Техпроцесс 5нм от TSMC - куда уж меньше?

Производитель чипов TSMC 

Компания TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) - одна из немногих промышленных компаний на нашей планете, занимающихся реальным фабричным производством мобильных процессоров. У неё десятки фабрик, в основном на Тайване, и многомиллиардные обороты, растущие ежегодно. Конечно, TSMC ещё далеко до гигантов рынка в виде Intel, но направление выбрано верно и как знать, может лет через 10 они сравняются. Хотя есть во всей этой истории один спорный момент, который и хотелось бы обсудить в данной статье.

Техпроцесс 5нм в 2020 году

 

Окунувшись в историю, можно вспомнить, что более тонкий техпроцесс всегда давался микроэлектронному производству с большим трудом. На каждый шаг по уменьшению размеров транзисторов тратились колоссальные суммы денег и годы разработки:

• 90 нм - 2002 год
• 65 нм - 2004 год
• 45 нм - 2006 год
• 28 нм - 2010 год
• 20 нм - 2012 год
• 14 нм - 2014 год
• 10 нм - 2017 год
• 7 нм - 2018 год
• 6 нм - 2019 год
• 5 нм - 2020 год

Причём ранее ведущим новатором в мире была компания Intel, а теперь, с приоритетом мобильных вычислений, первенство ушло TSMC. Intel только-только начала переходить на 10нм техпроцесс, причём не очень удачно, а TSMC уже готовится к промышленному производству 5нм и проектирует фабрики под 3нм!

Что интересно, 10 нм - это не размер всего транзистора, это лишь показатель ширины затвора. Полностью транзистор, выполненный по проектным нормам 10 нм, имеет размер около 64нм и если посчитать площадь одного транзистора (чуть больше 4000 квадратных нанометров) и отнести её к площади чипа (например, Apple A10 - 89.25 мм2), то получится, что на площади этого чипа можно разместить почти 22 миллиарда транзисторов. Однако, нам известно, что в состав Apple A11 входит 4,3 миллиарда транзисторов. Остальная площадь чипа отводится под соединения и другие подсистемы чипа. Итого полезная площадь - это едва ли 20% от общей площади чипа.

Apple A12, получивший новый 7нм техпроцесс, имеет площадь 83,27 мм2, но при этом содержит уже 6,9 млрд. транзисторов. Если также посчитать полезную площадь, то получим значение 17%.

Это говорит о том, что площадь, которую занимают реальные вычислительные элементы, со временем сокращается, освобождая место под всевозможные соединения и переходы. Однако это не снижает производительность, так как сокращение размеров транзисторов столь сильное, что их количество всё равно возрастает на десятки процентов. Например, разница между эппловскими чипами А10 и А11 - 30%, а между новыми поколениями A11 и A12 - уже более 60%.

Дальнейшее уменьшение проектных норм, несомненно, приведёт к ещё большему числу транзисторов на прежней площади чипа. Можно примерно посчитать их количество и ожидаемый прирост производительности:

Техпроцесс 5нм для новых айфонов

Новый iPhone XI, ожидаемый в сентябре 2019 года, получит процессор Apple A13 на техпроцессе 7нм. Но не на таком же, как Apple A12 в 2018 году, а на усовершенствованном, второго поколения, с частичным применением ультрафиолетовой литографии EUV, которую фабрики начали внедрять уже в марте 2019.

Зато в Apple A14 для айфонов 2020 года уже будет новый техпроцесс 5нм, полностью отлитый по технологии EUV (Extreme ultraviolet lithography, экстремальная ультрафиолетовая литография).

Если размер чипа останется прежним и его площадь будет равна примерно 80 мм2 (8мм х 10мм), а полезная площадь составит хотя бы 15%, то можно ожидать более 11 миллиардов транзисторов в процессоре Apple A14 на 5нм техпроцессе. Это 70% прироста вычислительной мощности. И если мы видели 300тыс. баллов в антуту для Apple A12, то Apple A14 вполне сможет показать и 600тыс. баллов. 

Возникает логичный вопрос: а нафига такая мощность нужна? Зачем смартфону вычислительные возможности настольного ПК? Всё равно же они будут простаивать!

 

Куда девать огромные вычислительные способности?

У меня есть пять весомых аргументов, чтобы ответить на этот вопрос. Каждого из них достаточно, чтобы сказать "мм, ну тогда ясно", а вкупе они составляют нерушимое доказательство необходимости такого наращивания вычислительной мощи

1. Распознавание речи на лету.

Более производительная система позволит выделить задачу по распознаванию речи и звуков в отдельный, постоянно запущенный процесс, который не будет полностью нагружать систему, а будет выполняться в фоновом режиме. Постоянное распознавание речи нужно как для голосового помощника, к которому вы будете обращаться всё чаще, так и для прогнозирования ваших действий. Представьте себе, что вы только сказали, что классная картинка, надо бы сфоткать, а смартфон уже запускает камеру и готовит подходящий режим для съёмки! Сам! Автоматически! На основании ваших слов и показателей других датчиков.

2. Интеллектуальное фото и видео.

Продолжая разговор о фото, хотел бы напомнить, что сейчас многие смартфоны выполняют очень хитрую связку действий для получения одной-единственной фотографии: они делают несколько снимков сразу, а потом определённым образом накладывают их друг на друга, чтобы получить идеальную экспозицию и глубину резкости. И это не только режим портретного боке, это уже и ночные снимки, и некоторые другие режимы. Камерам не хватает производительности, чтобы выполнять подобную схему постоянно, при этом доверить интеллектуальной системе смартфона самостоятельно подбирать режим на основании данных об объекте в кадре, освещённости, скорости движения и т.д. Всё это должно выполняться за доли секунды перед тем, как вы нажмёте спуск.

С видео ещё веселее: камерам остро не хватает производительности для улучшения работы следящего автофокуса и цифрового стабилизатора. Имея запас производительности, смартфоны выведут мобильную видеосъёмку на качественно новый уровень, почти дотягиваясь до профессиональной кинооператорской работы. При этом все модные нынче ускорения и замедления кадров, эффекты и фильтры, будут подбираться автоматически или в пару тапов по экрану.

3. Умное позиционирование и геозависимые действия.

Грядёт новая эпоха геопозиционирования, когда благодаря внедрению сетей 5G смартфон научится определять своё местоположение с точностью до сантиметров. Ориентируясь на сигналы десятков устройств вокруг него, имеющих чёткую привязку к своему месту, сравнивая с данными спутника и сигналами сотовых вышек, ваш смартфон будет абсолютно точно знать своё положение в мире. Благодаря этим данным он сможет выполнять те или иные действия, заложенные вами или прогнозируемые умными сервисами. При проходе мимо магазина он будет извещать вас о проходящих в нём акциях. При спуске в метро - автоматически запускать систему бесконтактной оплаты. При заходе в кинотеатр - включать бесшумный режим и т.д. Сотни, а может и тысячи мелких действий, завязанных на позиционирование, будут выполняться в фоне или на ваших глазах, и довольно быстро станут привычными и сами собой разумеющимися. Вы даже не будете знать, что на них тратится процессорное время и мощь производительной начинки вашего устройства.

4. Предзагрузка всего

Вы только собрались почитать ленту новостей - а смартфон уже запустил нужное приложение и предзагрузил ленту на километр вперёд. Вы подумали, что неплохо бы послушать музыку, а смартфон уже включил вам плеер и подсовывает именно те композиции, что вам сейчас хотелось бы услышать. Вы хотите загуглить "яблочный пирог", а смартфон уже об этом знает и готов показать заранее предзагруженную страничку. Магия? Может быть. Но скорее - работа тысяч программистов и неустанный труд множества нейросетей, занимающихся прогнозированием ваших потребностей. Вы, возможно, уже замечали, какие точные варианты вам подсовывает яндекс в поисковой строке? Так вот то же самое скоро придёт и на телефоны. Они будут "чувствовать" ваши желания и выполнять их до того, как вы им о них скажете. 

5. Повышенная автономность

Более тонкий техпроцесс уже сам по себе ведёт к повышению автономности: транзисторы уменьшаются в размерах, их энергопотребление падает, смартфон живёт дольше. Однако, умные системы расхода батареи будут координировать нагрузку на устройство таким образом, что в те моменты, когда смартфон вам не нужен, он будет практически отключаться, оставляя только самое необходимое - уведомления и связь. А когда вам потребуется вся его мощь - включит все ядра, что потребуются. Здесь можно коснуться и работы планировщика, который распределяет задачи между ядрами чипа, и поднять вопрос троттлинга, когда от нагрева процессор начинает замедляться. Я почти уверен, что троттлинг уйдёт в прошлое, так как запаса производительности будет хватать всегда и на всё, а если и нет, то ядра будут отключаться по очереди, не влияя на общий результат.

Я вообще молчу про игры. Понятное дело, что более производительные чипы в первую очередь нужны для запуска более требовательных игр на смартфоне.  

Техпроцесс 5нм видео

 

< Предыдущая		Следующая >