 2020.

Her şey daha da zorlaşıyor ve daha pahalı gibi görünüyor. Ancak bu başlangıçtan beri yarı iletken üretimi için geçerli oldu. Büyük soru her zaman performanstaki iyileştirmelerin ve ekstra yoğunluğun imalatta ekstra maliyete değip değmeyeceğidir.

ISSCC: Moore Yasasını Genişletmek

Moore Yasasının uzatılması, geçen ayki Uluslararası Katı Hal Devreleri konferansında (ISSCC) önemli bir konuydu. Bir Stanford Üniversitesi profesörü ve Rambus'un kurucusu olan Mark Horowitz, bugün her şeyde hesaplama yaptığımızın sebebinin, Moore Yasası ve Dennard'ın ölçeklendirme konusundaki kuralları nedeniyle hesaplamanın ucuz olmasıydı. Bu, bilgisayar cihazlarının daha ucuz, daha küçük ve daha güçlü olacağı beklentilerine yol açtı. (Stanford cpudb.stanford.edu'da işlemcilerin zaman içindeki performansını çizmiştir).

Ancak, mikroişlemcilerin saat frekansının 2005 civarında ölçeklenmeyi bıraktığını, çünkü güç yoğunluğunun bir sorun olduğunu belirtti. Mühendisler gerçek bir güç sınırına çarptılar - çipleri daha sıcak yapamadıkları için, artık tüm bilgisayar sistemleri güç sınırlı. Belirttiği gibi, güç ölçeklendirme - güç kaynağı voltajı - çok yavaş değişiyor.

Sektörün bu sorunu çözme konusundaki ilk eğilimi, teknolojiyi değiştirmektir. “Ne yazık ki, teknik ve ekonomik sorunlar için CMOS'un yerini alacak bir teknoloji bulacağımız konusunda iyimser değilim” dedi. Bu nedenle, saniyede işlem almanın tek yolu, işlem başına enerjiyi azaltmak olduğunu, bunun herkesin cep telefonlarında bile bugün çok çekirdekli işlemcilere sahip olduğunu öne sürdüğünü söyledi. Fakat sorun şu ki, çekirdek eklemeye devam edemezsiniz çünkü performans enerjisi ve kalıp alanı açısından hızla azalan bir dönüş noktasına çarptınız. CPU tasarımcıları bunu bir süredir biliyorlardı ve CPU'ları uzun süredir optimize ediyorlar.

Horowitz, hafızanın kullandığı enerjiyi unutmamamız gerektiğini söyledi. Sunumunda, CPU çekirdeğinin enerjinin yaklaşık yüzde 50'sini kullandığı ve ölümsüz hafızanın (L1, L2 ve L3 önbelleklerinin) diğer yüzde 50'sini kullandığı mevcut, tanımlanamayan 8 çekirdekli bir işlemci için enerji dökümü yaptı. . Bu, toplam sistem enerji kullanımının yüzde 25'ini oluşturabilen harici DRAM sistem belleğini bile içermiyor.

Pek çok kişi, genel amaçlı bir CPU'ya kıyasla işlem başına bin kat daha iyi olabilen özel donanım (ASIC'ler gibi) hakkında konuşuyor. Ancak Horowitz'in belirttiği gibi, buradaki etkinlik kısmen gelir çünkü temelde belleğe çok fazla erişmeyen belirli uygulamalar (modem işleme, görüntü işleme, video sıkıştırma ve açma gibi) için kullanılır. Bu yüzden enerjiye bu kadar yardımcı oluyor - donanım ile ilgili bir şey değil, algoritmayı çok daha sınırlı bir alana taşımakla ilgili.

Kötü haberse bunun, inşa edebileceğiniz uygulamaların kısıtlı olduğu anlamına gelir. İyi haber şu ki, bu tür uygulamaları "yüksek konum" ile ele alabilecek daha genel bir motor inşa edebiliyor olabilirsiniz, yani belleğe erişmeleri gerekmiyor. Bunu, Çok Yerel Hesaplama Modeli ve üzerinde çalışabilecek “şablon uygulamaları” olarak adlandırıyor. Bu elbette yeni bir programlama modeli gerektirir. Stanford, bu stencil uygulamalarını oluşturabilecek ve FPGA'larda ve ASIC'lerde çalıştırabilecek bir derleyici olan alana özgü bir dil geliştirdi.

Ayrıca ISSCC konferansında, MediaTek Başkanı ve CEO'su Ming-Kai Tsai, insanların 1990'ların başından beri Moore Yasasının gerçekte ne kadar süreceğini sorduğunu söyledi. Ancak Gordon Moore’in 2003’te ISSCC’de söylediği gibi “Üstelik sonsuza dek sürmez. Ama sonsuza dek geciktirebiliriz.” Endüstri, Moore Yasasını devam ettirmek için çok iyi bir iş çıkardığını söyledi. Transistör maliyeti tarihi düşüşüne devam etti. 100 gram pirincin (yaklaşık 10 kuruş) maliyeti için, 1980'de sadece 100 transistör satın alabilirsiniz, ancak 2013 yılında 5 milyon transistör satın alabilirsiniz.

Tsai, mobil cihazların tavana çarptığını, çünkü işlemcilerin 3 GHz'in ötesindeki hızlarda verimli bir şekilde çalışamayacağını ve pil teknolojisinin fazla gelişmediğini söyledi. MediaTek bu problem üzerinde çok çekirdekli işlemciler ve heterojen çok işlemciler (HMP) kullanarak çalışıyor. Şirketin ilk gerçek 8 çekirdekli HMP işlemcisini 2013 yılında tanıttığını ve bu haftanın başlarında, performansı artırmak ve gücü azaltmak için PTP (Performans, Termal ve Güç) teknolojisini kullanarak 4 çekirdekli bir işlemci duyurduğunu söyledi. Ayrıca bağlantıdaki hızlı ilerlemeden bahsetti. Eskiden imkansız olan pek çok mobil uygulama, WLAN ve WWAN ağlarındaki bu gelişmeler nedeniyle artık geçerli.

MediaTek, kablosuz şarj çözümleri, giyilebilir cihazlar için "Aster" SoC (yalnızca 5.4x6.6 milimetre ölçüyor) ve HSA Vakfı'nın bir parçası olarak heterojen sistemler de dahil olmak üzere "Cloud 2.0" için farklı teknolojiler üzerinde çalışıyor. Tsai'ye göre Cloud 2.0, çok daha fazla telsizli, özellikle giyilebilir olan birçok cihazla karakterize edilecek; 2030 yılına kadar kişi başına 100'den fazla radyo.

Tsai, Cloud 2.0 için en büyük zorlukların enerji ve bant genişliği olacağını söyledi. İlki, yenilikçi entegre sistemler, donanım ve yazılım çözümleri gerektirecek; daha iyi pil teknolojisi; ve bir çeşit enerji harmanlaması. İkincisi, mevcut spektrumun, uyarlanabilir ağların ve daha güvenilir bağlantıların daha verimli kullanılmasını gerektirir.

Talaş yapımında ne olursa olsun, talaş üreticilerinin, ürün tasarımcılarının ve nihai olarak son kullanıcıların karşı karşıya kalacağı yeni uygulamalara ve yeni kararlara yol açacağı kesin.