Полупроводник – мозг современной электроники. Только представьте, в 2019 году объем рынка полупроводников составлял аж 412 млрд долларов! Как думаете, какие компании составляли половину всего рынка? Безусловно, половина рынка полупроводников была занята компаниями из США. Удивительно быстро развивается рынок полупроводников для систем искусственного интеллекта, где специалисты прогнозируют рост с 6 млрд долларов в 2019 году к 30 млрд долларов в 2022 году. При этом, среднегодовой темп роста (CAGR) будет находиться примерно на уровне значения 50%.
Мало кто из нас знает, что движет работой наших компьютеров и телефонов. Каждый современный компьютер, смартфон, приставка имеют ряд основных и расширенных функций. Щелкая мышкой, проводя пальцем по экрану, печатая на клавиатуре или говоря в динамик мы заставляем работать именно полупроводники. Именно они отвечают за поиск информации, осуществление вычислений и оптимизацию электронных устройств. Полупроводники – это огромный список элементов, которые используются в электронных устройствах: машинах, телефонах, ноутбуках, компьютерах, умных часах и т.д. Полупроводниковые элементы ответственны за все, от их работы зависят не только основные возможности наших устройств, но и расширенные. Например, когда мы ведем потоковую трансляцию со своего персонального компьютера, все работает именно благодаря полупроводникам. Все CPU и GPU состоят из тысячей полупроводниковых элементов, которые осуществляют вычисления.
Конкретные примеры полупроводников в электронике
Вообще, это сложная тема, в которой очень часто новички путаются. В качестве примера возьмем интегральные схемы, изготовленные из кремния. Микросхемы являются важнейшей частью современных электронных устройств. Чтобы иметь возможность осуществлять базовые логические вычисления, эти микросхемы должны быть способны действовать подобно выключателям с электронным управлением. Чтобы добиться практически мгновенного переключения, эти схемы должны быть изготовлены из полупроводникового материала, значение электрического сопротивления которого находится между проводником и изолятором.
Процесс создания полупроводниковых устройств состоит из нескольких этапов. Именно поэтому между этапом тестирования и запуска в массовое производство находится промежуток времени в пару лет. Например, путь процессора AMD к конечному потребителю выглядит так:
- Идея.
- Разработка архитектуры.
- Производство.
- Тестирование.
- Запуск в серийное производство.
- Транспортировка.
- Конечный потребитель.
Изготовление полупроводников – это сложный технологический процесс с длительным временем, необходимым для реализации повседневных функций разрабатываемых устройств. Время изготовления полупроводниковой продукции может зависеть от ее сложности, но в среднем с момента начала исследований до выпуска готового продукта уходит от трех до пяти лет.
Компания AMD постоянно работает над совершенствованием полупроводниковых элементов. Это очень сильно заметно в течение последних пары лет. Именно за этот промежуток времени продукция компании AMD изменилась до неузнаваемости. Никто не думал, что решения от AMD будут когда-либо лучше решений от Intel.
Закон Мура и вызовы современности
Гордон Мур – человек, который основал компанию Intel. Это талантливый инженер, который смог предугадать огромное количество проблем современной электроники. В этой части статьи мы кратко расскажем о 3 предсказаниях Гордона Мура.
Коррективы в «Закон Мура» вносились 3 раза. Изначально он выглядел так: «Количество компонентов, размещаемое на кристалле микросхемы, будет удваиваться каждый год». Также он был уверен, что этот закон будет актуален в течение следующих 10 лет и он был прав. Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции, мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально. В 1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года. Перед 2015 годом Гордон Мур предсказал, что скорость роста плотности упаковки элементов интегральных схем достигнет точки насыщения в следующем десятилетии или около того. Это произойдет, когда уменьшение размера транзистора достигнет своего естественного ограничения – величины атома. Количество транзисторов на серверном процессоре AMD EPYC 2-го поколения достигло примерно 40 миллиардов.
Предлагаем вам наглядно сравнить изменения в размере техпроцесса на основе процессоров AMD:
- 1971 год – 10 мкм
- 2019 год – 6 нм
- 2027 год – 3 нм
Кстати, современный смартфон обладает куда большей вычислительной мощностью, чем компьютеры, которые агентство NASA использовало для посадки на Луну космического корабля «Аполлон-11» в 1969 году.
Новейшие техпроцессы 7 нм и меньше
Микросхемы, созданные по техпроцессу 7 нм, представляют собой новейшее поколение кристаллов электронных устройств. Они обеспечивают улучшение показателя производительности на ватт энергопотребления по сравнению с микросхемами предыдущих поколений. При росте плотности упаковки компонентов на кристалле повышается функциональность микросхемы, а также увеличивается эффективность энергопотребления.
AMD стала первой компанией, выпустившей на рынок изготовленные по техпроцессу 7 нм центральные и графические процессоры с архитектурой x86. Эти устройства уже применяются в центрах обработки данных, настольных персональных компьютерах и ноутбуках. Ввиду чрезвычайно долгого производственного цикла новых техпроцессов инженеры AMD сосредотачивают свои усилия на инновациях, которые однажды сделают возможными изготовление микросхем по техпроцессам 5 и 3 нм.
Взлет микрочипов
Другим ключевым подходом к повышению производительности процессоров стало использование многокристальной компоновки, позволяющей производителям полупроводников собрать воедино множество компактных кристаллов и в результате получить ЦП с большим количеством ядер. Например, в серверном процессоре AMD EPYCTM 2-го поколения монолитный 32-ядерный серверный кристалл разделен на восемь дискретных 7-нанометровых микрочипов, объединенных в многокристальный модуль с высокоскоростной сигнальной шиной. Изготовление этого процессора в форме одного кристалла было бы невозможным из-за ограничений масштабной сетки производственного оборудования. По оценкам AMD, применение многокристальности позволит снизить производственные затраты примерно на 40%.
Как мы видим, на протяжении более чем 50 лет AMD является лидером в разработке новаторских технологий для высокопроизводительных вычислений и визуализации.