Компания AMD сообщила, что информация о наличии в 8-ядерных процессорах Bulldozer 2 млрд транзисторов является ошибочной. На самом деле в таких чипах используется лишь 1,2 млрд транзисторов. При этом площадь кристалла составляет 315 мм2.

Такое заявление AMD вызвало ряд вопросов, на которые есть недостаточное количество ответов. Во-первых, первоначально озвученное количество транзисторов подразумевает достаточно высокую производительность, однако фактические тесты показали отставание процессоров Bulldozer от современных процессоров Intel и даже устройств AMD предыдущего поколения. Таким образом, создавалось впечатление, что часть транзисторов являются просто побочными. Во-вторых, если количество транзисторов в размере 2 млрд выглядело слишком большим, то 1,2 млрд транзисторов — это уже недостаточное их количество для чипа Bulldozer, учитывая прогнозную плотность размещения транзисторов при переходе на 32-нанометровый технологический процесс.

Кроме того, вызывает вопрос тот факт, что уточненное количество используемых транзисторов было озвучено не в момент официального релиза процессоров, а спустя некоторое время. Это наталкивает экспертов на мысль, что таким образом AMD пытается объяснить отставание чипов Bulldozer от устройств Intel или же скрыть какие-либо проблемы, связанные с новыми процессорами. Также высказывается предположение, что 2 млрд — это общее количество транзисторов в чипе, а 1,2 млрд — количество функционирующих транзисторов. При этом AMD не дает какого-либо вразумительного ответа о причинах изменения данных о количестве транзисторов в процессорах Bulldozer.

Компания Cerebras Systems показала рекордно большой процессор для задач искусственного интеллекта на конференции Hot Chips в Калифорнии. В процессоре Cerebras Wafer Scale Engine 1,2 трлн транзисторов. Для сравнения: в первом процессоре Intel 4004, выпущенном в 1971 году, было 2300 транзисторов, а в недавно вышедшем чипе AMD — 32 млрд, сообщает VentureBeat.

Большинство процессоров это на самом деле набор из нескольких чипов, собранных воедино на фабрике. Но у Cerebras все вычисления выполняются на одной плате. Такая конфигурация обеспечивает высокую скорость работы. С этой точки зрения новый процессор действительно самый большой из существующих, и предназначен специально для обработки алгоритмов ИИ.

У Samsung тоже есть модуль флэш-памяти с 2 трлн транзисторов, но там данные лишь хранятся. А чип Cerebras создан для обработки данных и содержит 400 000 ядер на площади в 42 225 кв. мм. Это в 56,7 больше, чем самый большой графический процессор Nvidia, у которого 21,1 млрд транзисторов на 815 кв. мм.

Также у WSE в 3000 раз выше быстродействующая память и в 10 000 раз больше пропускная способность памяти.

Размер процессора — очень важный параметр для ИИ: чем больше чип, тем быстрее результат. Сокращение времени ожидания позволит ученым работать продуктивнее, решать больше задач. Многие исследователи из Google, Facebook, OpenAI, Tencent, Baidu и других компаний называют низкую скорость обучения моделей фундаментальным ограничением современного ИИ.

Процессор создан командой, возглавляемой Эндрю Фельдманом, основателем SeaMicro, компании по разработке микросерверов, которую он продал AMD за $334 млн. Сейчас в Cerebras Systems работает 194 сотрудника.

В конце мая Intel представила десятое поколение процессоров на основе 10-нанометрового техпроцесса, архитектуры ядра Sunny Core и нового графического движка Gen11. Его производительность по сравнению с прошлым поколением выросла на 18%.

Процессоры на базе архитектуры х86, которые и сегодня являются основой подавляющего большинства компьютеров, были созданы в начале 70-х годов XX века. С тех пор они непрерывно наращивали производительность — в первую очередь за счет увеличения числа основных элементов (транзисторов) и повышения скорости их работы. У первых ЦПУ (центральных процессорных устройств) было всего по 2300 транзисторов, а по производительности они в тысячи раз уступали современным. За четыре десятка лет частоты процессоров выросли в 1000 раз — с нескольких мегагерц до гигагерц. Число транзисторов увеличилось с десятков тысяч до миллиардов, а масштаб технологического процесса сократился до 22 нм. Колоссальные темпы развития задают в первую очередь ученые и исследователи, работающие на американскую компанию Intel, которые изо дня в день строят новую историю мира микроэлементов. И если предыдущие изменения были скорее эволюционными, то на этот раз Intel приготовила настоящую полупроводниковую революцию. Но для начала предлагаем вам небольшой экскурс в историю создания и внутреннее устройство современных процессоров.

Главным направлением развития микроэлектроники все годы ее существования было уменьшение технологического процесса. В результате на одном квадратном миллиметре микросхемы удается размешать все большее количество элементов. Достаточно вспомнить размеры первых сотовых телефонов, первые МРЗ-плееры и DVD-проигрыватели и сопоставить их с сегодняшними реалиями, когда у каждого второго в кармане лежит смартфон, значительно превосходящий в отношении производительности ранние модели компьютеров. Однако эти очевидные изменения выглядят не такими фундаментальными по сравнению с переменами, произошедшими за это время под крышкой процессора.

Как устроен современный чип

Процессор представляет собой сложное высокотехнологичное устройство, и именно он является основным вычислительным центром любого компьютера. Однако далеко не каждый знает, что скрывается внутри, под металлической крышкой тепло-распределителя. При своих миниатюрных размерах CPU содержит огромное число транзисторов, из которых формируются регистры. Регистры — это ячейки, состоящие из нескольких разрядов, число которых кратно степени двойки. Они входят в состав нескольких исполнительных блоков — ALU и FPU. ALU — арифметико-логическое устройство, a FPU — модуль операций с плавающей запятой.

Помимо основных, перечисленных выше, современные чипы также содержат некоторые блоки, которые изначально были расположены в других устройствах. Так, за последние пять лет контроллер памяти окончательно перекочевал из чипсета материнской платы в процессор, а многие современные CPU обзавелись и встроенным графическим ядром, по производительности сравнимым с дискретной видеокартой. Сегодня, как и 30 лет назад, процессоры создают из кремниевых пластин, однако в последнее время производители начали использовать новые методы, позволившие без кардинальных изменений основного материала добиваться постоянного уменьшения технологического процесса. Речь идет об использовании напряженного кремния, металлических затворов и подзатворного слоя на основе оксида гафния. Но изменился ли сам транзистор за 64 года своего существования?

Как развивался транзистор

По сей день этот элемент остается самым маленьким двухпозиционным переключателем в мире. Подобно комнатным выключателям света, транзистор открывает доступ к информации. Управление ею, доступ к миллиардам нулей и единиц позволяют современным устройствам воспроизводить видеофайлы, проигрывать музыку и решать сложные арифметические задачи. Первый в мире биполярный транзистор был создан в стенах лаборатории компании Bell в 1947 году. Он основывался на идее физика Юлия Эдгара Лилиенфельда, получившего первые патенты на производство транзисторов.

Уже в конце 50-х годов ученые пришли к идее создания чипов или интегральных схем, состоящих из множества транзисторов. Именно интегральные схемы лежат в основе всех современных устройств. Они представляют собой кусок текстолита определенной формы, состоящего из нескольких слоев. На каждом слое находятся токопроводящие дорожки, которые соединяют друг с другом все элементы, в том числе и транзисторы, в единое устройство. Интегральные схемы послужили прототипом первого процессора, созданного компанией Intel.

Неизбежная эволюция

Один из основателей компании Intel Гордон Мур в далеком 1965 году предсказал дальнейшее развитие полупроводниковой промышленности одной фразой, которая получила впоследствии название закона Мура. Гордон Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца.

Таким образом, сотрудники компании Intel пошли по пути миниатюризации одного из самых важных элементов транзистора. Уменьшение слоя изоляции из диоксида кремния между затвором и каналом дошло до такой степени, что его толщина составила всего пять атомов. Очередным витком в эволюции транзистора стал переход на новый материал. Теперь изоляционный слой состоит из диоксида гафния, что снизило токи утечки на 10%, сделав современные процессоры более энергоэффективными. Для понимания масштабности проделанной работы достаточно простого примера. Один из самых мощных на сегодняшний день CPU для настольных ПК Intel Core i7-990X состоит из 1,17 млрд транзисторов, которые расположились на 248 мм2. Причем развитие процессоров идет по пути увеличения числа транзисторов при снижении обшей плошали кремниевой пластины.

Новая эпоха вычислений: транзистор с трехмерной структурой

Летом 2011 года компания Intel объявила о революционном прорыве в развитии транзисторов. Теперь при их производстве будет использоваться трехмерная структура. Переход на нее является именно революционным, поскольку до настоящего момента в массовой электронике использовалась исключительно планарная структура. Новые транзисторы позволят сделать более компактными и энергоэффективными не только процессоры компьютеров, но и микросхемы, мобильные телефоны, бытовую технику, контроллеры в автомобилях, медицинском оборудовании и космических кораблях.

3D-транзисторы

Intel 3D Tri-Gate -это новая версия транзистора, в которой на смену традиционному плоскому слою затвора пришла тончайшая кремниевая пластина, устанавливаемая перпендикулярно. Прохождение тока теперь контролирует трехмерный затвор, который регулирует состояние транзистора в нескольких плоскостях — как сверху, так и с боковых сторон. В прежней версии транзистора использовался затвор, регулирующий состояние только в одной плоскости — сверху: Применение дополнительных затворов позволяет обеспечить максимальную величину тока во включенном состоянии, а в выключенном — максимально приблизить ее к нулю. В результате этого сокращается потребление энергии и ускоряется переключение транзисторов.

Еще меньше и еще быстрее

Инженеры из Intel сравнивают свое открытие со строительством небоскребов, позволяющих эффективнее использовать площадь земельных участков. Трехмерные транзисторы дают возможность добиться невероятно высокой плотности размещения логических элементов в микросхеме. Сам Гордон Мур признает, что именно благодаря использованию трехмерной структуры транзистора его закон продолжает действовать. Впервые Tri-Gate-транзисторы будут использованы в процессорах Intel поколения Ivy Bridge.

Данные чипы будут иметь восемь ядер, а их производство в перспективе будет осуществляться по 22-нанометровой технологии. На прошедшей в июне выставке Computex 2011 разработчики материнских плат продемонстрировали инженерные образцы решений на новом чипсете Intel X79 с процессорным гнездом LGA 2011. Эти платы предназначены для CPU поколения Ivy Bridge. Подробной информации о технических характеристиках будущих процессоров пока не поступало, но уже известно, что число используемых на кристалле транзисторов превысит 1,3 млрд, а блок управления оперативной памятью претерпит существенные изменения и станет четырехканальным.

Тенденции и перспективы

На протяжении последних пяти лет компания Intel придерживается схемы производства процессоров, именуемой «Тик-Так», осваивая новую архитектуру и переходя на новый технологический процесс в два этапа. На данный момент заканчивается этап «Так», в рамках которого была анонсирована микроархитектура Sandy Bridge. Произошло увеличение производительности по сравнению с первым поколением процессоров Core, при этом удалось снизить тепловыделение. Топовый процессор Intel Core i7-2600K на базе микроархитектуры Sandy Bridge обладает теплопакетом до 95, а его предшественник — 130 Вт. На этапе производства «Тик» подразумевается перевод уже обкатанной архитектуры с существующего 32-нанометрового техпроцесса на новый 22-нанометровый.

Именно благодаря использованию транзисторов Tri-Gate переход на новый техпроцесс стал возможен без использования других полупроводниковых материалов. Дальнейшее развитие процессоров будет идти по пути увеличения числа ядер при повышении обшей производительности.

В ближайшие несколько лет общая модель процессоростроения не претерпит изменений, но для увеличения числа транзисторов потребуется переход на более тонкие техпроцессы. Кремниевым элементам уже неоднократно предсказывали гибель из-за невозможности дальнейшего уменьшения слоя затвора. Но еще в 2003 году ученым удалось получить транзистор с шириной затвора в 10 нм. А значит, эпоха кремниевых элементов продлится еще как минимум два поколения процессоров. Чего же ждать в 2015-2017 годах. Возможно, ответ на этот вопрос уже нашли прошлогодние нобелевские лауреаты в области физики Андрей Гейм и Константин Новоселов. Нашим соотечественникам первым удалось провести передовые опыты с материалом будущего — графеном. Графен — это кристалл углерода толщиной в один атом. В отличие от кремниевого транзистора аналогичный элемент из графена способен менять полярность буквально «на лету». Использование этого материала в полупроводниковой отрасли в будущем может в корне изменить характеристики процессоров.

Интересные факты

— На кончике иголки может поместиться более 100 млн 22-нанометровых транзисторов Tri-Gate.

— Чтобы рассмотреть структуру трехмерного транзистора без микроскопа, пришлось бы увеличить процессор до размеров двухэтажного коттеджа.

— По сравнению с процессором Intel 4004, представленным в 1971 году, новый 22-нанометровый чип на базе микроархитектуры Ivy Bridge работает более чем в 4000 раз быстрее, а каждый его транзистор использует в 5000 раз меньше электроэнергии. При этом новый процессор стоит примерно в 50 000 раз дешевле своего прародителя.

— Трехмерный транзистор в 22-нанометровом процессоре за одну секунду переключается более 100 млрд раз. Для сравнения: человеку, щелкающему выключателем, на такое же количество операций потребовалось бы около 2000 лет.

— Заводы Intel производят свыше 5 млрд транзисторов каждую секунду — это 150 000 000 000 000 000 транзисторов в год, что эквивалентно более чем 20 млн транзисторов на каждого мужчину, женщину и ребенка на нашей планете.

В сентябре Apple, как всегда, выпустила новое поколение iPhone. На этот раз сердцем смартфонов iPhone 11, iPhone 11 Pro и iPhone 11 Pro Max стал новый процессор от Apple A13 Bionic, подробный обзор которого AppleInsider.ru уже выпустил. Этот процессор, как и его предшественник A12 Bionic, выполнен по 7-нанометровому техпроцессу, о чём упоминают все журналисты. Но что такое этот «техпроцесс»? Чем 7-нанометровый лучше 10-нанометрового и когда будет 5-нанометровый? Давайте разберёмся.

Производство процессоров похоже на лабораторию из фантастического фильма

Что такое «7 нм техпроцесс»?

Если говорить очень упрощённо, то процессор — это миллиарды крошечных транзисторов и электрических затворов, которые включаются и выключаются при выполнении операций. «7 нм» — это размер этих транзисторов в нанометрах. Для понимания масштабов стоит напомнить, что в одном миллиметре миллион нанометров, а человеческий волос толщиной 80000 — 110000 нанометров. Транзистором, напомню, называют радиоэлектронный компонент из полупроводника (материал, у которого удельная проводимость меняется от воздействия температуры, различных излучений и прочего), который от небольшого входного сигнала управляет значительным током в выходной цепи. Он используется для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. Сейчас транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных компонентов и интегральных микросхем. Размер транзистора полезно знать специалистам для оценки производительности конкретного процессора, ведь чем меньше транзистор, тем меньше требуется энергии для его работы.

Процессор A7, стоявший в iPhone 5S, производился по 28-нанометровому техпроцессу

При производстве полупроводниковых интегральных микросхем применяется фотолитография (нанесение материала на поверхности микросхемы при участии света) и литография (нанесение материала с помощью потока электронов, излучаемого катодом вакуумной трубки). Разрешающая способность в микрометрах и нанометрах оборудования для изготовления интегральных микросхем (так называемые «проектные нормы») и определяет размер транзистора, а с ним и название применяемого конкретного технологического процесса.

Читайте далее: В iPhone 11 появится новый сопроцессор для фото- и видеосъёмки

Какие бывают техпроцессы?

Ранние техпроцессы, до стандартизации NTRS (National Technology Roadmap for Semiconductors) и ITRS, обозначались «ХХ мкм» (мкм — микрометр), где ХХ обозначало техническое разрешение литографического оборудования. В 1970-х существовало несколько техпроцессов, в частности 10, 8, 6, 4, 3, 2 мкм. В среднем, каждые три года происходило уменьшение шага с коэффициентом 0,7.

За сорок лет развития технологий разрешение оборудования достигло значений в десятках нанометров: 32 нм, 28 нм, 22 нм, 20 нм, 16 нм, 14 нм. Если говорить про iPhone, то в пока ещё актуальном iPhone 8 используется процессор А11 Bionic, изготовленный по 10-нанометровому техпроцессу. Серийный выпуск продукции по нему начался в 2016 году тайваньской компанией TSMC, которая изготавливает процессоры и для iPhone 11.

TSMC — тайваньская компания по производству микроэлектроники, поставляющая Apple процессоры

16 апреля 2019 года компания TSMC анонсировала освоение 6-нанометрового технологического процесса, что позволяет повысить плотность упаковки элементов микросхем на 18%. Данный техпроцесс является более дешевой альтернативой 5-нанометровому техпроцессу, также позволяет легко масштабировать изделия, разработанные для 7 нм.

В первой половине 2019 года всё та же компания TSMC начала опытное производство чипов по 5-нм техпроцессу. Переход на эту технологию позволяет повысить плотность упаковки электронных компонентов по сравнению с 7-нанометровым техпроцессом на 80% и повысить быстродействие на 15%. Ожидается, что IPhone 2020 года получит процессор, созданный по новому техпроцессу, а не на втором поколении 7-нанометрового техпроцесса.

В начале 2018 года исследовательский центр imec в Бельгии и компания Cadence Design Systems создали технологию и выпустили первые пробные образцы микропроцессоров по технологии 3 нм. Судя по обычным темпах внедрения новых техпроцессов в серийное производство, ждать процессоров, изготовленных по 3-нанометровому техпроцессу, стоит не раньше 2023 года. Хотя Samsung уже к 2021 году намерена начать производство 3-нанометровой продукции с использованием технологии GAAFET, разработанной компанией IBM.

Читайте далее: Процессоры для iPhone начнут производить по новой технологии

Что даёт 7 нм техпроцесс?

И вот мы пришли к самой интересной части. Что же даёт пользователю уменьшение размера транзисторов в процессоре его устройства?

Уменьшение транзисторов имеет огромное значение для маломощных чипов мобильных устройств и ноутбуков. Если сравнить схематично одинаковые процессоры, но изготовленные по 14-нанометровому и 7-нанометровому техпроцессу, то второй будет на 25% производительней при той же затраченной энергии. Или вы можете получить одинаковую производительность, но второй будет в два раза энергоэффективнее, что позволит ещё дольше читать блог Hi-News.ru на Яндекс.Дзен.

iPhone 11 с процессором A13 Bionic, изготовленном на 2 втором поколении 7-нанометрового техпроцесса

Одним словом, внедрение более современных технологических процессов даст нам увеличение времени работы iPhone и iPad от батареи при одинаковой производительности (следовательно, не надо раздувать размеры устройств для больших аккумуляторов), а также гораздо более мощные процессоры для MacBook. Мы уже видели, как чип A12X от Apple обходил некоторые старые чипы Intel в тестах, несмотря на то, что он был только пассивно охлажден и упакован внутри iPad Pro (2018).

Чтобы всегда быть в курсе современных технологий, обязательно подпишитесь на Telegram-канал AppleInsider.ru.

Закон Мура — наблюдение (изначально сформулированное Гордоном Муром), согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.

Отметим, что часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров.

Посмотрим, как выполняется правило:

Год	Количество транзисторов в процессоре
1971	2 300
1974	5 000
1978	29 000
1982	134 000
1985	275 000
1989	1 180 000
1993	3 100 000
1997	8 800 000
2001	45 000 000
2005	228 000 000
2009	904 000 000
2013	4 200 000 000
2017	19 200 000 000

Фактически, данные подчиняются следующей формуле:

например,

• P(2017) = P(1971) * 2^(46/2)
• P(2017) = 2300 * 2^(23)

P(2017) = 19293798400, что примерно соответствует актуальному значению на 2017 год = 19200000000 транзисторов на кристалл.

Будущее не за горами?

Да, вовсю разрабатываются технологии охлаждения чипов. Однако об их массовом внедрении пока говорить не приходится. К примеру, разработчики из университета в Нью-Йорке предложили использовать лазерную 3D-печать для нанесения на кристалл тонкого теплопроводящего слоя, в который входит титан, олово и серебро. Теплопроводность такого материала аж в 7 раз лучше, чем у иных термоинтерфейсов.
Надо отметить, что в своем исследовании физик Ричарда Фейнмана (Richard Feynman) еще в 1985 году отметил, что показатель энергоэффективности процессоров способен вырасти в 100 млрд раз. Однако по состоянию на 2019 год это значение не увеличилось и в 100 тысяч раз. Мы привыкли к высоким темпам роста вычислительных мощностей, инженеры ищут способы продлить действие закона Мура и преодолеть трудности, продиктованные законами Куми и Деннарда. Решением могут стать замена основных конструктивных элементов на кардинально новые.