IDF 2009: за горизонтом новых технологий / Аналитика

Сейчас, когда пишутся эти строки, очередной ежегодный Форум Intel для разработчиков - Intel Developer Forum (IDF) 2009, уже закончил свою работу. Позади три дня, «до краёв» насыщенных информацией о новых технологиях, решениях, перспективных идеях и разработках, которые изменят мир в ближайшие несколько лет. По традиции в дни осеннего Форума Intel журналисты получают информацию, которая остаётся, без преувеличения, актуальной на протяжении всего года до следующего IDF. Не был исключением и Форум образца 2009 года. Значительная часть идей Intel, изложенных нам за эти три дня, находится в стадии реализации и массового производства. Другая часть реализована лишь в виде экспериментальных моделей, но очень многое при этом пока что находится лишь в виде перспективных идей и задумок, которые еще предстоит осмыслить. Однако о главных событиях Форума мы начнём рассказывать нашим читателям прямо сейчас. Основной акцент в этой статье будет сделан на новые производственные технологии, на нынешний переход технологического процесса Intel с 45-нм на 32-нм нормы и далее к 22 нм, и даже ещё дальше. Но для начала всё же никак нельзя не упомянуть о ряде новых процессоров и систем-на-чипе, которые были анонсированы в ходе IDF 2009 и ради производства которых, в конечном итоге, разрабатываются все эти технологии.

Массовые 32-нм чипы Intel: в шаге от начала поставок

В этом году Intel отмечает достижение очередных технологических вершин, полностью подтверждающих более чем 40-летнюю актуальность Закона Мура. На сегодняшний день компания находится в завершающей стадии внедрения технологии массового производства с нормами 32-нм техпроцесса и уже опробовала опытный выпуск статической памяти с нормами 22 нм, что по традиции подтверждает практическую пригодность применяемой технологии для нужд выпуска массовой продукции. А это означает, что все сегодняшние разработки компании – процессоры Intel Atom, Core и Xeon, интегрированные чипы (System on Chip, SoC) совсем скоро станут ещё быстрее, компактнее, производительнее и универсальнее.

Живым подтверждением тому стала демонстрация во время Форума работающих систем на базе 32-нм процессоров следующего поколения – Westmere. Помимо того, что чип Westmere действительно является первым процессором Intel, выпускаемым по нормам 32-нм техпроцесса, он также является первым процессором Intel для настольных ПК с интегрированным непосредственно на подложку графическим ядром, а также обеспечивающим поддержку технологий Intel Turbo Boost, Intel Hyper-Threading в сочетании с инструкциями Advanced Encryption Standard (AES). Процессоры Westmere в настоящее время, что называется, «ставятся на конвейер» - пластины для массового производства уже поступают в цеха, а массовые поставки чипов нового поколения ожидаются в четвёртом квартале 2009.

Однако на горизонте - уже новое поколение процессоров для настольных ПК с микроархитектурой Sandy Bridge. Информация об этих чипах пока доступна лишь в общих чертах: процессоры Sandy Bridge, для которых 32-нм техпроцесс изначально будет «родным», будут обладать графическим ядром Intel шестого поколения, изготавливаемым непосредственно на одной кремниевой пластине с центральным процессором. Помимо этого, для микроархитектуры Sandy Bridge будет характерна поддержка набора команд AVX для ускоренной обработки чисел с плавающей запятой и мультимедийного контента, оптимизация под программное обеспечение с интенсивными вычислениями класса обработки медиаданных.

В презентации Шона Мэлоуни (Sean Maloney), исполнительного вице-президента компании и генерального менеджера подразделения Intel Architecture Group, был впервые продемонстрирован прототип системы на базе процессора Sandy Bridge, обрабатывающий одновременно несколько потоков видео и сложное 3-D ПО.

Также в презентации Шона Мэлоуни была упомянута готовность первых прототипов чипов с архитектурой Larrabee, нацеленных главным образом на ускорение графических вычислений. Более того, было озвучено начало поставок первых прототипов Larrabee-систем в адрес ключевых разработчиков. Однако к превеликому сожалению почтенной публики «живьём» Larrabee-система не демонстрировалась – был лишь показан видеоролик, где на этой системе запускалась популярная игра Quake Wars: Enemy Territory в версии с технологией трассировки лучей в реальном времени. Надо полагать, показ Larrabee «во плоти» станет ключевым событием одного из будущих крупных мероприятий Intel, благо производство ядер Larrabee вроде бы назначено на следующий год. Впрочем, также не стоит забывать, что Intel позиционирует Larrabee не в качестве отдельного дискретного чипа, но в виде одной из новых технологий, которая впоследствии будет интегрирована в процессор наряду с другими инновациями.

Также впервые во время презентации была представлена работающая система на базе «геймерского» процессора следующего поколения с кодовым названием Gulftown, который, предположительно, достаточно скоро дебютирует в серии Core i7 Extreme (хотя также полностью не исключено использование бренда Core i9 Extreme). С этим процессором мне повезло больше, поскольку работу системы на базе чипа Gulftown можно было наблюдать в специальной зоне с архитектурными решениями нового поколения. При этом представитель Intel любезно согласился дать мини-интервью и рассказать о результатах тестирования этого нового уникального 6-ядерного 12-поточного процессора, изготавливаемого с соблюдением норм 32-нм техпроцесса. Подробнее этот материал мы уже рассматривали в новости IDF 2009 SF: демонстрация работы Intel Gulftown (Core i9).

Для сегмента высокопроизводительных серверных систем на процессорах Xeon и Itanium компания Intel готовит серверный вариант вышеупомянутого ядра с кодовым названием Westmere-EP, который будет поставляться одновременно с процессорами на ядре Nehalem-EX.

В ближайшем будущем на серверном рынке также появятся новые сверхэкономичные процессоры серии Intel Xeon 3000 с ультранизким напряжением питания, обладающие TDP (Thermal Design Power) порядка 30 Вт. Среди новых идей для серверного сегмента компания также впервые продемонстрировала концептуальное "микросерверное" решение под один процессор. Референсную платформу предполагается использовать для дальнейшей разработки общих индустриальных стандартов микросерверных решений. В качестве подтверждения тезиса масштабируемости современной версии х86 платформы Intel на максимально широкий рынок приложений, компания анонсировала семейство процессоров Jasper Forest на базе архитектуры Nehalem для встраиваемых приложений. Ожидаемые в массовых количествах уже самом начале следующего года, процессоры Jasper Forest будут использоваться в коммуникационном оборудовании, устройствах хранения данных, армейских, авиакосмических и других приложениях, где критичны компактность, производительность, низкое потребление энергии и низкое тепловыделение.

Значительный прогресс достигнут в разработке современных решений для мобильных и ультрамобильных устройств. Так, в рамках Форума впервые были представлены 4-ядерные процессоры Intel Core i7-820QM и Core i7-720QM для производительных ноутбуков, а также мощный мобильный процессор Intel Core i7-920XM Extreme Edition для геймерских решений.

Таким образом, микроархитектура Nehalem наконец-то добралась и до сектора ноутбуков, что на практике означает поддержку Intel Turbo Boost, Hyper-Threading, до 8 Мб кэш-памяти Intel Smart Cache, 2-канальную память DDR3, интерфейс PCI Express 2.0, профиль Intel XMP и утилиту Intel Extreme Tuning Utility в мобильных ПК. Наконец, процессорная платформа Intel Atom для ультрамобильных ПК, интернет-планшетов и медиаприставок. В этой области в ближайшее время также намечается значительный прорыв. Так, уже в начале 2010 года состоится запуск платформы Moorestown, ориентированной на применение в составе лёгких карманных интернет-устройств (MID) и смартфонов. В отличие от нынешних процессоров Atom первого поколения архитектуры Menlow, для чипов с архитектурой Moorestown характерно сверхнизкое энергопотребление: благодаря технологии Distributed Power Gating потребление энергии в режиме простоя снизилось до 50 раз по сравнению с предшественниками! Благодаря использованию транзисторов с High-K диэлектриками с металлическими затворами, 45-нм техпроцессу и интегрированному контроллеру ввода/вывода I/O-PCH Langwell, платформа Moorestown обладает высокой производительностью, достаточной для работы с весьма сложными мультимедийными и интернет-приложениями. Здесь также предусмотрена поддержка режима Bus Turbo Mode для увеличения пропускной способности шины, технологии Intel Burst Performance для подъёма тактовой частоты по требованию, а также многопоточную технологию Intel Hyperthreading и технологию энергосбережения Intel SpeedStep. Для обеспечения непрерывного подключения к интернету платформа Moorestown будет опционально поставляться с модулями 3G/HSPA и/или адаптерами WiMAX.

Далее произойдёт вполне предсказуемый (но не столь простой на практике) перевод аппаратной платформы для сверхкомпактных устройств на нормы 32-нм техпроцесса. Ещё до конца 2010 года свет увидит процессорное ядро Medfield – более компактное, экономичное и производительное, масштабируемое от решений класса смартфонов до интернет-планшетов и нетбуков с новым уровнем производительности.

Наконец, семейство универсальных процессоров класса "система-на-чипе", известное также как медиа-процессоры. Сегодня рынок таких устройств представлен достаточно пёстрым набором аппаратных и программных решений на самых разных архитектурах процессорных ядер, под самые разные программные платформы. Однако с приходом на этот рынок массовых медиа-процессоров Intel на архитектуре x86, поддерживаемой максимально широким спектром операционных систем, бизнес- и бытовых приложений, игр, ситуация может измениться значительным образом.

Серьёзная заявка на передел рынка медиа-процессоров была сделана компанией Intel в дни IDF 2009. Новый медиапроцессор компании - Intel Media Processor CE4100, известный ранее по рабочему названию Sodaville, обладает тактовой частотой до 1,2 ГГц и обратно совместим с чипом предыдущего поколения - Intel CE 3100, однако отличается от него значительно возросшей производительностью и функциональностью. Так, в новом процессоре реализована поддержка технологии Intel Precision View для обработки отображаемых данных с высоким разрешением, технология Intel Media Play для беспроблемной работы с аудио и видео, имеется поддержка аппаратного декодирования до двух видеопотоков HD (1080) видеосигнала, новейших стандартов трехмерной графики и звука. Наряду с этим появилось аппаратное декодирование видео MPEG4, сертифицированное по DivX Home Theater 3.0; имеется интегрированный контроллер NAND-флэш и поддержка памяти DDR2 и DDR3. По традиции, в медиа "системе-на-чипе" Intel присутствует интегрированный дисплейный контроллер, графическое ядро, видеоконтроллер, транспортный процессор, чип безопасности и полный спектр портов ввода/вывода, в том числе SATA-300 и USB 2.0. Уже сейчас чип CE4100 получил достаточно широкую индустриальную поддержку со стороны производителей программного обеспечения, игр, поставщиков интернет-сервисов и услуг телерадиовещания. К примеру, поддержка Adobe Flash Player 10 семейством медиапроцессоров Intel с оптимизацией под воспроизведение графики и H.264-видео появится уже в первой половине 2010 года; имеются широкие планы продвижения видеоигр, интерактивного телевидения, телевиджетов. Что показательно, чип Intel CE4100 выпускается с соблюдением норм 45-нм техпроцесса, но уже совсем скоро – до конца 2010 года, будет представлено новое поколения медиапроцессоров, уже на базе платформы Moorestown. Система-на-чипе на базе Moorestown с рабочим названием Lincroft, будет производиться на базе 45-нм процессорного ядра Atom, интегрированного контроллера памяти, графического адаптера и модуля интерфейсов ввода/вывода с рабочим названием Langwell. Новый чип будет поддерживать стандарты беспроводной связи, сенсор цифровой камеры, интерфейс флэш-памяти и т.д. Комплект также будет включать универсальный Mixed Signal IC (MSIC) чип под рабочим названием Briertown. Медиапроцессорам семейства Lincroft, помимо традиционного применения в составе интернет-приставок и медиа-устройств, также найдётся местечко в составе компактных мобильных интернет-устройств и смартфонов.

Полупроводниковые технологии Intel: от 32 нм к 22 нм и далее

Как бы ни были интересны новости «прикладного» плана – о новых процессорах, компьютерах, сервисах, рассказы о сегодняшнем и будущем дне полупроводниковых технологий в любом случае захватывают дух не меньше. Шутка ли, процессоры, применяемые в большинстве сегодняшних обычных компьютеров, коммуникаторов, телефонов, плееров, построены из миллионов, десятков или даже сотен миллионов транзисторов, «разглядеть» каждый из которых по отдельности по силам далеко не любому современному электронному микроскопу. Что ещё более удивительно, каждый такой транзистор обходится нам при покупке в нанокопейки. При том, что на всё это – на разработку новых экономичных и производительных чипов, на технологические процессы и на оборудование для их выпуска, производителям приходится тратить миллиарды долларов, и непременно делать это регулярно, ежегодно, согласно Закону Мура - невзирая ни на какие кризисы. Иначе затопчут конкуренты. Слово «кризис», кстати сказать, почти не звучало в дни Форума. И действительно, оправдания причинам неудач нужны лишь отстающим. Компании Intel никакие оправдания не нужны, поскольку даже в непростое для индустрии время она смогла сохранить высокие темпы разработки и внедрения в массовое производство новых полупроводников с совершенно новыми технологическими нормами производства. Кстати, для справки: к сегодняшнему дню компания уже поставила более 200 млн процессоров, выполненных с соблюдением норм 45-нм техпроцесса.

Закон Мура, продолжающий действовать на протяжении уже более 40 лет, позволяет Intel поступательно наращивать производительность чипов и постоянно интегрировать новые функциональные возможности в новые поколения процессоров. Ряд ключевых докладчиков IDF 2009, в том числе Боб Бейкер (Bob Baker), старший вице-президент компании и Генеральный менеджер подразделения Technology and Manufacturing Group, и Марк Бор (Mark Bohr), старший заслуженный инженер-исследователь Intel, в своих выступлениях подробно рассказали о производственных проблемах, встающих в процессе перехода на новые технологические нормы, а также об инженерных решениях, позволяющих превратить такой переход из сугубо "механического" масштабирования в шедевр искусства, позволяющий путём применения новых материалов и новых схематических решений добиться дополнительного роста производительности при одновременном снижении энергопотребления. Дополнительные детали о новом 22-нм техпроцессе Intel и перспективных разработках компании в освоении следующего, 15-нм техпроцесса, удалось выяснить в специальном интервью с Марком Бором.

Впервые представленная во время презентации Пола Отеллини (Paul Otellini), генерального директора и президента Intel, 300-мм пластина с работающими чипами, изготовленными с соблюдением норм 22-нм техпроцесса, вновь подтвердила непрерывающуюся актуальность Закона Мура. Микросхемы SRAM, произведённые с применением 22-нм техпроцесса – это массив ячеек памяти ёмкостью 364 млн бит из 2,9 млрд транзисторов, где каждая ячейка SRAM занимает площадь 0,092 кв. мкм или 0,108 кв. мкм (второй вариант специально оптимизирован для работы при низковольтном питании). Также стоит подчеркнуть, что все эти 2,9 млрд транзисторов размещаются на площади размером с ноготь человека, что примерно вдвое больше плотности, достигаемых при работе с 32-нм техпроцессом.

Тестирование новых техпроцессов Intel на чипах памяти SRAM и соответствующей логической обвязке в рамках стратегии "тик-так" можно назвать традиционной "генеральной репетицией" перед следующим прорывом – выпуском процессоров с соблюдением этих норм производства. Проверка на работоспособность 22-нм технологии не стала исключением: пластина с чипами памяти SRAM доказала пригодность нового техпроцесса к массовому производству и надежность получаемых продуктов.

Самое, пожалуй, удивительное во всём этом то, что инженерам Intel для выпуска 22-нм чипов по-прежнему удаётся использовать литографические инструменты, применявшиеся ещё несколько "технологических поколений" назад. Так, 22-нм элементы чипы формируются при литографии экспонированием фотомаски традиционным аргон-фторовым лазером с длиной волны 193 нм. Только представьте себе: 22-нм элементы "рисуются" с помощью 193-нм источника света! Разумеется, традиционные способы экспонирования здесь уже давно не применимы. В своём выступлении и последовавшем затем интервью Марк Бор подтвердил, что переход на 22-нм нормы главным образом заключался в масштабировании разработок предыдущих поколений на новые, более точные нормы производства. Хотя так просто этот переход не дался: для столь прецизионного техпроцесса пришлось разрабатывать сложнейшие многослойные фотомаски с фазовым сдвигом, применять иммерсионную (с погружением в жидкость) фотолитографию с двойным проходом и множество других инженерных ухищрений. И, разумеется, пришлось значительно усовершенствовать технологию создания транзисторов с Hi-K металлическим затвором. При переходе на нормы 22 нм было реализовано уже третье поколение этой технологии.

В время презентации Боба Бейкера приглашённый на сцену Хесус Дель Аламо (Jesus Del Alamo), специалист из Массачусетского технологического института (MIT) вкратце поведал об основных направлениях дальнейшего развития полупроводниковой индустрии, в частности, о перспективах применения элементов III и V групп периодической системы Д.И. Менделеева, о переходе к дизайну транзисторов с ещё меньшим – порядка 0,5 В, напряжением питания, что позволило бы добиться ещё большей экономии расхода электроэнергии.

Впрочем, самые интересные и актуальные с технологической точки зрения откровенности прозвучали в рассказе Марка Бора. Так, заслуженный инженер Intel совершенно уверен, что технологии, применяемые сегодня, будут успешно масштабированы не только на 22-нм техпроцесс, но также и на следующий, 15-нм техпроцесс. По крайней мере, по его мнению, никаких особых сложностей при этом возникнуть не должно. Размеры транзисторов и их компонентов при этом, разумеется, значительно уменьшатся, но всё оборудование, применяемое сегодня, можно будет с успехом использовать и при 15-нм производстве.

В своих выступлениях инженеры - официальные представители производственных подразделений своих компаний, практически никогда не обсуждают процент выхода годных чипов, особенно при переходе к новому техпроцессу, при котором он, разумеется, уменьшается, выравниваясь лишь по прошествии некоторого времени, уходящего на "подгонку" оборудования. Так, в презентациях Intel непременно рисуются лишь восходящие кривые для каждого техпроцесса, без указания каких-либо процентных данных. Однако сложности, безусловно, есть, таковы законы физики. О растущей сложности производства и в какой-то степени зависящем от этого проценте выхода готовых чипов косвенно говорит хотя бы тот факт, что даже при использовании иммерсионной литографии приходится прибегать к двойному проходу.

Одного прохода уже недостаточно для получения чётких дорожек, а двойной проход соответственно снижает общую производительность оборудования и в конечном счёте ведёт к увеличению срока окупаемости инвестиций, даже без привязки к проценту выхода годных кристаллов. Напрямую мы не обсуждали этот вопрос с Марком Бором, однако на мой вопрос о том, почему среди альтернатив традиционным технологиям Intel не спешит применять электронно-лучевую литографию, последовал чёткий ответ: эта технология пока что слишком медленна для массового производства. Таким образом, можно с уверенностью сказать, что по крайней мере для 32-нм техпроцесса нынешняя 193-нм иммерсионная фотолитография фотомасок с фазовым сдвигом более продуктивна, и примерно такой же прогноз можно дать в отношении 22-нм техпроцесса Intel.

Также необходимо отметить, что в своём рассказе Марк Бор высоко оценил нынешние возможности Intel по выпуску фотомасок с фазовым сдвигом. В своё время переход к этой технологии потребовал значительных усилий инженеров и учёных компании, однако сейчас, по словам Марка Бора, технология полностью отработана и переход к новым технологическим нормам не связан с затруднениями с выпуском фотомасок. Примерный срок изготовления комплекта фотомасок сейчас составляет, по оценке Марка Бора, примерно 2 недели. Это очень высокий показатель, судите сами, с какой оперативностью Intel при желании может выпускать новые степпинги чипов или перестраивать производство в соответствии с динамично формирующимися запросами рынка.

Заглядывая далее, в область техпроцессов менее 15-нм, Марк Бор рассказал, что Intel в настоящее время рассматривает различные способы производства чипов, в том числе глубокий ультрафиолет (Extreme ultraviolet lithography, EUV). Не буду пересказывать содержание многочисленных статей о EUV-литографии – за последние годы мы много писали о перспективах этой технологии, однако многочисленные проблемы всё время отодвигали её применение "ещё на несколько лет". Если вкратце, в отличие от нынешнего дальнего ультрафиолета (Deep Ultraviolet, DUV), где применяются источники света с длиной волны 193 нм, EUV-литография базируется на источниках света с длиной волны 13,5 нм. По-хорошему, уже как-то даже неловко называть излучение рентгеновского диапазона "светом", но из песни слов не выкинешь. Такая длина волны значительным образом меняет представление о производственном процессе, поскольку всепоглощающаяся EUV-радиация требует совершенно других условий экспозиции, фотомасок и фоторезистов из совершенно других материалов и так далее. Так вот, среди многочисленных проблем, вставших на пути внедрения EUV-литографии, наиболее сложной проблемой считалось создание 13,4 нм "источника света" с мощностью, достаточной для коммерческого производства чипов, а мощность эта оценивалась на уровне 50-100 Вт. По словам Марка Бора, к настоящему времени удалось решить и эту проблему, так что теоретически путь для использования EUV-литографии уже открыт. Теоретически – потому что, во-первых, коммерческое внедрение такого техпроцесса потребует огромных и отнюдь не одноразовых инвестиций, во-вторых, пока что говорить о стабильности этой технологии ещё рано, и наконец, в-третьих, говорить о временах перехода на технологии менее 15 нм ещё действительно рановато, к тому времени много воды утечёт, не исключено, что удастся найти какие-то неизвестные доселе технологии производства. Кстати, ряд различных исследовательских компаний, таких как SEMATECH и IMEC, уже демонстрировали экспериментальные 22-нм ячейки SRAM, однако по общему мнению индустриальных экспертов и аналитиков, время EUV-литографии вряд ли наступит ранее 2013 года.

Марк Бор также оживился, когда я задал ему вопрос по поводу перспектив внедрения в производство 450-мм кремниевых пластин. Вопрос этот, кстати говоря, достаточно болезненный и постоянно отодвигаемый во всех роадмэпах: при действительно впечатляющем выигрыше от производства чипов на таких огромных по сравнению с нынешними 300-мм пластинами, остро встаёт вопрос многомиллиардных инвестиций в 450-мм оборудование. Помятуя о том, какие деньги приходилось тратить на рубеже тысячелетий первым компаниям, переходившим с 200-мм на 300-мм пластины, переход на 450-мм подложки – дело просто неподъёмное в одиночку. Так оно, в общем-то и есть. По словам Марка Бора, работы по переводу производства на 450-мм пластины ведутся в плотном взаимодействии с двумя другими крупнейшими компаниями индустрии, которым это по плечу – Samsung и TSMC. Разумеется, никаких, даже примерных сроков запуска производства на этих пластинах Марк Бор пока называть не стал, что косвенно свидетельствует о том, что в этой области работ ещё непочатый край.

На этом наша наиболее сложная технологическая часть репортажа с IDF 2009 подошла к концу. Следующий репортаж будет посвящён самым интересным новинкам, представленным в рамках Форума. Оставайтесь с нами!