Отдельные тонкости в работе полупроводниковой индустрии

Вопрос для читателя. Что именно вы видите на данной картинке? И кто автор этого замечательного произведения? С ответом мы разберемся в обсуждении.

Мы все хотим этого или нет пользуемся плодами полупроводниковой индустрии. Но по тем или иным причинам не понимаем как она работает. Особенно это касается России, которая по известным причинам имеет некоторые трудности в данном вопросе.

Статья не претендует на объяснение всего, но хочет приоткрыть некоторые аспекты того что скрыто от глаз потребителя. Автор порядка 20 лет работает в этой индустрии и может также поделится более частными и интересными ему лично вопросами в последующих публикациях.

Когда-то давно мы все жили в более простом мире нежели сейчас. Скорее всего завтра этот мир будет еще сложнее и некоторые с тоской будут вспоминать об ушедших днях общаясь с каким-нибудь роботом. Еще недавно, а может быть уже не очень, 486-й процессор от Интел был очевидно быстрее 386-ого. Потом Пентиум победил всех и началась новая эра.

Как сейчас люди все еще следят за мегапикселями в камерах уже телефонов, тогда с предыханиями смотрели за Мега- и потом Гига- герцами. Было просто и понятно, чем больше, тем лучше. Цены обычно отражали суть происходящего.

Потом что-то случилось и появились какие-то условные единицы. Вместо частоты появились какие-то странные имена и циферки. Рост частоты процессора стала спадать, а потом и вовсе остановилась. Началось смутное время. Постепенно частота перестала быть основным параметром сравнения и ее место заняли кол-во ядер и технология производства, которая определяла потребляемую мощность.

И вот грянул новый гром!

Исполнительный директор компании NVIDIA Jensen Huang буквально на днях на выставке Computex 2017 в Тайпее заявил, что закон Мура больше не действует! Более подробно можно прочитать тут ^[1].

Конечно это давно и настойчиво предсказывалось многими и врядли могло вызвать эффекта разорвашейся бомбы. Да и потом речь не о полной остановке, а земедлении, которое по всей видимости остановить (каламбур) будет нельзя.

По сути существуют 3 причины, которые уже давно могли убить хромающий прогресс.

1. Во-первых это конечно же технологический или физический барьер. Минимальный топологический размер уже практически достиг 10нм. Отдельные горячие головы предсказывают, что предельный 5нм размер будет достигнут уже к 2020 году. В этом есть большие сомнения. Но мотивацию терять нельзя. Так что пусть мечтают. Чтобы было более понятно — период решетки у Кремния порядка 1/2 нм. 5 нм означает 10 атомных слоев. А это уже толщины при которых работают квантово-механические эффекты, туннелируются электроны итд. Многие приборы, как мы знаем построены на механизме легирования основного материала, допустим кремния. При уменьшении объема полупроводника до куба со стороной в 5нм кол-во необходимой примеси для среднего уровня легирования снижается до дробной величины атома. Это уже не то что технологически обеспечить невозможно. Тут уже теоретическая физика говорит — нет.
2. Но мы ведь не только и не столько хотим сделать маленькие транзисторы, сколько хотим, чтобы они быстро работали и даже всякие медленные языки программирования позволяли делать быстрые программы. И тут мы упираемся в еще большую стену. Jensen в часности заявил, что правило масштабирования выведенное Dennard перестало работать. Это по сути производная от «Закона Мура» и означает, что до настоящего времени несмотря на лавинное увеличение кол-ва транзисторов на единице площади, кол-во выделямой ими теплоты на единицу же площади остается более или менее постоянным. Это по сути зеленый свет в разработке более миниатюрной технологии. Этот факт далеко не очевиден как может показаться и достигается с помощью уменьшения рабочего напряжения. Но теперь все. Finita la comedia. Насколько мы все знаем особенно процессоры не отличались холодным нордическим нравом и грели не только душу, но и квартиру. Теперь же каждый шаг направленный в уменьшение топологического размера будет выдавать еще больше тепла на единицу площади. И это не 5-10% за кратные величины по сравнению с потребляемой сейчас энергией.
3. Ну и наконец финансы. Бабло однозначно победит любое зло, но только если его будет хватать. (Шутка). Дело в том, что каждая новая технология требует на порядок больших инвестиций чем предыдущая. Еще каких-то 10-15 лет назад все мечтали о 450мм подложках кремния, которые решат все проблемы. Оказалось, что мы до настоящего времени их не используем. Сколько шуму было о UVL — ультрафиолетовой литографии. Вот она придет и все разрулит. Воз и ныне там. И как оказалось, что технические проблемы были во многом решены.Т.е. принципиальная возможность и работоспособность новой технологии была показана, но финаносово она не имела смысла. Чтобы достичь финасовой эффективности нужны другие соотношения цена/производительность.

Вот собственно в этой статье хотелось бы поговорить о последнем. Просто потому, что вопрос с пересчетом атомов в принципе ясен и сложен одновременно. С одной стороны атом ножевкой не распилишь, а с другой стороны там в каждом шаге столько физики, что никто не выдержит такие пытки. Повышенное выделение тепла в принципе тоже очевидная тема.

С потоком электронов, называемых электрическим током мы уперлись в плане переноса и обработки информации. Это все равно, что сжигать кучу дров, чтобы передать сигнал на вершину соседней горы и сообщить новость. Так никаких дров не хватит.

С экономикой все интересней и непонятней одновременно. Есть очень известная в своих кругах книга Andy Grove «Only the paranoid survive». Там описывается становление небезызвестной компании Intel и о том как и почему автору и его команде приходилось принимать те или иные решения.

В часности там рассказывается о таком уже малоизвестном факте, что Intel это была фирма, которая производила компьютерную память. И она была вынуждена сменить профиль деятельности, чтобы элементарно выжить на рынке в конкуренции с японскими производителями.

Компьютерная память DRAM устроена по своей сути достаточно примитивно, существенно более просто нежели CPU. Это всего навсего матрица из ячеек каждая из которых представляет собой ключ — транзистор и накопитель — конденсатор. Но как ни странно именно память во многом тормозит прогресс в компьютерных вычислениях. И как мы узнали выше, даже такой неосопоримый гигант как Интел отказался сражаться на этом поле.

В чем дело?

А дело в том, что сделать Ferrari или Lamborghini продать каждый за миллион долларов не так сложно как кажется. Нужно лишь выбрать правильную эмблему на капот и сделать хорошую рекламу. А вот сделать Фольксваген Жук и продать его за 999 марок и при этом еще остаться в прибыли гораздо сложнее.

Вот как устроена обычная память:

Суть состоит в том, что с одной стороны мы хотим иметь очень много гигабайтов, а с другой стороны нам нужно где-то хранить информацию об единственном бите.

Кондесатор, который используется для такого хранения, к сожалению, разряжается со временем, а накопленный заряд должен обеспечить стабильный режим чтения, хотя бы во время хранения информации, которую все равно приходится обновлять. Это требует создание конденсатора достаточной емкости.

$$display$$C = epsilon {S over d}$$display$$

Емкость как мы видим требует большой площади и минимального расстояния между обкладками. Это находится в явном противоречии с необходимость увеличить плотность записи информации во чтобы то ни стало. Единственное решение, которые было найдено это делать конденсатор в форме бутылки, которая в свою очередь погружена внутрь пластины кремния.

Сейчас ситуация скорее всего еще «ухудшилась», но в мое время площадь поверхности подложки с ямами наверху несмотря на их крошечный размер превышала геометрическую площадь подложки в 30 раз! Соотношение глубины колодца и его диаметра так называемое aspect ratio доходило до 100. Теперь представьте технологическую задачу на пластине кремния создать огромное кол-во таких идентичных колодцев, которые надо потом покрыть одним или 2мя слоями для создания бутерброда из так называемой MIS или MIM структуры.

Входное отверстие было порядка 90 нм, а глубина порядка 7-8 микрон.

Это просто иллюстрация сложности создания одного единственного узла.

Экономически такая «простая структура» выливается в одну огромную проблему, перед которой спасовал Intel! Кол-во производимых чипов памяти на несколько порядков превышает кол-во CPU, которые производит Intel. Ценовая политика в производстве казалось бы той же самой электроники совершенно другая. Нужно очень много и очень дешево.

Так называемая маржа формируется не за счет цены на единицу товара, а за счет вала. Этот же вал может легко убить производителя чуть ли не на месте. Допустим, если мы производили $100 миллиардов чипов и делали на каждом чипе 1 цен, то мы зарабатывали $1 миллиард за определенный срок. Стоит цене на память просесть всего на 2 цента и вот мы уже теряем $1 миллиард.

Я думаю Россияне неплохо осведомлены, что цена на какую-то нефть, которую никто не ест может сделать с экономикой целой страны.

По сути в бизнесе по производству памяти все на порядок более чувствительно. Если в случае с нефтью существует возможность остановить добычу и отрегулировать поставки, то в случае с памятью такое не работает. Вся произведенная память обязана быть продана иначе потери вместо $1 миллиарда могут вырасти многократно.

Так же следует понимать, что когда Вы покупаете компьютер или саму память в магазине, то сделали ее задолго до этого. Это не выпечка хлеба прямо к столу.

И вот в свое время, когда известная версия WIndows Vista по некоторым причинам не пошла
достаточно хорошо в народ это стоило жизни сначало одной, а потом и другой фирме по производству памяти.

И вот сегодня мы имеем такой расклад среди тех, кто делает память:

1. Samsung — Южная Корея
2. Micron — США
3. Hynix — Южная Корея
4. Toshiba — Япония.

Это полный список компаний, которые производят DRAM! Других скорее всего не будет.

Причем надо отметить, что обе Южно Корейские компании перекрывают более 50% рынка памяти. Toshiba же производит специальную память и скорее всего у Вас ее нет.

Эти огромные риски, когда речь идет о миллиардах долларов в буквальном смысле привели к очень богатым фантазией механизме продаж как устоявшихся продуктов, так и совершенно новых изделий. Во многих случаях имя компании нарисованное на упаковке или корпусе не имеет ничего общего с именем реального производителя.

Спасибо за внимание!

Автор: GospodinBaron

Источник ^[2]