آیا فرایند ساخت کوچکتر همیشه به معنی پردازنده قوی‌تر است؟

زمانی که حرف فناوری تولید چیپست به میان می‌آید تصور می‌کنیم در هر شرایطی هرچه ترانزیستورها کوچکتر باشند بهتر است چون انرژی کمتری مصرف کرده و سریعتر سوییچ می‌کنند. همچنین به خاطر اشغال فضای کمتر جا برای افزودن هسته‌های بیشتر، حافظه کش بالاتر و در نهایت کارایی بهتر باز می‌شود. در این شرایط سازنده می‌تواند تعداد بلوک‌های پردازشی روی ویفر را با صرف هزینه کمتر افزایش دهد در نتیجه همه بی‌صبرانه منتظر کاهش فناوری ساخت (Process Node) از ۱۰ به ۷، ۵ و ۳ نانومتر هستند.

با این وجود نباید فراموش کنیم همه نودها (Node) به شکل یکسان ساخته نمی‌شوند. در سال ۲۰۱۷ «مارک باهر»، مدیر سابق بخش معماری و یکپارچه سازی فرایند اینتل مدعی شد که فرایند ۱۴ نانومتری این شرکت ۳ سال از فرایند ۱۰ نانومتری رقبا با چگالی مشابه جلوتر است. منظور باهر از چگالی تعداد ترانزیستورهایی است که در یک واحد از منطقه‌ای خاص در مقیاس میلی‌متر مربع جای می‌گیرند. باهر نشان داد نسخه ارتقا یافته نود ۱۴ نانومتری اینتل در توان مصرفی فعال بالاتر از نسخه ۱۰ نانومتری اولیه آنها عملکرد بهتری دارد.

امروزه فناوری ساخت ۱۰ نانومتری اینتل موسوم به «سوپرفین» در دستیابی پردازنده‌ای تایگر لیک این شرکت به نرخ کلاک بالاتر نسبت به نسل قبلی ایس لیک نقش موثری دارند. این ترانزیستورها از نظر کارایی و بازدهی انرژی نسبت به تمام محصولات قبلی اینتل بهینه‌تر بوده و حتی با پردازنده‌های ۷ نانومتری شرکت‌های دیگر رقابت می‌کنند. اما چطور چنین چیزی ممکن شده؟ اینتل مدعی است آنها روی نوآوری‌های تولید نظیر معماری دستگاه و مواد مصرفی تمرکز کرده‌اند که فراتر از مقیاس‌بندی‌های مرسوم است.

در ادامه مطلب نگاهی انداخته ایم به فناوری‌های زیربنایی که توسعه سوپرفین با چنین سطحی از کارایی را ممکن کرده‌اند.

عدم ارتباط بین نود پردازشی و کارایی

تا اواخر قرن گذشته برای نامگذاری نودهای پردازشی از مقیاس میکرون و نانو استفاده می‌شد که برگرفته از معیارهایی مثل طول گیت ترانزیستور یا فاصله‌ای بود که الکترون‌ها از منبع ترانزیستور تا کانکشن دِرِین (Drain) طی می کردند. با گذشت زمان و کاهش ابعاد ترانزیستورها ابن روش نامگذاری رفته رفته کنار گذاشته شد و امروزه نامگذاری نودها بیشتر بر اساس پیشرفت نسلی صورت گرفته و ارتباطی به طول و عرض و ارتفاع فین‌‌ها یا حتی چگالی ترانزیستور ندارد.

با توجه به این مساله مقایسه دو پردازنده صرفا بر اساس فرایند ساخت منطقی نیست اما از آنجا اینتل در دستیابی به لیتوگرافی ۱۰ نانومتری از رقبا عقب ماند بسیاری از کاربران همچنان تصور می کنند پردازنده‌های ۱۰ نانومتری این شرکت تحت هر شرایطی از مدل‌های ۷ نانومتری TSMC یا سامسونگ ضعیف‌‌تر هستند.

شاید در نگاه اول بتوانید نسبت به یک چیپ ۱۴ نانومتری، دو برابر ترانزیستور بیشتر را در یک چیپ ۷ نانومتری جای دهید، اما این موضوع به فاکتورهای بسیاری بستگی دارد و همیشه درست از آب درنمی‌آید. با این وجود اینتل به لطف سرمایه‌گذاری کلان توانسته چگالی فرایند ۱۰ نانومتری را نسبت به ۱۴ نانومتری تا ۲.۷ برابر ارتقا داده و بیش از ۱۰۰ میلیون ترانزیستور را در یک میلی‌متر مربع از سطح تراشه جای دهد.

مسیر طولانی اینتل تا فرایند ۱۰ نانومتری

اینتل برای دستیابی به این چگالی چشمگیر از فرایند «الگوبندی چهارگانه خودتراز» یا SAQP استفاده کرده که غلبه بر محدودیت‌های رزولوشن لیتوگرافی و پیاده‌سازی اتصالات بسیار متراکم را ممکن می‌کند. ۱۰ نانومتری چیپزیلا یا همان اینتل نخستین فرایندی است که از SAQP در پایین‌ترین سطوح فلز بهره برده تا مقیاس گام‌های اتصال را از ۵۲ نانومتر در مدل ۱۴ نانومتری به ۳۶ نانومتر رسانده و فاصله بین ترانزیستورها را تا حدی باورنکردنی کاهش دهد.

همچنین در این سطوح فلزی برای نخستین بار از اتصالات کبالت استفاده شده تا اثرات مهاجرت اتمی الکتریکی و افت ناشی از مقاومت‌ها در مقایسه با مس به حداقل برسد. فرایند ۱۰ نانومتری اینتل همچنین از فناوری اتصال در گیت فعال (COAG) استفاده می‌کند که با تغییر مکان اتصال از کنار ترانزیستور به بخش بالایی مقیاس پذیری را تا ۱۰ درصد افزایش می‌دهد.

یکی دیگر از راهکارهای تیم آبی برای افزایش چگالی نصف کردن جداکننده‌ها یا گیت‌های ماکت بین سلول‌ها است. در مدل ۱۴ نانومتری در پایان هر سلول شاهد یک گیت ماکت بودیم که به معنی دو گیت بین سلول‌ها بود اما در نسخه جدید بین هر کدام از آنها تنها یک جدا کننده وجود دارد. همین تغییر به ظاهر کوچک تا ۲۰ درصد مقیاس پذیری را بهبود بخشیده است.

اینتل مدعی است پیاده‌سازی همین فناوری‌ها باعث شده دیرتر از موعد مورد نظر به فرایند ۱۰ نانومتری دست پیدا کنند. دکتر «راث برین»، از متخصصان اینتل در گروه فناوری و تولید آنقدر به دستاورد شرکت مطمئن است که می‌گوید: «ما عصر دستیابی به کارایی بیشتر تنها از طریق کاهش ابعاد ترانزیستور پشت سر گذاشته‌ایم.»

ترکیب فناوری SuperMIM و فین‌فیت ارتقا یافته در سوپرفین ۱۰ نانومتری

یکی از مهمترین بخش‌ها در نود پردازشی جدید اینتل فناوری طراحی خازن SuperMIM و آن چیزی است که شرکت مذکور فین‌فت ارتقا یافته می‌نامد.

آنطور که برین می‌گوید آنها در قلب ترانزیستور ساختارهای کریستالی را در بخش‌های منبع و دِرِین بهبود بخشیده، سطح توان را بالاتر برده و همزمان مقاومت را کاهش داده‌اند. در نتیجه این تغییرات جریان بیشتری درون کانال به حرکت درمی آید. همین عامل با افزایش سطح تحرک کانال به حامل‌های شارژ مثل الکترون‌ها اجازه می‌دهد با سرعت بیشتری به حرکت درآیند.

علاوه براین گام فضای مرکز به مرکز بزرگتر گیت به ارتقای سطح جریان محرک نیز کمک می‌کند. تمامی این بهینه‌سازی‌های سطح ترانزیستور به سوپرفین اجازه می‌دهد فارغ از سطح ولتاژ نسبت به نسل قبل لیتوگرافی ۱۰ نانومتری اینتل به نرخ کلاک بالاتری دست پیدا کند.

با کاهش گام اتصال نگرانی‌هایی درباره مقاومت به وجود می‌آید اما یکی دیگر از مزایای سوپرفین استفاده از مواد مانع باریکتر است که مقاومت «VIA» یا منافذی که برای اتصال بین‌لایه‌ای به کار می‌رود را تا ۳۰ درصد بهبود می‌بخشد.

فناوری مهمتر اما خازن Super MIM است که به گفته اینتل ظرفیت را نسبت به استانداردهای موجود تا ۵ برابر افزایش می‌دهد. اینتل این قطعات را از طریق کلاس جدیدی از مواد دی‌الکتریک Hi-K ساخته که تنها با ضخامت چند انگستروم در لایه‌های فوق باریک روی هم قرار گرفته و یک ساختار سوپرالکتریک را شکل داده‌اند. افزایش ظرفیت خازنی به کاهش ولتاژ منجر می‌شود که در نهایت با افزایش کارایی همراه خواهد شد.

کارایی پردازنده‌های تایگر لیک در عمل

اینتل مدعی است سوپرفین به حدی کارآمد است که می‌توان آنرا یک پیشرفت بین نسلی از نظر نودهای پردازشی قلمداد کرد. از آنجا که هنوز پردازنده‌های تایرلگ مبتنی بر این فرایند عرضه نشده‌اند تنها گذشت زمان می‌تواند این ادعا را ثابت کند.

پردازنده‌های نسل یازدهم اینتل به هسته‌ «Willow Cove» بجای هسته‌ «Sunny Cove» مجهز شده‌اند که عملکرد بالاتری از خود نشان می‌دهد. به گفته این شرکت تایگر لیک به گونه‌ای بهینه‌سازی شده که پردازنده چهارهسته‌ای Willow Cove در سطحی یکسان از توان مصرفی به فرکانسی بالاتر از نسل‌های قبل خود دست می یابد.

سوپرفین همچنین به معماری گرافیکی Xe امکان تحمل نرخ‌های کلاک بالاتر را خواهد داد که با در نظر گرفتن برخودار بودن آن از ۵۰ درصد واحدهای اجرایی بالاتر نسبت به نسل قبل باید منتظر قدرت پردازش گرافیکی خیره کننده‌ای باشیم.

در مقایسه با اصلی‌ترین رقیب اینتل در بازار پردازنده پی‌سی یعنی AMD اینتل مدعی است پردازنده‌های تایگر لیک در اکثر موارد عملکرد بهتری در مقایسه با رایزن ۴۰۰۰ مبتنی بر لیتوگرافی ۷ نانومتری دارند به گونه‌ای که به شکل میانگین در امور روزانه ۳۵ درصد، ایجاد محتوای جدید تا ۴.۴ برابر، در ویرایش ویدیویی تا ۲.۷ برابر و در زمینه بازی تا ۷۶ درصد بین آنها تفاوت وجود دارد.

معتبر نبودن مقایسه پردازنده ها بر اساس نود پردازشی آنجایی مشخص‌تر می‌شود که بدانیم حتی اولین تراشه‌های ۱۰ نانومتری خود اینتل هم به اندازه مدل‌های تولید شده بر پایه لیتوگرافی ۱۴ نانومتری به بلوغ رسیده شرکت قوی ‌نبودند. پیاده‌سازی فناوری‌های مذکور در سوپرفین اما به حدی کارآمد بود که ورق را برگرداند و با اطمینان نسبی می‌توان گفت که سری جدید پردازشگرهای گرافیکی Xe-HP و زئون با تکیه بر سوپرفین بهینه‌تر به قدرتی بالاتر دست پیدا خواهند کرد. تمامی این بهینه‌سازی‌ها نسبت نسل‌های قبل در حالی ممکن شده‌اند که اینتل کماکان از فرایند ۱۰ نانومتری استفاده می‌کند.