32 nm, 22 nm, 14 nm – Te określenia to kłamstwo. Sprawdź dlaczego

Wielokrotnie, zwłaszcza przy premierze jakichś nowych podzespołów, czy to procesorów czy kart graficznych, zachwycamy się kolejnymi procesami litograficznymi, regularnie obniżanymi - dodam. Producenci licytują się na coraz to niższe cyferki, obiecując tym samym usprawniony, względem poprzedniej generacji produktów, stosunek wydajności do zużycia energii (a więc poniekąd także niższą temperaturę pracy). Ale czy mówią nam przy tym zupełnie wszystko? Cóż, jak to w takich przypadkach bywa, odpowiedź brzmi: nie. Owszem, ulepszenie procesu technologicznego wiąże się z licznymi korzyściami, jednak w rzeczywistości całe to zagadnienie jest o wiele bardziej skomplikowane i nie można go ograniczyć do sloganu pokroju "14 nm", beztrosko wrzuconego na slajd, z oficjalnej prezentacji. Ja natomiast postaram się wytłumaczyć Wam dlaczego tak jest, posługując się przytoczonym już przykładem najpopularniejszego aktualnie procesu litograficznego, w którym swe najnowsze procesory, przynajmniej teoretycznie, produkuje zarówno Intel, jak i AMD. Zatem do rzeczy.

Układy scalone produkuje się w procesie zwanym fotolitografią. Stąd też, nawiasem mówiąc, pochodzi określenie proces litograficzny. Krzemowy wafel pokrywa się światłoczułym materiałem, a następnie oświetla w odpowiednich miejscach, by nanieść na niego docelową strukturę. Pierwotnie największą przeszkodą na drodze do uzyskiwania coraz niższych procesów litograficznych była rozdzielczość układu optycznego lasera, a konkretniej długość fali emitowanego przez niego światła, która wynosi co najmniej 193 nm. Jako iż w takim wypadku barierę dla samego chipu stanowiło 105 nm, zaczęto eksperymentować z rozbijaniem wiązki światła przez maski przesuwające fazę, a później także układami refleksyjnymi (litografia immersyjna; długość fali: 13,5 nm). Ostatecznie producenci operować mogą na znacznie mniejszych wielkościach niż wspomnianych 105 nm, co jednak nie zmienia faktu, że litografia, z definicji naukowej, po dziś dzień wynosi 193 nm. Skąd zatem bierze się "14 nm" we współczesnych procesorach, zapytacie? Ano, stąd, że określenie litografia nie jest synonimem procesu litograficznego, a to właśnie o tym drugim mówimy w kontekście układów scalonych.

Przy czym, wbrew pozorom, procesora nie daje się scharakteryzować jedną tylko wielkością, przez co nie należy wyobrażać go sobie jako pajęczyny ścieżek, o przekroju wyrażonym przez wymiar technologiczny. Współczesne układy składają się bowiem z miliardów tranzystorów polowych, które same w sobie są konstrukcjami złożonymi - mają trzy elektrody. Dwie elektrody, zwane źródłem i drenem, tworzą kanał prądowy. Wzdłuż nich umieszcza się zaś trzecią elektrodę, tj. bramkę, która, po przyłożeniu napięcia, zmienia przewodnictwo kanału. Nie ma technicznej możliwości, by pojawił się tutaj tylko jeden wymiar. I tak, dla przykładu, "14 nm" według Intela cechuje się bramką o gęstości poziomej 42 nm, przy szerokości finu równej 8 nm i wysokości - 42 nm. U konkurencji z kolei (a właściwie w fabrykach GlobalFoundries, które odpowiadają za układy AMD) wielkości te, odpowiednio, wynoszą 42, 10 oraz 25 nm. Co oczywiste, nie są to jedyne różnice, bo dochodzi do tego choćby długość bramek, ale to, z perspektywy dzisiejszego tematu, niezbyt istotne. Ważne jest to, że wymiar 14 nm nie pojawia się w specyfikacjach obydwu technologii ani razu(!), wyłączając ich nazewnictwo.

A co to oznacza w praktyce? Szczerze powiedziawszy, nic szczególnego, bo dalej niższy proces litograficzny oznacza korzyści dla użytkownika. Tyle tylko, że technicznie rzecz biorąc, nie powinniśmy mówić o konkretnych procesach technologicznych, używając raczej sformułowania klasy procesu technologicznego, nie wspominając już o terminie litografia. Mało tego, zagłębiając się w temat, można też czasem spojrzeć bardziej trzeźwym wzrokiem na deklaracje poszczególnych producentów. Weźmy za przykład firmę NVIDIA, która wprowadziła niedawno wysokowydajny akcelerator TITAN V, w procesie litograficznym klasy 12 nm FFN. Sądzicie, że to cokolwiek przełomowego? Nie, bowiem to tylko nieznacznie usprawniony proces litograficzny klasy 16 nm FinFET, znany już z bieżącej generacji konsumenckiej, kart Pascal. Dokładnych zmian nie ujawniono, ale mówi się o maksymalnie 15% większym zagęszczeniu. Swoją drogą, czy to aby nie koliduje z 25% redukcją oznaczenia klasy? Na to pytanie powinniście móc sobie odpowiedzieć, zwłaszcza po lekturze niniejszego tekstu, sami.