Д.т.н, проф. Романюк О. Н., Даньковська О. В.,
к.т.н., с.н.с. Вяткін*
С. І.
Вінницький
національний технічний університет, Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, 21021
*Інститут автоматики та
електрометрії СВ РАН,
Новосибірськ
Технологія виготовлення
відеокарт
У даній статті розглядається еволюція розвитку
технологічних процесів для виготовлення графічних процесорів.
Ключові слова: технологічний процес, графічний процесор, GPU, відеокарта, чіп,
транзистор.
Темпи розвитку графічних процесорів (ГП) надзвичайно високі, особливо
останнім часом. Вони перевершують навіть темпи вдосконалення центральних
процесорів.
Графічні процесори (GPU) по складності не поступаються
центральним процесорам, але, через свою вузької спеціалізації, у стані більш
ефективно справлятися із завданням обробки графіки, побудовою зображення, з
подальшим виведенням його на монітор.
Кількість
транзисторів у сучасному ГП перевищує декілька мільярдів. Наприклад, графічний
процесор GK110, що нараховує 7,1 млрд. транзисторів.
Кількість транзисторів у ГП за законом Мура
збільшується у два рази кожні півтора роки.
Однією із найважливіших характеристик відеоадаптера є
його техпроцес. Технологічний процес (техпроцес) – це технологія, яка визначає
розміри напівпровідникових елементів. Удосконалення техпроцесу дозволяє
отримати елементи менших розмірів, що призводить до зменшення споживання
транзисторами енергії. У свою чергу, це призводить до зниження тепла, що
виділяється. Удосконалення техпроцесу дозволяє зменшити відстань між
функціональними блоками чіпа, тому на передачу даних потрібно менше часу. Усі
ці фактори дозволяють досягати більш високих тактових частот і розширювати
функціональність пристроїв.
«Двигуном прогресу» графічних адаптерів є конкуренція
двох найбільших виробників ГП, компаній ATI (з 2010 року – AMD) та NVIDIA [1].
Застосування технологічного процесу 45 нм почалося для
виробників GPU у 2009 році.
Створення 45-нанометрової виробничої технології Intel
із використанням діелектриків Hi-k стало одним із фундаментальних проривів у
галузі розробки транзисторів за останні 40 років [5]. Чіп 40 нм став на 40% менше за площею, у порівнянні з
чіпом, виробленим по 55 нм технологічному процесу . Порівняно з 55-нм
виробничою технологією, 45-нм технологія дозволяє збільшити щільність розміщення
транзисторів в 1,7 раза [5] і на 20 % [5] збільшити швидкість переключення
транзисторів.
Площа чіпа RV740 компанії АТІ займає
площу 140 кв. мм, у той час, як площа АТІ RV770, виробленого за 55 нм нормами,
становила 260 кв. мм. Також 40 нм техпроцес дозволив RV740 працювати на більш високих
тактових частотах.
Компанія TSMC, при переході на 40 нм технологічний процес, почала
використання 193-нм імерсійної літографії, діелектрика з дуже низькою
діелектричною постійною (ultra low-k), а також почала використовувати
технологію Triple Gate Oxide (TGO, потрійний оксидний шар затвора). Low-k
діелектрики (рис. 1), зазвичай, використовуються для зниження взаємних ємностей
електричних провідників всередині чіпа. При цьому зменшується постійна часу
резистивно-ємнісних ланцюжків, що сприяє поліпшенню швидкодії і зниження
енергоспоживання. Технологія Triple Gate Oxide (рис. 2) є ефективним способом
отримати чіп з більшою продуктивністю за рахунок використання більш тонкого
оксидного шару затвора та зменшення струмів витоку [3].
У кінці 2011 року виробники GPU почали перехід на
техпроцес 28 нм. Компанії NVIDIA і АMD
довірили випуск своїх графічних процесорів компанії TSMC, що запропонувала 28-нм
техпроцес у трьох варіантах:
Рисунок 1 – Low-k діелектрики
Рисунок 2 – Технологія Triple Gate Oxide
У кінці 2011 року виробники GPU почали перехід на
техпроцес 28 нм. Компанії NVIDIA і АMD
довірили випуск своїх графічних процесорів компанії TSMC, що запропонувала 28-нм
техпроцес у трьох варіантах:
·
високопродуктивний (28nm High
Performance, 28HP);
·
високопродуктивний з низьким
енергоспоживанням (28nm High Performance Low Power, 28HPL);
·
з низьким енергоспоживанням (28nm
Low Power, 28LP).
У 2012 році до цих процесів додалося ще виробництво високопродуктивних
чіпів для мобільних комп'ютерів (28nm High Performance Mobile Computer, 28HPM)
[4].
На основі техпроцесу 28 LP виготовляють мікросхеми для мобільної
електроніки, основними вимогами яких є невисока споживана потужність і невисока
собівартість. У даному техпроцесі в якості діелектрика використовуються
матеріали класу SiON / Poly, що дісталися у спадок від технорм 40 нм.
На основі 28HP компанія TSMC виготовляє інтегральні мікросхеми, для яких
найважливіша вимога – висока продуктивність. До таких пристроїв належать центральні
та графічні процесори, чіпсети, FPGA-рішення, міросхеми для мережевого
обладнання та ігрових консолей.
У свою чергу техпроцес 28 HLP являє собою похідну від 28HP, у якому увага
зосереджується не на продуктивності, а на економічності мікросхем у плані споживаної
потужності. Завданням розробників у цій технології є зниження струмів витоку..
Технологія 28 HLP передбачає використання передових затворів high-k metal
(оксид гафнію) у якості діалектрика, який дозволяє зменшити струми витоку і
підвищити електричну ємність затворів, що істотно впливає на швидкість
перемикання транзисторів.
Порівняльну характеристику 28-нм техпроцесу засобами компанії TSMC наведено
у таблиці 1.
Таблиця 1 – Порівняльна
характеристика 28-нм техпроцесу
|
Standard
Offerings |
HP |
HPM |
HPL |
LP |
|
|
Core
Vcc (V) |
0.85 |
0.9 |
1.0 |
1.05 |
|
|
VT |
Ultra-Low |
+ |
+ |
+ |
|
|
Low |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
Standard |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
High |
+ |
+ |
+ |
|
|
|
Ultra-High |
|
+ |
|
|
|
|
1.8V
I/O |
1.8V
UD 1.2V |
+ |
+ |
|
+ |
|
1.8V
UD 1.5V |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
1.8V |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
2.5V
I/O |
2.5V
UD 1.8V |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
2.5V |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
2.5V
OD 3.3V |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
|
SRAM |
SP |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
DP |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Технологія виготовлення 28-нм відеочіпів компаній NVIDIA
і АMD (ATI) базується на техпроцесі 28HP, яка є першою, де TSMC застосовує
технологію металевих затворів з високою діелектричною сталою (High-k Metal
Gate, HKMG) замість SiON (рисунок 3). Це скорочує витік струму, що, у свою
чергу, призводить до зменшення енергоспоживання та збільшення тактової частоти.
Техпроцес 28HP HKMG дозволяє збільшити продуктивність до 45% порівняно з технологією, що
використовувалася у двох останніх поколіннях відеокарт. Також новий техпроцес надає
можливість створювати менші за розміром і більш дешеві чіпи.
Рисунок
3 – Технологія металевих затворів з високою діелектричною сталою (High-k Metal
Gate)
Порівняємо вплив техпроцесу на характеристики ГП NVIDIA і АТІ. Розвиток
техпроцесу NVIDIA та АТІ відображено у
таблиці 2 і таблиці 3 відповідно.
Таблиця
2 – Розвиток техпроцесу NVIDIA
|
Характеристики |
55 нм |
40 нм |
28 нм |
|
Впровадження |
липень 2008 р. |
жовтень 2009р. |
травень 2012р. |
|
Представник
ряду (відеокарта/чіп ) |
GeForce 9800 GTX+/ GT206 |
GeForce GT 220/ GТ216 |
GeForce GTX 670/ GK104 |
|
Кількість
транзисторів (млн.) |
754 |
486 |
3 540 |
|
Тактова
частота ядра |
738 МГц |
625 МГц |
915-980 МГц |
|
Площа
кристала |
268 кв. мм |
100 кв. мм |
294 кв. мм |
|
Транзисторів
на кв.мм. (млн.) |
2,81 |
4,86 |
12,04 |
Таблиця
3 – Розвиток техпроцесу АТІ
|
Характеристики |
55 нм |
40 нм |
28 нм |
|
Впровадження |
листопад 2007 р. |
червень 2008 р. |
грудень 2011р. |
|
Представник
ряду (відеокарта/чіп ) |
Radeon HD 3850 / RV670 |
Radeon HD 4770/ RV740 |
Radeon HD 7970/Tahiti (R1000) |
|
Кількість
транзисторів (млн.) |
666 |
826 |
4 312 |
|
Тактова
частота ядра |
668 МГц |
750 МГц |
925 МГц |
|
Площа
кристала |
192 кв. мм |
137 кв. мм |
365 кв. мм |
|
Транзисторів
на кв. мм. (млн.) |
3.47 |
6,03 |
11,81 |
Виходячи із данних таблиць, техпроцес найбільше впливає на щільність
розташування транзисторів у ядрі графічного процесора. Нижче на графіку відображено
порівняльну харектеристику компаній NVIDIA І АТІ щодо щільності розташування
транзисторів (рисунок 5). Вісь Ох вказує назву техпроцесу, а вісь Оу – кількість
транзисторів (млн.) на 1 кв.мм.
Рисунок 5 – Порівняльна характеристика NVIDIA та АТІ щодо
щільності розташування транзисторів
Новинками на ранку відео карт у першому кварталі 2013 року стали NVIDIA GeForce
GTX 780 І АТІ Radeon HD 7990, побудовані на базі 28 нм техпроцесу.
На сьогоднішній день розробниками планується підкорити техпроцес у 4 нм, а
потім і 9, із застосуванням інших матеріалів і методів.
У середині 2011 року розпочато
будівництво заводу під назвою Fab42 в американському штаті Арізона. Він
буде зданий в експлуатацію у 2013 році [6]. За заявою Intel, він стане
найсучаснішим заводом з масового випуску
процесорів - Intel по 14-нанометровій технології на основі
300-міліметрових кремнієвих пластин. Завод також стане першим масовим
виробництвом, сумісним з 450-мм пластинами. У будівництво планується вкласти
понад $ 5 млрд. На момент запуску Fab 42 стане, як очікується, одним з найбільш
передових у світі заводів з випуску напівпровідникової продукції в великих
обсягах.
У 2012 році дослідники з Університету Південного
Уельсу представили спосіб створення транзисторів, розміри яких були б рівні
розмірам одного атома. Демонстрація способу була проведена на прикладі атома
фосфору, розміщеного на напівпровідниковому кристалі. Результати цієї роботи
можуть бути покладені в основу створення квантових комп'ютерів майбутнього [6].
Висновок: технологія виготовлення графічних процесорів з кожним роком
удосконалюється. Найбільшої уваги привертає технологічний процес, який дозволяє
отримати елементи менших розмірів, що призводить до зменшення споживання
транзисторами енергії; знизити виділення тепла, а також зменшити відстань між функціональними блоками чіпа для
зменшення часу на передачу даних.
Список літератури