I nuovi progressi dei chip promettono una maggiore durata della batteria

Un paio di annunci di fabbricazione di chip annunciano importanti cambiamenti nel modo in cui i processori verranno prodotti in futuro.

Innanzitutto, Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp. (TSMC) e ARM hanno affermato che TSMC ha registrato il processore ARM di nuova generazione nel suo processo FinFET a 16 nm. In secondo luogo, Globalfoundries ha affermato di aver dimostrato il chip stacking 3D utilizzando un processo noto come Through-Silicon Vias (TSVs). L'annuncio TSMC mostra che la fonderia è sulla buona strada per far funzionare le FinFET e che i core ARM a 64 bit stanno progredendo, mentre l'annuncio Globalfoundries punta ad essere in grado di velocizzare le connessioni tra gli stampi, consentendo prestazioni più veloci.

La maggior parte degli osservatori ritiene che il processo FinFET, che prevede l'utilizzo di un canale verticale o 3D rispetto al tradizionale transistor planare per imballare più transistor su un chip pur continuando a ridimensionare prestazioni e potenza, è importante per il controllo delle perdite del transistor. In questo modo renderà processori più efficienti dal punto di vista energetico. Ciò è importante perché penso che vorremmo che tutti i nostri telefoni e tablet consumassero meno energia e avessero una durata della batteria migliore.

Intel è stata la prima a produrre in serie la tecnologia FinFET utilizzando la sua tecnologia Tri-Gate e attualmente la utilizza per realizzare i suoi chip Ivy Bridge a 22 nm. Il Common Platform Group, composto da IBM, Globalfoundries e Samsung, ha recentemente dichiarato di essere sulla buona strada per produrre FinFETs con il suo processo a 14 nm nel 2014, con una produzione su larga scala probabilmente nel 2015.

In un recente evento, Globalfoundries ha affermato di avere una simulazione di un core ARM Cortex-A9 dual-core, mentre Samsung ha affermato di aver creato un tape-out di ARM Cortex-A7, in entrambi i casi utilizzando le loro tecnologie FinFET a 14 nm.

TSMC, il più grande produttore indipendente di semiconduttori al mondo, in precedenza aveva detto che anche lei produrrà FinFET, in quello che chiama il suo processo a 16 nm. (Come l'approccio del Common Platform Group, questo sembra comportare un cambiamento nei transistor front-end, ma mantiene il processo back-end a 20 nm.) TSMC produce una vasta gamma di processori utilizzati nei prodotti di oggi, compresi i processori all'avanguardia da Qualcomm, Nvidia, Broadcom e molti altri. L'annuncio di oggi ha dichiarato che TSMC e ARM hanno collaborato per ottimizzare Cortex-A57 per il processo FinFET, utilizzando l'IP fisico di Artisan, le macro di memoria TSMC di ARM e varie tecnologie di automazione del design elettronico (EDA). Il punto di costruire questi wafer è ottimizzare il processo TSMC e ottenere feedback su come il processo FinFET interagisce con l'architettura.

Cortex-A57 sarà il primo core del processore ARM a supportare la sua architettura ARMv8 e quindi il suo primo core a 64 bit. I core ARM sono incorporati in una vasta gamma di processori, compresi quelli in quasi tutti i telefoni cellulari, e il passaggio a 64 bit dovrebbe portare alcune nuove funzionalità. In particolare, numerosi fornitori stanno lavorando su chip server a 64 bit utilizzando questo core, mentre altri lo accoppieranno con un Cortex-A53 a bassa potenza nei futuri processori di applicazioni per telefoni cellulari. ARM afferma che i primi processori che utilizzano i core A57 e A53 appariranno a 28 nm e ci si aspetterebbe di vedere la produzione a 20 nm in seguito, quindi un passaggio alla produzione FinFET.

In questa prima uscita a nastro FinFET a 16 nm, ARM afferma che A57 era più piccolo di un Cortex-A15 a 28 nm, che è di circa 6 mm ², anche se offre nuove funzionalità, come le capacità a 64 bit. Questo tape-out ha coinvolto una libreria ad alte prestazioni, che utilizza celle più grandi di quelle spesso utilizzate nei chip mobili e non è ancora stata ottimizzata per il processo, quindi il core risultante potrebbe essere ancora più piccolo.

Nel frattempo, Globalfoundries ha dichiarato di aver dimostrato i suoi primi wafer SRAM completamente funzionali che utilizzano TSV sul suo processo a 20 nm-LPM (a basso consumo per dispositivi mobili). I TSV consentono lo stacking 3D di chip, che non solo riduce l'impronta fisica, ma aumenta anche la larghezza di banda e riduce la potenza. In effetti, questi integrano un materiale conduttore tra più strati di matrice di silicio, creando trucioli impilati verticalmente. Nell'approccio "via-mezzo" di Globalfoundries, le connessioni o le vie sono inserite nel silicio dopo che i wafer hanno completato la parte frontale del processo, ma prima di iniziare il back-end della linea. Realizzando i TSV dopo il processo di front-end-of-line, che comporta alte temperature, Globalfoundries può utilizzare il rame per i via per fornire prestazioni migliori.

Si noti che ogni via è in realtà abbastanza grande rispetto alle caratteristiche tipiche di un moderno processore, misurando in micron rispetto ai nanometri utilizzati per la produzione di transistor. Un tipico processore di applicazioni o chip grafico potrebbe aver bisogno di circa 1000 di questi percorsi.

La dimostrazione è stata condotta presso il Fab 8 di Globalfoundries nella contea di Saratoga, New York.

Ancora una volta, questo è importante perché l'industria parla da molto tempo del chip-stacking. In effetti, Nvidia ha recentemente affermato che il suo processore grafico 2015, noto come "Volta", incorporerà DRAM in pila per migliorare le prestazioni. È ampiamente previsto che anche altre fonderie dispongano di offerte TSV.

Come per dimostrare l'importanza dei TSV, un certo numero di produttori di memoria, produttori di chip logici, produttori di sistemi e fonderie hanno annunciato oggi di aver raggiunto un consenso su uno standard per un "cubo di memoria ibrido", che utilizza più strati fisici di die per aumentare sia la densità che la larghezza di banda della memoria. Ho visto questo prodotto per la prima volta in una demo di Micron all'Intel Developer Forum circa 18 mesi fa, ma ora è diventato un gruppo chiamato Hybrid Memory Cube Consortium e include tutti e tre i principali produttori di DRAM: Micron, Samsung e SK Hynix.

Le nuove specifiche riguardano connessioni a corto raggio e "ultra corto" su tutti i livelli fisici, in particolare per le connessioni logiche in applicazioni quali reti ad alte prestazioni, test e gestione. Le specifiche iniziali includono fino a 15 Gbps per portata breve e fino a 10 Gbps per portata ultra corta. Il gruppo si prefigge l'obiettivo di aggiornarli a 28 Gbps e 15 Gbps entro il primo trimestre 2014. (AGGIORNAMENTO: Micron afferma che campionerà le navi di memoria utilizzando la tecnologia TSV nel terzo trimestre del 2013, con una produzione di volume prevista nella prima metà del 2014.)

Quest'anno non vedrai prodotti a 16 nm; l'industria non passerà ai prodotti a 20 nm fino alla fine dell'anno o all'inizio del prossimo anno. Non vedrai subito neanche processori che includono TSV. In effetti, né TSMC né Globalfoundries hanno dato le date di produzione effettive per queste tecnologie. Tuttavia, varie combinazioni di queste tecnologie e altre dovrebbero produrre alcuni prodotti interessanti alla fine del prossimo anno, o più probabilmente, nel 2015.