Nya chipframsteg lovar förbättrad batteriets livslängd

Ett par chip-tillkännagivanden idag innebär viktiga förändringar i hur processorer kommer att produceras i framtiden.

Först sade Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp. (TSMC) och ARM att TSMC har tagit fram nästa generations ARM-processor på sin 16nm FinFET-process. För det andra sade Globalfoundries att det har visat stapling av 3D-chip med en process som kallas Through-Silicon Vias (TSV). TSMC-tillkännagivandet visar att gjuteriet är på väg för att få FinFET: er att fungera och att ARM: s 64-bitars kärnor fortskrider, medan Globalfoundries tillkännagivande pekar mot att kunna snabba förbindelser mellan matriser, vilket möjliggör snabbare prestanda.

De flesta observatörer anser att FinFET-processen, som innebär att man använder en vertikal eller 3D-kanal i motsats till den traditionella plana transistorn för att packa fler transistorer på ett chip medan de fortsätter att skala prestanda och kraft, är viktigt för att kontrollera transistorläckage. Således kommer det att göra mer energieffektiva processorer. Det är viktigt eftersom jag tror att vi alla skulle vilja att våra telefoner och surfplattor ska använda mindre energi och ha bättre batteritid.

Intel var först med att producera FinFET-teknik med sin Tri-Gate-teknik och använder för närvarande denna för att göra sina 22nm Ivy Bridge-chips. Common Platform Group, som består av IBM, Globalfoundries och Samsung, sa nyligen att det är på väg att tillverka FinFET på sin 14nm-process 2014 med storskalig produktion sannolikt 2015.

Vid ett senare tillfälle sade Globalfoundries att det har en simulering av en ARM Cortex-A9-kärna med två kärnor, medan Samsung sa att det har skapat en band-out av ARM Cortex-A7, i båda fallen med sina 14nm FinFET-teknologier.

TSMC, världens största oberoende tillverkare av halvledare, hade tidigare sagt att det också kommer att göra FinFETs, i vad det kallar sin 16nm-process. (I likhet med Common Platform Group-metoden verkar detta innebära en förändring i frontend-transistorerna, men håller back-end-processen vid 20 nm.) TSMC tillverkar ett stort utbud av de processorer som används i dagens produkter, inklusive ledande processorer från Qualcomm, Nvidia, Broadcom och många andra. Dagens tillkännagivande sade att TSMC och ARM samarbetade för att optimera Cortex-A57 för FinFET-processen med ARM: s Artisan fysiska IP, TSMC-minnesmakroer och olika elektroniska designautomationstekniker (EDA). Poängen med att bygga dessa skivor är att ställa in TSMC-processen och få feedback om hur FinFET-processen interagerar med arkitekturen.

Cortex-A57 kommer att vara ARM: s första processorkärna för att stödja sin ARMv8-arkitektur och därmed dess första 64-bitars kärna. ARM: s kärnor är integrerade i ett mycket stort antal processorer, inklusive de i nästan varje mobiltelefon, och övergången till 64-bitars borde ge några nya funktioner. I synnerhet arbetar ett antal leverantörer med 64-bitars serverchips med denna kärna medan andra kommer att para den med en lågeffekt Cortex-A53 i framtida applikationsprocessorer för mobiltelefoner. ARM säger att de första processorerna som använde kärnorna A57 och A53 kommer att visas på 28 nm, och man kan förvänta sig att se produktion på 20 nm efter det, sedan en övergång till FinFET-produktion.

I denna första 16nm FinFET-band, ARM säger A57 var mindre än en Cortex-A15 vid 28 nm, vilket är ungefär 6 mm ², även om den erbjuder nya funktioner, till exempel 64-bitars kapacitet. Denna band-out involverade ett högpresterande bibliotek, som använder större celler än som ofta används i mobilchips, och har ännu inte optimerats för processen, så den resulterande kärnan kan bli ännu mindre.

Samtidigt sade Globalfoundries att det har visat sina första fullt funktionella SRAM-skivor som använder TSV: er på sin 20nm-LPM-process (låg effekt för mobil). TSV: er möjliggör 3D-stapling av chips, vilket inte bara minskar det fysiska fotavtrycket utan också ökar bandbredden och minskar effekten. Effektivt integrerar dessa ett ledande material mellan flera lager av kiselform, vilket skapar vertikalt staplade chips. I Globalfoundries "via-middle" -metod sätts anslutningarna eller vias in i silikonet efter att skivorna har slutfört den främre delen av processen, men innan linjens bakre ände startas. Genom att tillverka TSV: erna efter front-end-of-line-processen, som involverar höga temperaturer, kan Globalfoundries använda koppar för vias för att ge bättre prestanda.

Observera att varje via är faktiskt ganska stor jämfört med de typiska funktionerna på en modern processor, mäter i mikron jämfört med nanometrarna som används för transistor produktion. En typisk applikationsprocessor eller grafikchip kan behöva cirka 1000 vias.

Demonstrationen genomfördes vid Globalfoundries 'Fab 8 i Saratoga County, New York.

Återigen är detta viktigt eftersom branschen har pratat om chipstackning under lång tid. Faktum är att Nvidia nyligen sa att sin grafikprocessor 2015, känd som "Volta, " kommer att innehålla staplade DRAM för att förbättra prestandan. Det förväntas allmänt att andra gjuterier också har TSV-erbjudanden.

Som för att demonstrera TSV: s betydelse meddelade ett antal minnestillverkare, tillverkare av logikchips, systemtillverkare och gjuterier i dag att de har nått enighet om en standard för en "hybridminne-kub", som använder flera fysiska lager av matriser för att öka både densiteten och bandbredden i minnet. Jag såg denna produkt först i en Micron-demo på Intel Developer Forum för ungefär 18 månader sedan, men den har nu vuxit till en grupp som heter Hybrid Memory Cube Consortium och inkluderar alla de tre stora DRAM-tillverkarna: Micron, Samsung och SK Hynix.

Den nya specifikationen omfattar kort räckvidd och "ultra kort räckvidd" -anslutningar över fysiska lager, särskilt för anslutningar till logik i applikationer som högpresterande nätverk och test och hantering. Den ursprungliga specifikationen inkluderar upp till 15 Gbps för kort räckvidd och upp till 10 Gbps för ultra kort räckvidd. Gruppen sätter upp ett mål att uppgradera dessa till 28 Gbps och 15 Gbps vid första kvartalet 2014. (UPDATE: Micron säger att det kommer att sampla på minnesfartyg med TSV-teknik under tredje kvartalet 2013, med volymproduktion förväntad under första halvåret av 2014.)

Du kommer inte att se 16nm produkter i år; industrin kommer inte att byta till 20nm produkter förrän i slutet av året eller i början av nästa år. Du ser inte heller processorer som innehåller TSV: er. Varken TSMC eller Globalfoundries gav faktiska produktionsdatum för dessa tekniker. Fortfarande, olika kombinationer av dessa tekniker och andra borde ge några intressanta produkter i slutet av nästa år, eller mer troligt, 2015.