Tyxo.bg counter

Следващата революция в електрониката - 3D чиповете

Те ни обещават обичайните неща: по-висока производителност при по-ниска консумация на енергия, но този път вече не в проценти, а в пъти 
През последните 1-2 години символното съчетание „3D” се превърна от поредната модна тенденция при технологиите в символ на модерното по принцип – като се започне от киното и потребителската електроника и се стигне до мастилото в принтерите и до смартфоните. А напоследък все по-често чуваме 3D и в съчетание с чип. Но какво всъщност представляват т.нар. 3D чипове и защо през последните месеци ИТ индустрията им отделя толкова много внимание, стигайки до твърдението, че 2012-а ще бъде „годината на 3D чиповете”, които носят поредната „революция в електрониката”. В статията ще отговорим на тези въпроси с един малко по-подробен разказ за новата обещаваща технология.
Представете си един голям град с много магазини, разположени на различни места из центъра и кварталите. За да си напазарувате от всички тях, ще трябва да се качите на кола и да обикаляте доста – задача, която може да ви отнеме и целия ден. А сега си представете един съвременен модерен мол, в който всичките тези магазини са събрани на едно сравнително малко по площ място, но на няколко етажа. В този случай пазаруването се улеснява значително, а пътуването се свежда само до асансьорите и ескалаторите – така е доста по-бързо и по-ефективно. Точно тази идея е заложена и в дизайна на 3D чиповете – вместо изчислителните електронни вериги да се разполагат в различни двуизмерни модули, комуникиращи помежду си през различни по дължина вериги и цял куп I/O портове и интерфейси (аналогично на шофирането из кварталите), те се „стекират” по вертикал, а данните си придвижват по много по-къс път от един слой към друг като с асансьор.
 

Според някои промишлени специалисти този 3D дизайн на чиповете наистина е доста по-ефективен, като стекирането на няколко 22-нанометрови микроелектронни схеми например постига същия ефект по отношение на производителността, ефективността и енергоконсумацията, както ако технологичният процес за производство на микрочиповете бъде скъсен от 22 nm до 15 nm. Само че последното е свързано с инвестиции за разработка и подмяна на производствените мощности на стойност милиарди долара, докато разходите за първото са около 20-30 пъти по-ниски.  
С други думи, докато традиционният подход за намаляване размерите на процесорите и тяхната консумация при едновременно повишаване на производителността разчита на намаляване на физическите размери на микроелементите (силициевите транзистори) и набутването на по-голям брой от тях на единица площ, то новият предполага разполагането на елементите един над друг, скъсявайки значително пътя на данните между микроелементите и подсистемите в самите чипове. Точно това е принципът на един от основните методи за създаване на 3D чипове, известен като TSV (Тhrough-silicon vias), или казано на български, вертикални електрически проводници.
Посока - нагоре
За да си представите всичко това, можете да погледнете Фигура 1, на която е представена графична схема на TSV чиповете памет, демонстрирани неотдавна от IBM и изготвени по технология, наречена Hybrid Memory Cube (HMC) на компанията Micron. На нея ясно личи структурата на 3D чипа, в който модулите памет са разположени един над друг, като са свързани помежду си и с основния логически слой посредством вертикални проводници (TSV). 


Следващата революция в електрониката - 3D чиповете

© Мариян Славов, pcworld

Фигура 1: Графичен „разрез” на 3D TSV чип памет с разположен в основата логически слой и стекирани един над друг DRAM модули, свързани посредством вертикални проводници

За сравнение със стандартния 2D дизайн може да ви послужи Фигура 2. Тя представлява микроснимка на 20-нанометров NAND флаш чип, при който модулите памет и логическият слой са разположени на обичайната плоска подложка.
 


Следващата революция в електрониката - 3D чиповете

© Мариян Славов, pcworld

Фигура 2: „2D” NAND флаш чип памет, изготвен по 20-нанометров технологичен процес

Разликата в дизайните се вижда и без микроскоп, а предимствата на вертикалния TSV дизайн са очевидни: при него електрическите връзки между логическите модули на чипа са многократно по-къси (от порядъка на микрони вместо на милиметри), което значително намалява латентността при преноса на сигналите. Нещо повече, тази организация елиминира нуждата от използване на микроусилватели и повторители на сигнала, което пък спестява голяма част от електроенергията за захранване на чипа. 20-40% от нея в традиционния дизайн отива именно за захранване на споменатите микроелементи. С други думи казано, с едно просто преподреждане на основните модули във вертикална посока на 3D чиповете може лесно да се постигне почти 50% по-ниска енергоконсумация в сравнение с показателите на 2D устройствата.  
 
3D чиповете от този тип обаче имат и други предимства. Техен плюс е например, че този дизайн позволява създаването на различни по цел и функция чипове, изградени на модулен принцип и комбиниращи, да речем, аналогови модули с DRAM памет, изчислителен слой, графика и прочее по всевъзможни начини, формирайки пълноценни компютърни системи, но побрани само в един чип (SoC – System on a Chip). Това дава огромна гъвкавост на производителите при създаването на крайния продукт, без да са необходими цялостен редизайн и разработка на различни специални модули. Една от основните идеи за бъдещи „комбинирани” процесори от типа SoC например е създаването на интегрирани чипове, в които отдолу е изчислителният CPU блок, а отгоре - паметта. Така не само се спестява място за евентуално приложение в компактна компютърна техника, но и се ускорява достъпът до паметта, което е залог и за повече системна производителност.
Тази концепция например може да стане основа на следващото поколение по-бързи настолни компютри – при сегашните сигналите на многоядрените процесори страдат от значителни забавяния по дългия път до външно разположената RAM памет. Ако обаче тя се сложи директно върху процесорния блок, ще е само на около 50 микрона разстояние, отбелязват специалистите. 
Другите 3D чипове
TSV концепцията на вертикалните микропроводници обаче не е единствената технология за създаване на 3D чипове. Intel например имат друга идея за „обемни изчисления”, базирана на „3D транзистори”, или, както ги наричат в компанията, Tri-Gate. Характерно за Tri-Gate транзисторите е, че те имат тънко силициево ребро, стърчащо над силициевата подложка. То играе ролята на drain извод на транзистора с гейтове, разположени от двете му страни и отгоре (вж. Фигура 3). За сравнение при стандартните „2D” транзистори drain полюсът се намира в хоризонталната плоскост на подложката (вж. Фигура 4).

Фигура 3: Схема на 3D Tri-Gate транзистора на Intel


Следващата революция в електрониката - 3D чиповете

© Мариян Славов, pcworld

Фигура 4: Графично сравнение на 2D (planar) транзистор и Tri-Gate (3D) транзистор 
Според Intel този нов 3D дизайн на транзисторите им позволява да превключват по-бързо и да консумират по-малко енергия. Всъщност по този начин електричеството, необходимо за промяна в състоянието на транзистора, може да бъде намалено наполовина, а в същото време стойността на т.нар. standby захранване (токът, който се консумира, когато транзисторът не върши нищо) намалява в пъти, твърдят от компанията. 
Иначе казано, новите процесори, базирани на Tri-Gate транзистори, ще осигуряват около 37% повече производителност при сходно ниво на енергопотреблението в сравнение с традиционните чипове, използващи „плоски” микроелементи. А при сходно ниво на производителност Tri-Gate устройствата консумират над два пъти по-малко енергия в сравнение с нужната на 32-нанометровите плоски транзистори, обясняват още от Intel. Според специалистите на компанията технологията има и друг много важен аспект - почти не оскъпява производствения процес, разходите за който се вдигат само с 2-3%.  С други думи, новите процесори, базирани на Tri-Gate транзистори, няма да натежат на джобовете ни повече от обичайните нови CPU продукти на Intel.
В очакване на масовото производство
Разбира се, едно е да си говорим по принцип, а съвсем друго – да ползваме 3D чипове в компютрите си, така че най-естественият въпрос е кога евентуално ще започне масовото производство на този тип устройства. Добрата новина е, че то всъщност вече е започнало. 
В средата на декември например от IBM съобщиха официално, че компанията започва да произвежда storage системи, базирани на споменатата по-горе новаторска технология Hybrid Memory Cube (HMC) на компанията Micron Technology. Те ще постигат 15 пъти по-високи скорости на трансфер на данни в сравнение със съвременните решения за съхранение, докато в същото време ще консумират 70% по-малко енергия и ще са с размери само 10% от габаритите на традиционните storage устройства. Частите за HMC ще бъдат изработвани във фабриката за полупроводници на IBM в East Fishkill, в Ню Йорк. При производството ще се използва технологията High-K/Metal Gate за изготвяне на микроелементи с 32 nm геометрия.


Следващата революция в електрониката - 3D чиповете

© Мариян Славов, pcworld

Вече са на път и първите 3D чипове на Intel, изработвани съобразно Tri-Gate технологията и по нормите на 22-нанометровия технологичен процес за производство. А появата им на пазара ще бъде реализирана под формата на компютърните процесори с кодово наименование Ivy Bridge, които, както може би знаете, се очаква да дебютират през април. По това време ще бъдат представени първо Ivy Bridge CPU моделите, които принадлежат към най-производителния сегмент.

Тоест в настолния сектор ще дебютират първо новите Core i5 и Core i7 чипове от трето поколение, а в мобилния – само най-мощните Core i7. По-достъпните версии на Ivy Bridge процесорите – настолните Core i3 и мобилните Core i5 – се очакват към края на второто тримесечие, т.е. вероятно през юни. Tri-Gate технологията ще се използва също при разработката и създаването на следващите поколения 14 nm процесори на Intel, които трябва да се появят на пазара през 2014 г.
A по-нататък?
В по-дългосрочен план перспективите, откривани от 3D чиповете, изглеждат дори още по-обещаващо. Според редица специалисти и аналитици от ИТ индустрията например истинското състезание при този тип изделия ще започне през 2013 г., когато се очаква повече високотехнологични компании да възприемат концепцията и да я интегрират в своето производство. По това време конкуренцията ще се изостри, като резултатите ще бъдат гонени на два фронта – както по отношение на стекирането (вертикалната интеграция на повече на брой и различни по функция слоеве в 3D чиповете), така и с традиционното преминаване към по-малки геометрии от под 20 nm и създаването на по-компактни, по-икономични и по-евтини чипове.
А след 4-5 години този тип чипове ще преобладават, внасяйки истинска революция във всички сфери на електрониката и компютърната техника с най-разнообразни комбинации от стекирани в 3D конструкции подсистеми. Те ще включват оптични комуникационни модули, сензори и микроелектромеханични системи. 


Следващата революция в електрониката - 3D чиповете

© Мариян Славов, pcworld

Фигура 5: Графичен разрез на бъдеща 3D система в чип (SoC) със слой от интегрирана нанофотонна мрежа, комбинирана с изчислителен слой и памет (Източник: IBM Research – Zurich)
Първите разработки в тази насока също вече са факт. По време на ежегодната международна среща IEEE (International Electron Devices Meeting), проведена в края на 2011 г., IBM например представи редица изследователски открития, които биха могли да спомогнат за създаването на значително по-малки, по-бързи и по-мощни компютърни 3D чипове. Сред тях фигурираше нова 3D архитектура, комбинираща някои нови материали, като графен, въглеродни нанотръби и Racetrack памет, в микросистема. Тя съчетава изчислителен CPU слой, memory подсистема и оптичен комуникационен модул (Фигура 5). Въпросните открития биха могли да предоставят нова технологична основа за обединяване на компютърни системи, комуникации и потребителска електроника, смятат в IBM. При това тази основа може да стане реален факт на пазара в съвсем обозримо бъдеще – в рамките на пет до седем години.

Twitter icon Facebook icon
Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тук.