Výrobní proces čipu: jak se značí a co přinese v nejbližší budoucnosti?

V souvislosti (nejen) s mobilními chipsety často čteme, že ta či ona čipová sada využívá takzvaný „výrobní proces“ udávaný v nanometrech. Co ale vlastně tato hodnota znamená, jakým způsobem výrobní proces čipu ovlivňuje jeho vlastnosti chipsetů? Na tyto i další otázky si odpovíme v dnešním krátkém článku.

Čím méně, tím více

Na začátek si pojďme ve zkratce vysvětlit značení výrobních procesů. K tomu se v současnosti využívá délková jednotka nanometr. Ta v tomto případě udává vzdálenost mezi dvěma elementy (elektrodami přesněji) označenými jako „source“ (zdroj) a „drain“ (výpusť). Mezi těmi je pak umístěn třetí prvek značený jako „gate“ tedy brána. Ten se, jak samotný název napovídá, stará o řízení toku elektronů mezi elektrodami. Například smartphone HTC Dream alias T-Mobile G1 byl poháněn procesorem Qualcomm MSM7201A využívajícím 65nm výrobní proces – to se psal rok 2008. V současnosti pak očekáváme brzký příchod čipových sad vyrobených s využitím 5nm technologie. Jen pro představu, udává se, že tloušťka jemných lidských vlasů se pohybuje okolo 50 tisíc nanometrů.

A jaké má vlastně čím dál „menší“ výrobní proces čipu reálné benefity? Pokročilejší výrobní proces umožňuje výrobci čipu umístit na stejnou plochu větší množství tranzistorů a zvýšit tak celkový výkon daného řešení. Druhou variantou je pak použití stejného množství tranzistorů na menší ploše čímž se sníží náklady na výrobu čipu. Nezanedbatelnou výhodou je pak nižší spotřeba. Ta, zjednodušeně řečeno, souvisí právě s kratší vzdáleností mezi elektrodami a tím pádem potřebou nižšího napájecího napětí.

3nm výrobní proces dorazí již za 2 roky

Taiwanská společnost TSMC v současnosti patří mezi lídry ve výrobě čipů. A je to právě TSMC, které lze považovat za jednoho ze strůjců současného úspěchu AMD v oblasti desktopových a mobilních (notebookových) procesorů. TSMC však poskytuje své služby nejen AMD, ale také například společnostem jako Qualcomm, Huawei HiSilicon, nVidia, MediaTek, Apple či Intel. TSMC za svůj současný úspěch vděčí zejména dobře zvládnutému modernímu 7nm výrobnímu procesu, na vavřínech však rozhodně nespí.

Výrobce na výročním technologickém sympóziu potvrdil, že výroba 5nm čipů s kódovým označením N5 již běží na plné obrátky. Jediným dalším výrobcem, který již zahájil sériovou produkci 5nm čipů pak není nikdo jiný, než jihokorejský gigant Samsug, který aktuálně platí za světovou dvojku v oblasti výroby čipů. Velikost tohoto byznysu pak ilustrují i (plánované) obrovské investice Samsungu do rozvoje v hodnotě 116 miliard dolarů.

Poměrně brzy bychom se však měli dočkat příchodu 3nm výrobního procesu čipu, který by měl být připraven pro masovou výrobu již v druhé polovině roku 2022. TSMC se zde bude spoléhat na FinFET tranzistory a tato generace, označená jako N3, by měla přinést další nárůst výkonu o 10 – 15 % a snížení spotřeby o přibližně 30%. Oproti 5nm čipu by pak ten 3nm měl být také výrazně menší – konkrétně o 42%. To však neznamená, že by o tolik byl menší i samotný procesor. Ten je limitován i dalšími součástmi, jejichž velikost se nijak nemění – například statickou pamětí (SRAM) sloužící v CPU jako cache. Finální čipy by tak mohly být menší přibližně o 26%. Ve hře je dokonce nahrazení tradičního stavebního kamene. Namísto křemíku by se tak mohly ke slovu dostat nanovlákna.

Bez EUV to nepůjde

Ještě před příchodem 3nm technologie bychom se však měli od TSMC dočkat vylepšeného 5nm procesu N5P. Ten by měl dorazit již v průběhu roku 2021 a měl by měl nabídnout možnost až o 5% vyšších taktů při 10% snížením spotřeby. Začátkem roku 2022 by pak měla přijít ještě jedna, mnohem zajímavější evoluce 5nm procesu spočívající ve využití EUV (Extreme ultraviolet) litografie ve více vrstvách čipu. Na polovodičový substrát, na kterém jsou obvody umístěny (nebo-li wafer) jsou při optické litografii „kresleny“ struktury za pomoci ultrafialového záření  s extrémně krátkou vlnovou délkou přibližně 13,5 nm.

To je důležité pro vytvoření dostatečně malých struktur, neboť dosud hojně využívané DUV (deep ultraviolet) záření o vlnové délce 193nm potřebuje při vytváření takto malých struktur příliš velké množství opakovaných expozic, což značně prodražuje výrobu. Ve zkratce řečeno tak zvládnutá implementace EUV umožňuje umístění ještě většího množství tranzistorů na menší plochu při nižších výrobních nákladech. TSMC nasadilo EUV poprvé relativně nedávno u evoluce 7nm procesu. To se na něj však ještě plně nespoléhalo a využilo jej pouze ve 4 méně důležitých vrstvách čipu.

Řešíte při výběru telefonu / notebooku / procesoru výrobní proces čipu?

Zdroje: GSMArena.com, Samsung.com, GizChina.com