Перспективы развития микропроцессоров

Создание маски.

Чтобы создать участки интегральной схемы, используется процесс фотолитографии. Поскольку при этом нужно облучать не всю поверхность подложки, то важно использовать так называемые маски, которые пропускают излучение высокой интенсивности только на определённые участки. Маски можно сравнить с чёрно-белым негативом. Интегральные схемы имеют множество слоёв (20 и больше), и для каждого из них требуется своя маска. Структура из тонкой хромовой плёнки наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, чтобы создать шаблон. При этом дорогие инструменты, использующие поток электронов или лазер, прописывают необходимые данные интегральной схемы, в результате чего получается шаблон из хрома на поверхности кварцевой подложки. Важно понимать, что каждая модификация интегральной схемы приводит к необходимости производства новых масок, поэтому весь процесс внесения правок очень затратный.

Фотолитография.

С помощью фотолитографии на кремниевой подложке формируется структура. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано множество слоёв (более 20). Слои могут состоять из разных материалов, причём, нужно ещё и продумывать соединения микроскопическими проволочками. Все слои можно легировать. Перед тем, как начнётся процесс фотолитографии, подложка очищается и нагревается, чтобы удалить липкие частицы и воду. Затем подложка с помощью специального устройства покрывается диоксидом кремния. Далее на подложку наносится связывающий агент, который гарантирует, что фоторезистивный материал, который будет нанесён на следующем шаге, останется на подложке. Фоторезистивный материал наносится на середину подложки, которая потом начинает вращаться с большой скоростью, чтобы слой равномерно распределился по всей поверхности подложки. Затем подложка вновь нагревается. Принцип действия фотолитографии представлен на рисунке 2. (Приложение Б)

Затем через маску обложка облучается квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, пучками электронов или ионов - могут использоваться все эти источники света или энергии.

УФ-излучение и газовые лазеры.

Жёсткое УФ-излучение с длиной волны 13,5 нм облучает фоторезистивный материал, проходя через маску. Для получения требуемого результата очень важны время проецирования и фокусировка. Плохая фокусировка приведёт к тому, что останутся лишние частицы фоторезистивного материала, поскольку некоторые отверстия в маске не будут облучены должным образом. То же самое получится, если время проецирования будет слишком маленьким. Тогда структура из фоторезистивного материала будет слишком широкой, участки под отверстиями будут недодержанными. С другой стороны, чрезмерное время проецирования создаёт слишком большие участки под отверстиями и слишком узкую структуру из фоторезистивного материала. Как правило, очень трудоёмко и сложно отрегулировать и оптимизировать процесс. Специальная шаговая проекционная установка перемещает подложку в нужное положение. Затем может проецироваться строчка или один участок, чаще всего соответствующий одному кристаллу процессора.10 Дополнительные микроустановки могут вносить иные изменения. Они могут отлаживать существующую технологию и оптимизировать техпроцесс. Микроустановки обычно работают над площадями меньше 1 кв. мм, в то время как обычные установки покрывают площади большего размера. Существуют мокрый и сухой процессы травления, которыми обрабатываются участки диоксида кремния. Мокрые процессы используют химические соединения, а сухие процессы - газ. Отдельный процесс заключается и в удалении остатков фоторезистивного материала. Производители часто сочетают мокрое и сухое удаление, чтобы фоторезистивный материал был полностью удалён. Это важно, поскольку фоторезистивный материал органический, и если его не удалить, он может привести к появлению дефектов на подложке.

После травления и очистки можно приступать к осмотру подложки, что обычно и происходит на каждом важном этапе, или переводить подложку на новый цикл фотолитографии.11

Тест подложек представлен на рисунке 3. (Приложение В)

Готовые подложки тестируются на так называемых установках зондового контроля. Они работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты. С помощью программного обеспечения тестируются все функции каждого ядра. Разрезание подложки представлено на рисунке 4. (Приложение Г). С помощью разрезания из подложки можно получить отдельные ядра. На данный момент установки зондового контроля уже выявили, какие кристаллы содержат ошибки, поэтому после разрезания их можно отделить от годных. Раньше повреждённые кристаллы физически маркировались, теперь в этом нет необходимости, вся информация хранится в единой базе данных.

Затем функциональное ядро нужно связать с процессорной упаковкой, используя клейкий материал. После этого нужно провести проводные соединения, связывающие контакты или ножки упаковки и сам кристалл.

Проводное соединение подложки представлены на рисунке 5. (Приложение Д)

Большинство современных процессоров используют пластиковую упаковку с распределителем тепла. Обычно ядро заключается в керамическую или пластиковую упаковку, что позволяет предотвратить повреждение.

Упаковка процессора представлена на рисунке 6. (Приложение Е).

Глава 2. Перспективы развития микропроцессоров

2.1 Ближайшее будущее микропроцессоров

Intel выпустит 12 новых процессоров на микроархитектуре Haswell, пять из них – семейства Pentium.

Компания Intel готовит к выпуску несколько новых CPU на микроархитектуре Haswell. Так, наряду с моделями Core i7-4820K, i7-4930K и i7-4960X, о которых мы уже писали ранее, компания добавит в свой каталог модель Core i7-4771.

Core i7-4771 будет отличаться от текущей модели Core i7-4770 лишь чуть большей номинальной тактовой частотой: 3,5 ГГц против 3,4 ГГц. В остальном характеристики этих CPU одинаковы.

Линейка Core i5 пополнится моделями Core i5-4440 и Core i5-4440S. Оба CPU – четырехъядерные, с поддержкой памяти DDR3-1600 МГц и интегрированным видеоядром Intel HD Graphics 4600 (до 1100 МГц). Тактовая частота и TDP модели Core i5-4440 – 3,1-3,3 ГГц и 84 Вт, модели Core i5-4440s – 2,8-3,3 и 65 Вт соответственно.

Линейка Core i3, по аналогии, прирастет моделями Core i3-4130 и Core i3-4130T, Core i3-4330 и Core i3-4330T.

Core i3-4130 и Core i3-4130T получат поддержку технологии Hyper-Threading, GPU Intel HD Graphics 4400 с максимальной частотой 1150 МГц и по 3 МБ кэш-памяти. Различие между ними – в частотах и TDP: Core i3-4130 – 3,4 ГГц и 54 Вт, Core i3-4130T – 2,9 и 35 Вт.

Core i3-4330 и Core i3-4330T получили по 4 МБ кэш-памяти и Intel HD Graphics 4600, остальные их характеристики соответствуют характеритистикам Core i3-4130 и Core i3-4130T. Частота и TDP Intel Core i3-4330 - 3,5 ГГц и 54 Вт, Core i3-4330T - 3,0 ГГц и 35 Вт.12

Линейка Pentium пополнится моделями G3220, G3420 и G3430, которые, очевидно, придут на смену CPU G2030, G2130 и G2140 соответственно. Все они получат по два вычислительных ядра, двухканальный контроллер оперативной памяти (DDR-1600 МГц в случае старших моделей и DDR3-1333 МГц – в случае младшей), 3 МБ кэш-памяти и интегрированное видеоядро, максимальная частота которого составит 1100 МГц. Тактовая частота CPU Pentium G3430 составит 3,3 ГГц, G3420 – 3,2 ГГц, G3220 – 3,0 ГГц. TDP всех трех процессоров – 54 Вт.

Энергоэффективные Pentium G3420T и G3220T будут отличаться меньшей тактовой частотой (2,7 и 2,6 ГГц соответственно) и меньшим значением TDP (35 Вт).

О цене новых процессоров Intel данных пока нет.

Процессор AMD FX-9370.

Компанию AMD можно критиковать по несметному количеству причин. Потоки недовольства могут быть легко направлены в адрес её нерасторопности в проектировании новых микроархитектур, затягивания внедрения новых технологических процессов, неверной расстановки приоритетов при создании современных процессорных дизайнов, безалаберности в исполнении собственных планов, перехода на автоматизированное проектирование компоновки полупроводниковых кристаллов, наплевательского отношения к собственным инженерным кадрам, многочисленных маркетинговых просчётов и многого другого. Однако в чём AMD упрекнуть совершенно невозможно, так это в отсутствии боевого духа.13 Несмотря на то, что, объективно говоря, в распоряжении компании нет достойных процессорных дизайнов, которые она могла бы противопоставить высокопроизводительным модификациям интеловских процессоров Core, AMD пытается сохранить хорошую мину при плохой игре и прилагает недюжинные усилия к тому, чтобы при сборке настольных систем у энтузиастов всё-таки оставалась какая-то возможность выбора. В ход идут все доступные средства, начиная с ценового маневрирования и заканчивая внесением в микроархитектуру не требующих коренных переделок оптимизаций.14 И если до недавних пор у AMD неплохо получалось сохранять достаточно весомую армию сторонников, которых вполне устраивало, что старшие процессоры серии FX обеспечивают производительность на уровне Core i5, заставляя при этом полностью забыть о каком-либо энергосбережении, то теперь эта ситуация начала угрожающе изменяться. Появление интеловских процессоров с микроархитектурой Haswell подняло планку производительности современных настольных систем, неминуемо оттесняя линейку FX в сторону бюджетных и недорогих предложений. Однако ответное снижение цен уже вряд ли может считаться достаточной контрмерой. Возможно, компания AMD и способна к самоиронии, но выпуск бюджетных восьмиядерных процессоров — шутка не особенно смешная, особенно если принять во внимание площадь их полупроводникового кристалла и вытекающую из этого себестоимость. Поэтому для поддержания ослабевающих позиций AMD и на более отчаянные шаги — расширение линейки процессоров FX двумя новыми представителями с повышенными тактовыми частотами: FX-9590 и FX-9370.

На первый взгляд в выходе таких процессоров нет ничего из ряда вон выходящего, рост номинальной частоты — вполне привычное направление развития процессорных линеек. Однако в данном случае мы имеем дело с совершенно особенным явлением: AMD подняла частоты имеющихся процессоров Vishera, закрыв глаза на реальные возможности этого процессорного дизайна. Итогом такого грубого и прямолинейного подхода стало формальное появление представителей серии FX, работающих на частотах до 5 ГГц, но с ограниченной доступностью, запредельным тепловыделением и энергопотреблением и проблемной совместимостью с имеющейся инфраструктурой. Мера эта вынужденная: к сожалению, на данном этапе каких-то других способов усилить линейку FX у AMD в распоряжении нет. Следующая микроархитектура Steamroller и более совершенные технологические процессы пока ещё не готовы, да и целесообразность дальнейшего развития семейства высокопроизводительных многоядерных процессоров FX для десктопных применений находится под большим вопросом.

В итоге новые процессоры вроде и представлены, но просто так пойти и купить их в магазине невозможно. По официальной версии, FX-9590 и FX-9370 доступны только для системных интеграторов и только в отдельных регионах.15 Россия в число стран, где распространяются новинки, не входит. В результате разыскать FX-9590 или FX-9370 для проведения тестирования оказалось практически нереальной задачей. Российское представительство компании AMD помочь нам с образцами наотрез отказалось, а в широкой продаже в отечественных магазинах они так и не появились, несмотря на то, что анонс состоялся ещё 11 июня. Тем не менее несколько экземпляров FX-9370 всё-таки просочилось в розницу по серым каналам, и после нескольких неудачных попыток ухватить один из них нам таки удалось. AMD FX-9590 — это специальная тюнингованная модель, частота которой в турборежиме доходит до 5-гигагерцевой отметки, а номинальная частота установлена на уровне 4,7 ГГц. Такие процессоры AMD реализует в очень ограниченных количествах, так как их выпуск требует специального отбора наиболее удачных полупроводниковых кристаллов. Но даже, несмотря на «индивидуальный» подход к производству, TDP у FX-9590 достигает запредельных 220 Вт. Страдает и цена: как и всякий раритет, FX-9590 стоит неожиданно много. В тех немногих американских и европейских магазинах, где его можно найти, ниже $800 цены не опускаются.

Совершенно очевидно: расчёт в первую очередь делается на коллекционеров, интерес которых к FX-9590 дополнительно подогревается тем фактом, что он может оказаться самым последним процессором AMD в линейке FX. По крайней мере актуальные версии планов компании не предполагают дальнейшего развития этого семейства ни в нынешнем, ни в будущем году, и даже тогда, когда в распоряжении AMD совершенно точно появится новая микроархитектура Steamroller.

Доставшийся же нам на тестирование AMD FX-9370 — более интересная с практической точки зрения модель. Её номинальная частота на 300 МГц ниже, чем у старшего собрата, — она составляет 4,4 ГГц в номинале и 4,7 ГГц в турборежиме. Но при этом тепловой пакет установлен тот же, 220 Вт, что оставляет некоторое пространство для разгона. Демократичнее выглядит и цена. AMD противопоставляет FX-9370 старшим моделям Core i7 для LGA1150/1155-систем и реализует их по цене порядка $300-$350.

При этом внешне в AMD FX-9370 ничто не выдаёт продукт премиум-класса. Процессор поставляется в небольшой картонной коробочке, в которой, кроме самого CPU, инструкции по установке и наклейки на корпус, ничего нет. Учтя высокий уровень тепловыделения, выбор систем охлаждения AMD решила переложить на плечи сборщиков, а придумывание какой-то эксклюзивной упаковки (например, подобной той, в которой предлагались оверклокерские AMD Phenom II 42 Black Edition TWKR) не имело смысла по той причине, что FX-9370 вообще не должен распространяться в розницу. Сам же процессор на поверку оказался обычным Vishera, не имеющим каких-либо глубинных отличий от привычного FX-8350. В основе AMD FX-9370 используется точно такая же версия полупроводникового кристалла OR-C0, как и в других процессорах для платформы Socket AM3+, основанных на вычислительных ядрах Piledriver.   

Совершенно очевидно, что FX-9370 — это узаконенный разгон FX-8350 на 400-500 МГц, выполненный силами самого производителя. Скорее всего, для FX-9370 компания AMD отбирает более удачные полупроводниковые кристаллы, но в первую очередь работоспособность на повышенных частотах реализуется за счёт увеличения напряжения питания. Так, при работе на штатной частоте 4,4 ГГц напряжение, подаваемое на вычислительные ядра, составляет порядка 1,41 В, а при активации технологии Turbo Core 3.0 оно может увеличиваться до 1,46 В. Это примерно на 0,07-0,08 В выше, чем у обычных процессоров Vishera.       

Развитие процессоров и платформ в ближайшие 10 лет.

Очевидно, что последние несколько лет были отмечены большим прогрессом вычислительных систем. Но какими бы ни были достижения прошедших десяти лет, в следующем десятилетии появление и миграция новых приложений и моделей использования на массовые компьютеры определят возросшие требования к вычислительным платформам будущего: высокая производительность, низкое энергопотребление и огромное увеличение функциональности.16

Учитывая то, что фактически произошел титанический сдвиг в моделях использования компьютеров, определяются и проектируются компьютерные платформы будущего, которые существенно, глобально изменят не только вычисления, но также интерфейсы и требования к инфраструктуре.

 Архитектура микропроцессоров 2015 года.