Nye chip-fremskritt løfter økt batteritid

Et par chip-kunngjøringer i dag forteller viktige endringer i måten prosessorer vil bli produsert i fremtiden.

Først sa Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp. (TSMC) og ARM at TSMC har tapet ut neste generasjons ARM-prosessor på sin 16nm FinFET-prosess. For det andre sa Globalfoundries at det har demonstrert 3D-brikkestabling ved hjelp av en prosess kjent som Through-Silicon Vias (TSV). TSMC-kunngjøringen viser at støperiet er i rute for å få FinFET-er til å fungere, og at ARMs 64-biters kjerner fortsetter, mens Globalfoundries-kunngjøringen peker mot å kunne øke forbindelsene mellom matriser, noe som muliggjør raskere ytelse.

De fleste observatører mener at FinFET-prosessen, som innebærer å bruke en vertikal eller 3D-kanal i motsetning til den tradisjonelle plane transistoren for å pakke flere transistorer på en brikke, mens den fortsetter å skalere ytelse og kraft, er viktig for å kontrollere lekkasjen av transistor. Dermed vil det gjøre mer effektive prosessorer. Det betyr noe fordi jeg tror vi alle vil at telefonene og nettbrettene våre bruker mindre energi og har bedre batterilevetid.

Intel var først ute med å masseprodusere FinFET-teknologi ved hjelp av sin Tri-Gate-teknologi, og bruker i dag denne for å lage sine 22nm Ivy Bridge-brikker. Common Platform Group, bestående av IBM, Globalfoundries og Samsung, sa nylig at det er i rute for å produsere FinFET-er på sin 14nm-prosess i 2014, med storstilt produksjon sannsynligvis i 2015.

Ved en nylig begivenhet sa Globalfoundries at den har en simulering av en dual-core ARM Cortex-A9-kjerne, mens Samsung sa at den har laget en tape-out av ARM Cortex-A7, i begge tilfeller ved å bruke sine 14nm FinFET-teknologier.

TSMC, verdens største uavhengige produsent av halvledere, hadde tidligere sagt at også den kommer til å lage FinFET-er, i det den kaller sin 16nm-prosess. (I likhet med Common Platform Group-tilnærmingen ser det ut til at dette innebærer en endring i frontend-transistorer, men holder back-end prosessen på 20 nm.) TSMC produserer et stort utvalg av prosessorer som brukes i dagens produkter, inkludert ledende prosessorer fra Qualcomm, Nvidia, Broadcom og mange andre. Dagens kunngjøring sa at TSMC og ARM samarbeidet for å optimalisere Cortex-A57 for FinFET-prosessen, ved bruk av ARMs fysiske IP, TSMC-minnemakroer og forskjellige elektroniske designautomatiseringsteknologier (EDA). Poenget med å bygge disse platene er å stille inn TSMC-prosessen og få tilbakemeldinger på hvordan FinFET-prosessen samhandler med arkitekturen.

Cortex-A57 vil være ARMs første prosessorkjerne som støtter ARMv8-arkitekturen og dermed den første 64-biters kjernen. ARMs kjerner er integrert i et veldig stort utvalg av prosessorer, inkludert de i nesten alle mobiltelefoner, og overgangen til 64-biters bør gi noen nye muligheter. Spesielt jobber en rekke leverandører med 64-biters serverbrikker ved bruk av denne kjernen, mens andre vil koble den med en laveffekt Cortex-A53 i fremtidige applikasjonsprosessorer for mobiltelefoner. ARM sier at de første prosessorene som brukte A57- og A53-kjernene vil vises på 28nm, og man forventer å se produksjonen på 20nm etter det, deretter en overgang til FinFET-produksjon.

I denne første 16nm FinFET-tapen, sier ARM at A57 var mindre enn en Cortex-A15 ved 28nm, som er omtrent 6 mm ², selv om den tilbyr nye funksjoner, for eksempel 64-bits kapasitet. Denne utspilningen involverte et bibliotek med høy ytelse, som bruker større celler enn det som ofte brukes i mobilbrikker, og har ennå ikke blitt optimalisert for prosessen, så den resulterende kjernen kan bli enda mindre.

I mellomtiden sa Globalfoundries at det har demonstrert de første fullt funksjonelle SRAM-platene som bruker TSV-er på 20nm-LPM-prosessen (lav effekt for mobil). TSV-er muliggjør 3D-stabling av brikker, noe som ikke bare reduserer det fysiske fotavtrykket, men også øker båndbredden og reduserer strømmen. Effektivt integrerer disse et ledende materiale mellom flere lag med silisiumform, og skaper vertikalt stablet flis. I Globalfoundries "via-midten" -tilnærmingen blir forbindelsene eller viasene satt inn i silisiumet etter at skivene har fullført frontend-delen av prosessen, men før start på bakenden av linjen. Ved å produsere TSV-ene etter prosessen foran linjen, som involverer høye temperaturer, kan Globalfoundries bruke kobber til viasene for å gi bedre ytelse.

Legg merke til at hver via er faktisk ganske stor sammenlignet med de typiske funksjonene på en moderne prosessor, måling i mikron sammenlignet med nanometre brukt til transistor produksjon. En typisk applikasjonsprosessor eller grafikkbrikke kan trenge 1000 eller så slike vias.

Demonstrasjonen ble gjennomført på Globalfoundries 'Fab 8 i Saratoga County, New York.

Igjen, dette er viktig fordi bransjen har snakket om brikke-stabling i lang tid. Faktisk sa Nvidia nylig at sin grafikkprosessor fra 2015, kjent som "Volta, " vil inkludere stablet DRAM for å forbedre ytelsen. Det forventes mye at andre støperier også vil ha TSV-tilbud.

Som for å demonstrere viktigheten av TSV-er, kunngjorde en rekke minneprodusenter, logikkbrikkeprodusenter, systemprodusenter og støperier i dag at de har nådd enighet om en standard for en "hybrid minnekube", som bruker flere fysiske lag med dy til å øke både tettheten og båndbredden til minnet. Jeg så dette produktet først i en Micron-demo på Intel Developer Forum for omtrent 18 måneder siden, men dette har nå vokst til en gruppe som heter Hybrid Memory Cube Consortium og inkluderer alle de tre store DRAM-produsentene: Micron, Samsung og SK Hynix.

Den nye spesifikasjonen dekker kort rekkevidde og "ultra kort rekkevidde" -forbindelser på tvers av fysiske lag, spesielt for tilkoblinger til logikk i applikasjoner som høyytelsesnettverk og test og administrasjon. Den første spesifikasjonen inkluderer opptil 15 Gbps for kort rekkevidde og opp til 10 Gbps for ultra kort rekkevidde. Gruppen setter et mål om å oppgradere disse til 28 Gbps og 15 Gbps innen første kvartal 2014. (OPPDATERING: Micron sier det vil bli prøvetaking av minneskip ved bruk av TSV-teknologi i tredje kvartal 2013, med forventet volumproduksjon i første halvdel av 2014.)

Du vil ikke se 16nm produkter i år; industrien vil ikke bytte til 20nm produkter før helt på slutten av året eller begynnelsen av neste år. Du vil ikke se prosessorer som inkluderer TSV-er med en gang. Verken TSMC eller Globalfoundries ga faktiske produksjonsdatoer for disse teknologiene. Fortsatt bør forskjellige kombinasjoner av disse teknologiene og andre gi noen interessante produkter sent på neste år, eller mer sannsynlig, i 2015.