Mniejsze jest lepsze

Intel, największy producent procesorów na świecie, modernizuje proces technologiczny swoich układów średnio co dwa lata. Pozostali producenci próbują dotrzymać mu kroku.

Proces technologiczny jest opisywany liczbą wyrażaną w nanometrach. Wymiar znajdujący się w nazwie procesu technologicznego (np. 32 nm) oznacza szerokość bramki tranzystora. Jest to obszar, który przewodzi prąd przy włączonym tranzystorze i nie przewodzi go, gdy ten jest wyłączony. Bramka tranzystora jest najmniejszym elementem znajdującym się w układzie, dzięki czemu najlepiej nadaje się do przedstawiania zaawansowania technologii.

Szerokość bramki nie wpływa jednak bezpośrednio na liczbę tranzystorów, które mogą znaleźć się na danym kawałku krzemu. O tym decyduje parametr znany jako pitch, czyli odległość między stykami dwóch elektrod tranzystora. Styki te są pierwszą warstwą połączeń znajdujących się na płytce krzemowej, a ich zadaniem jest doprowadzanie prądu do tranzystora.

Należy jednak pamiętać o tym, że nie są to jedyne parametry służące do charakteryzowania zastosowanych tranzystorów i szybkości procesora. Przykładem takiego działania jest wprowadzenie przez Intela w procesorach Ivy Bridge zupełnie nowych tranzystorów trójwymiarowych, zastępujących płaskie odpowiedniki. Są one wyposażone w bramki kontrolujące przepływ elektronów z aż trzech stron. Dzięki temu cechują się znacznie większą wydajnością niż klasyczne tranzystory i mogą działać przy wykorzystaniu niższych napięć. To z kolei przekłada się na znacznie mniejsze zużycie energii. W wypadku tych procesorów opisując zagęszczenie tranzystorów należy pamiętać o odstępach między przewodami, bramkami oraz żebrami. Ostatni wymieniony parametr przed wprowadzeniem tranzystorów trójwymiarowych nie istniał w technicznej nomenklaturze.

W bieżącym roku będziemy świadkami wprowadzenia nowych technologii przez największe firmy działające na rynku podzespołów komputerowych. Pierwszą z nich jest Intel, który właśnie teraz na szeroką skalę wprowadza do sprzedaży procesory o nazwie kodowej Broadwell, wykonane w procesie technologicznym 14 nm zamiast dotychczasowych 22 nm. Kolejną firmą, która w tym roku zamierza zmienić proces technologiczny (z 28 na 20 nm) jest AMD. Firma chce unowocześnić w ten sposób w swoje procesory, karty graficzne i układy APU. W kuluarach branżowych mówi się też, że pod koniec bieżącego roku Nvidia zaprezentuje nowe układy graficzne korzystające z procesu technologicznego 16 nm, zastępującego proces 28 nm.

Korzyści z zastosowania nowego procesu technologicznego nie są zawsze takie same. Zależą one przede wszystkim od rodzaju sprzętu, który doczeka się modernizacji. W przypadku urządzeń mobilnych oraz laptopów najbardziej istotne będzie obniżenie poboru energii, które przełoży się na dłuższy czas pracy bez ładowania. Jeśli chodzi o ciągle raczkujące gadżety ubieralne, najważniejsza będzie miniaturyzacja. Umożliwi ona montowanie nowoczesnych układów i sensorów w zegarkach, ubraniach, okularach, a nawet w biżuterii. W komputerach stacjonarnych niższy proces technologiczny przełoży się na możliwość tworzenia bardziej skomplikowanych i bardziej wydajnych układów, zaś w przypadku serwerów – na ogromne oszczędności wynikające z mniejszego zużycia energii.

Obniżenie procesu technologicznego będzie mieć również wpływ na konsole do gier. Urządzenia te, choć przez cały okres życia cechują się niezmienną specyfikacją, są regularnie delikatnie poprawiane. Ich kolejne rewizje zazwyczaj pojawiają się właśnie wtedy, gdy możliwe staje się obniżenie procesu technologicznego stosowanych komponentów. Konsole obecnej generacji, Xbox One i PlayStation 4, są wyposażone w układy AMD. Ponieważ firma jest w stanie obniżyć proces technologiczny swoich podzespołów, niemal pewne jest, że jeszcze w tym roku konsole Sony i Microsoftu doczekają się nowszych, cichszych, mniejszych i bardziej energooszczędnych wersji. Jednak zdecydowanie najważniejszą korzyścią wynikającą z zastosowania niższego procesu jest zmniejszenie kosztu wytworzenia układu. Ten przekłada się na większe zyski producenta lub mniejszą cenę i większe zainteresowanie produktem.

Twierdzenie to potwierdzają informacje Intela ujawnione przy okazji premiery procesorów Broadwell. Jasno wynika z nich, że wraz z rozwojem technologicznym zmniejszają się nie tylko rozmiary tranzystorów, ale również ich cena. Co prawda koszt samego układu w przeliczeniu na jego powierzchnię rośnie, jednak jest to wynik wprowadzania coraz mniejszych i droższych układów do coraz mniejszych gadżetów.

Warto pamiętać, że liczba nanometrów to tylko umowne hasło, które jest często wykorzystywane do celów marketingowych. Próbuje udowodnić to sam Intel, który twierdzi, że tylko on może pochwalić się prawdziwym procesem technologicznym 14 nm, a opracowywana przez IBM rzekomo 16-nanometrowa technologia cechuje się zagęszczeniem przewodów identycznym, jak w przypadku procesu 20 nm, i różni się niemal wyłącznie wprowadzeniem tranzystorów wielobramkowych FinFET, przypominających nieco tranzystory trójwymiarowe Intela.

Co ciekawe, jeszcze kilka lat temu Intel sam stosował podobne sztuczki, a konkurenci tacy jak GlobalFoundries, IBM, Samsung i TSMC oskarżyły go o nadawanie swoim technologiom mylących nazw. Twierdzili oni, że proces 32 nm w wykonaniu Intela cechuje się gęstością przewodów porównywalną z procesami technologicznymi 40 nm innych firm.

Każde obniżenie procesu technologicznego rodzi nowe problemy, a mimo to podczas konferencji Intel Developer Forum zapowiedziano, że rozwiązania wykorzystujące proces technologiczny 10 nm zobaczymy już w 2016 roku. Proces technologiczny 7 nm ma być odległy o zaledwie kilka lat. Niestety, niedługo później mogą zacząć się kłopoty – Bhagwan Sahu z Uniwersytetu w Austin twierdzi, że produkowanie tranzystorów z krzemu w procesie technologicznym mniejszym niż 7 nm jest niemożliwe, jeśli chce się to robić na skalę masową. Dlatego konieczne będzie porzucenie krzemu i produkowanie kolejnych procesorów z grafenu.

A to jeszcze nie koniec! Nawet jeśli uda się opanować tę technologię i proces technologiczny zostanie obniżony jeszcze kilka razy, to w hipotetycznych 0,5-nanometrowych układach szerokość bramki tranzystora będzie wynosić… jeden atom. Trzeba przyznać, że będzie trudno zejść poniżej tej granicy, a tym samym ciągłość rozwoju technologii stanie pod znakiem zapytania.

Choć obudowa konsoli Xbox 360 była zmieniana dwukrotnie – nie licząc wersji specjalnych – wnętrze modyfikowane było znacznie częściej.
Wewnątrz konsoli pracowało aż osiem wersji procesora i karty graficznej. Zmiana procesu, w jakim wykonane były oba czipy, nie zawsze była równoczesna. Zasadniczo jednak możemy wyróżnić pięć wersji sprzętowych konsoli, które różniły się poborem energii.

Rok 2005 – procesor i grafika 90 nm. Pobór mocy 198 W
Rok 2007 – procesor 65 nm, grafika 90 nm. Pobór mocy 170 W
Rok 2008 – procesor i grafika 65 nm. Pobór mocy 145 W
Rok 2010 – procesor i grafika 45 nm. Pobór mocy 130 W
Rok 2011 – procesor i grafika 45 nm. Pobór mocy 120 W

Ten sam proces możemy zaobserwować w wypadku konsoli PlayStation 3, która miała pięć głównych wersji sprzętowych, a wszystkich odmian – aż 32.

Rok 2006 – procesor i grafika 90 nm. Pobór mocy 380 W
Rok 2008 – procesor i grafika 65 nm. Pobór mocy 280 W
Rok 2009 – procesor 45 nm, grafika 65 nm. Pobór mocy 250 W
Rok 2012 – procesor 45 nm, grafika 40 nm. Pobór mocy 190 W