Транзистор

7 нм техпроцесс в чипах Померяемся нанометрами? РАЗБОР

13.07.2020 22:18:54 |

Автор: admin

Snapdragon 865, Apple A13 bionic, новый Ryzen от AMD...Отовсюду нам кричат про 7-нанометровый техпроцесс в смартфонах и ПК! Чем это отличается от знакомых 10 и 14 нанометров? Как влияет на батарейку, производительность, нагрев?А тут еще и Samsung с Google анонсируют процессоры на 5 нм, кто-то уже вообще говорит о 3 нм.

А где вообще Intel? Только что еле-еле переползли на 10 нм?

Мы решили узнать, что измеряют эти нанометры? И так ли важно ими мериться или это просто маркетинг? И реально ли Intel так безбожно устарел?

Прежде чем перейти к процессорам в наших смартфонах и компьютерах, немного основ как устроен процессор?

Знакомьтесь это транзистор! Ключевой элемент всех процессоров. Фактически транзистор это переключатель. Ток течет через него это 1, ток не течет это 0. Это и позволяет считать в двоичной системе основа всех процессоров!

Раньше транзисторами были вакуумные лампочки. Условно горит или не горит: единица или ноль.

Таких лампочек нужно было очень много, чтобы всё как-то работало. Например, компьютер ENIAC 1946 года, который участвовал в создании водородной бомбы насчитывал 17,5 тысяч вакуумных ламп и весил 27 Тонн, занимая 167 квадратных метров. При этом он жрал 150кВт электричества.

И тут один из ключевых моментов, на который стоит обратить внимание. Еще раз повторю энергопотребление у этих 17,5 тысяч лампочек составляло 150 кВт.

Но в начале 1960-х случилась революция изобретение и начало производства полевых транзисторов.Как раз у них исходным полупроводником является кремний отсюда и всем известная силиконовая, кхм, тоесть Кремниевая долина!

И тут понеслось! Размеры транзисторов уменьшились настолько, что они стали потреблять существенно меньше электричества и занимать меньше места. И количество транзисторов в вычислительной технике начало увеличиваться с огромной скоростью! А вместе с ним и мощность вычислительных систем!

В первом промышленном процессоре Intel 4004, который был выпущен в 1971 году было 2250 транзисторов.

А сейчас например в A13 Bionic этих транзисторов 8.5 миллиардов это больше чем людей на планете! Ну пока

Но на сколько вообще уменьшились современные транзисторы, насколько они маленькие? Простое сравнение легкое для понимания например, с человеческим волосом!

На его срезе можно разместить почти 1.5 миллиона современных транзисторов сделанных по 7-нанометровому техпроцессу!

То есть у вас на толщине человеческого волосе можно разместить в 4 раза больше транзисторов, чем было в процессоре Intel 4004!

Почему же надо уменьшать? Тут все более-менее очевидно!

Во-первых, чем меньше транзистор тем меньше он потребляет энергии. Вы уже это поняли на примере ламповых.
А во-вторых их больше помещается на кристалле, а значит растёт производительность. Двойная выгода!

И тут мы переходим к понятию техпроцесса или Technology Node что же это такое?

Если максимально упростить, то значением техпроцесса исторически являлась минимальная длина канала транзистора как видно на картинке не стоит его путать с размерами транзистора целиком.

То есть, чем меньше размер техпроцесса тем лучше это нам и пытаются донести компании, но так ли всё просто?

И тут важно другое: транзисторы бывают разные и они отличаются не только по размеру, но и по своей структуре.

Классические, планарные или плоские, транзисторы перестали использоваться относительно недавно в 2012 году. Они уступили место трёхмерным транзисторам, где вытянули канал в третье измерение, уменьшив его толщину и тем самым уменьшив сам транзистор.Такаяструктура называется FinFET они и используются сейчас.

Данная технология очень помогла уменьшить размер транзисторов и главное сильно повысила количество транзисторов на единицу площади, что и является одним из ключевых показателей для производительности!

Но означает ли сегодня понятие техпроцесс тоже самое, что и несколько лет назад?

Во всей индустрии прослеживалась очень важная тенденция каждый следующий техпроцесс был меньше предыдущего на 30%, что помогало удвоить количество транзисторов при сохранение того же энергопотребления например 130*0.7=90 нм, 90*0.7=65 нм, далее до 45 нм, 32 нм, и так далее.

И это пока соответствует Закону Мура:

Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.

Что же стоит за этой игрой чисел?

Мы уже выяснили, что техпроцесс это размер затвора транзистора, то есть длина канала, который пропускает или не пропускает через себя ток и этот размер ключевой!

Но оказывается это истинно, только если мы говорим о старых 32 нм там все точно, хоть линейкой измеряй! И этот параметр был закреплен документально!

Но так было до 2009 года, когда из так называемого Международного плана по развитию полупроводниковой технологии было исключено понятие техпроцесса и его обозначения!

Простым языком цифры указанные в тех процессе сегодня это просто маркетинговый лейбл!

Производители пошли вразнос и начали называть всё подряд 10, 7 и вообще 5 нанометрами, а кто-то уже говорит и о 3 нанометрах! Можно всё это ставить в кавычки, как простое обозначение поколения процессоров!

Вот вам например структура процессора Apple A12, произведенного на заводе TSMC по 7- нанометровому техпроцессу. Обратите внимание на шкалу масштаба в левом нижнем углу.

Если сравнить масштаб и посчитать, то получается, что ширина канала 8 нанометров, при том, что официально процесс называется 7-нанометровым.

Теперь давайте сравним 10-нанометровый процесс у Intel и 7-нанометровый у TSMC.

Кстати, знайте, что сегодня TSMC это компания, которая производит процессоры для AMD, а также делает Apple A13 и Snapdragon 865 поэтому считайте, что мы сравниваем сразу все их чипы.

Обратите внимание на размерность. Сразу видно, что те же 10нм у Intel почти такие же как 7 нанометров у TSMC! Так что выходит Intel не так уж отстали от AMD и других производителей они просто проиграли маркетинговую битву? Тут тоже все не так однозначно!

Внезапно по некоторым параметрам Intel даже выигрывают у TSMC.
Смотрите на 1 квадратный миллиметр 10нм кристалла Intel помещается примерно на 5 процентов больше транзисторов, чем на 7нм у того же Apple, Qualcomm или AMD.

Но при этом у повышенной плотности есть и минусы увеличенный нагрев!

Значит получается что кристаллы Intel мощнее, но за счет плотности они больше греются. Таким образом, мы получаем тот самый пресловутый троттлинг.

А процессоры производства TSMC Apple Qualcomm и AMD выигрывают именно за счет более просторного расположения транзисторов примерно тех же размеров.

Как они это делают это скорее вопрос внутренней архитектуры, а не цифека, которая стоит в названии тех процесса.

Не думайте, что я забыл про архитектуру N7FF+ да она еще плотнее чем у Intel, но если говорить о чипах серия AMD Zen 2, Applу A13, Snapdragon 865 все сделаны на основе TSMC 7FF и она проигрывает в плотностиIntel.

Единственный процессор, который уже производится по новой технологии N7FF+ с использованием экстремальной УФ-литографии это Kirin 990 5G. Тут конечно плотность транзисторов сильно возрастает аж на 15 процентов!

По идее производители просто идут по немного разному пути и если заглянуть в будущее, то становится понятно по какому: вот вам табличка того как все будет чипы следующего поколения.

Нас интересует строчка про плотность транзисторов на 1 квадратный миллиметр!

По этим данным Intel более чем на 30 процентов обходит и Samsung, и TSMC в плотности транзисторов и это при том, что тут мы сравниваем уже 7 нм у одного производителя и 5 у другого.

Откуда такой прирост? Как возможно такое повышение плотности процы просто будут взрываться или работать только с навороченными система охлаждения?

Не совсем так. Все дело в том, что Intel планирует перейти на транзисторы совершенно другой структуры под названием HNS Horizontal Nano Sheets это и позволит сделать скачок!

Но похожие планы есть и у Samsung они идут немного в другую сторону к структуре Gate-All-Around FET.

Вот как это выглядит в реальности не так симпатично, но вы только подумайте о том, какие они маленькие!

В итоге мы поняли, что за маркетинговыми названиями 7 нм и 5 нм скрывается битва архитектур, а в будущем мы сможем выяснить чей же путь был верным.

Что можно сказать абсолютно точно нас ждёт огромный скачок среди всех чипов как мобильных так и десктопных уже в течение ближайших нескольких лет.

На этой ноте не хочется заканчивать тему процессоров, ведь мы изучили немало информации и документов, в том числе разобрались в процессе производства. Например, вы слышали о таком процессе Экстремальная Ультрафиолетовая Литография?Если на пальцах, это какая-то фантастика капля олова превращается в плазму после попадания лазера: именно так создаются современные процессоры. Но сами установки может создавать только одна компания в мире и все гиганты от нее зависят.

Подробнее..

Категории: Apple , Процессоры , Intel , Нанотехнологии , Блог компании droider.ru , Технологический процесс , Техпроцесс , 7 нм , Qualcomm , Snapdragon , Kirin , Exynos , Samsung , Tsmc , Транзистор

Перевод Электробезопасность оптических изоляторов в условиях возможных отказов

21.09.2020 12:22:00 |

Автор: admin

Драйверы затвора с оптической развязкой Broadcom широко используются для управления IGBT в таких приложениях как солнечные инверторы, системы управления двигателями и т.д. Оптическая развязка является проверенной и надежной технологией для обеспечения изоляции между силовым IGBT и цепями управления. Кроме того, оптическая развязка позволяет снизить влияние синфазного шума (CMR) на управляющий сигнал и предотвратить ошибочное закрытие/открытие IGBT.

Для обеспечения работоспособности и сохранения целостности изоляционного барьера следует избегать возникновения на оптической развязке напряжения величиной, превышающей номинальное значение. Однако это довольно сложно организовать при возникновении отказа, вызванного коротким замыканием IGBT. В данной статье описано влияние возможных отказов незащищенных IGBT на изоляционный барьер драйверов затвора с оптической изоляцией компании Broadcom.

Оптическая развязка и структура изолятора

Оптическая развязка в компонентах Broadcom обеспечивает высокий уровень изоляции благодаря изоляционному барьеру, состоящему из трёх слоёв, общей толщиной, превосходящей аналогичный параметр у компонентов на основе других технологий. Три слоя изоляционного барьера представляют собой структуру кремний-полиимиидная пленка-кремний (рисунок 1).

Полиимидная пленка создана специально для того, чтобы противостоять разрушающему воздействию частичного разряда, который может вызвать ионизацию и разрушение изоляционного материала. Уникальные свойства полиимида, заключающиеся в высокой электрической прочности и широком температурном диапазоне работы, позволяют использовать его в компонентах для обеспечения изоляции в широком спектре приложений: от локомотивов и поездов до аэрокосмической техники. Полиимидная пленка, используемая в компонентах Broadcom, имеет диэлектрическую прочность 300 кВ/мм и способна выдерживать температуры от 200 C до + 400 C.

Примером компонента, использующего в своем составе полиимиидную пленку в качестве одного из слоев изоляции, может послужить драйвер затвора с оптической развязкой ACPL-337J. Данный драйвер имеет толщину изолятора (distancethroughsolidinsulation, DTI) 0,5 мм с пиковым значением пробивного напряжения до 1414 В (V_IORM= 1414 V_PEAK) и соответствует стандартам безопасности IEC / EN / DIN EN 60747-5-5.

Стандарт IEC / EN / DIN EN60747-5-5

является промышленным стандартом, разработанным специально для компонентов с оптической изоляцией. Стандарт регулирует температурные и механические требования компонентов, их стойкость к вибрационным воздействиям, влагозащищенность, стойкость к частичному разряду и перенапряжению, а также методики тестирования.

Перед тестированием на частичный разряд, компоненты проходят испытания на соответствие требованиям безопасности входов и выходов микросхемы в течение 72 часов. Тестирование на соответствие требованиям позволяет удостовериться, что ток в контактах, рассеиваемая мощность и температура корпуса не превышают установленные пределы и не способны повлиять на целостность изоляционного барьера.

Перегрузки на участке с оптической развязкой можно избежать при помощи шунтирования источника питания, а также включения в цепь ограничительного диода и резисторов. В то же время перегрузку, вызванную отказом высоковольтного IGBT, таким как короткое замыкание или ложное отпирание транзистора из-за наличия емкости Миллера, можно предотвратить с помощью функции обнаружения падения напряжения насыщения (IGBT DESAT) и функции активного подавлением эффекта Миллера (Active Miller Clamp), которые, в том числе, присутствуют в драйвере ACPL-337J.

В данной публикации, помимо методов защиты, будет описана степень воздействия отказа незащищенного IGBT на целостность изоляционного барьера драйвера затвора с оптической изоляцией на примере компонентов Broadcom.

Режимы отказа IGBT и методы тестирования

Существует три основных причины отказа IGBT, которые могут спровоцировать появление высокого напряжения на оптической развязке и стать причиной разрушения изоляционного барьера:

1) десатурация (выход из насыщения) IGBT

2) скачок напряжения коллектор-эмиттер (VCE)

3) ложное отпирание транзистора из-за наличия емкости Миллера в структуре IGBT. Возможные причины отказов и методы тестирования приведены в таблице 1.

Таблица 1. Режимы отказа IGBT и методы тестирования

Как видно из таблицы 1, драйвер затвора ACPL-337J имеет защитные функции для предотвращения возможных последствий при отказе IGBT: функция обнаружения падения напряжения насыщения (DESAT), Плавное отключение транзистора (Soft shutdown) и функция активного подавления эффекта Миллера (Active Miller Clamp). При проведении тестирования на воздействие отказа IGBT на изоляционный барьер драйвера, данные функции будут отключены. Тестирование включает в себя 3 этапа:

Тест IGBT на короткое замыкание с отключенной функцией DESAT
Повторный тест на короткое замыкание с включенной функцией DESAT
Выброс тока с IGBT в оптическую развязку

Тест IGBT на короткое замыкание

При проведении теста на короткое замыкание для управления затвором IGBT на 1200 В/150 А использовался драйвер ACPL-337J. ACPL-337J обеспечивает гальваническую развязку между высоковольтной и логической частями схемы и был запитан от однополярного 15-вольтового источника питания.

Между коллектором и эмиттером IGBT был подключен конденсатор на 5600 мкФ для создания короткого замыкания при включении питания, а сама цепь запитана от источника 600 В. Вывод DESAT драйвера ACPL-337J был подключен на землю для отключения соответствующей функции защиты и предотвращения автоматического отключения IGBT во время короткого замыкания. Схема подключения драйвера ACPL-337J к IGBT приведена на рисунке 2, в схеме отсутствует ограничительный диод.

Рисунок 2. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения теста на короткое замыкание

При возникновении короткого замыкания, ток эмиттера (I_E) составил 7 кА, транзистор не вошел в режим насыщения (V_CE) и напряжение затвор-эмиттер (V_GE) значительно возросло (рисунок 3), в результате чего произошел перегрев и взрыв компонента. Напряжение затвор-эмиттер также было приложено к изоляционному барьеру ACPL-337J.

Рисунок 3. Замер тока и напряжения IGBT при проведении теста на короткое замыкание

Несмотря на то, что корпус ACPL-337J не был подвержен негативным воздействиям за исключением ожогов, полученных в результате взрыва IGBT (рисунок 4), многие второстепенные компоненты платы драйвера затвора были повреждены и она утратила работоспособность (рисунок 5).

Рисунок 4. Разрушение IGBT после теста на короткое замыкание

Рисунок 5. Плата драйвера затвора ACPL-337J до и после теста на короткое замыкание

После проведения теста на короткое замыкание, драйвер затвора ACPL-337J дополнительно прошел электрические испытания на частичный разряд (1.88 кВ(RMS)/с) и воздействие высокого напряжения (6.2 кВ(RMS)/с) для определения степени повреждения изоляционного барьера. После чего был проведен визуальный осмотр внутренней и наружной части компонента (рисунок 6).

Рисунок 6. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения теста на короткое замыкание

Визуальный осмотр полиимидной пленки не выявил повреждений, а изоляция осталась неповрежденной, что свидетельствует об успешном прохождении теста.

Повторный тест IGBT на короткое замыкание с включенным DESAT

Схема подключения драйвера ACPL-337J к IGBT для проведения данного теста имеет такой же вид, как и в предыдущем испытании, за исключением того, что вывод DESAT драйвера не был замкнут на землю, а оставался в плавающем положении (функция обнаружения падения напряжения насыщения активирована) (рисунок 7).

ACPL-337J будет отключать IGBT при возникновении короткого замыкания в течение 1 мкс. Потребуется от 10 до 20 циклов тестирования с периодом около 2 с, чтобы спровоцировать выброс напряжения коллектор-эмиттер (V_CE) и вызвать повреждения IGBT. После проведения испытания, драйвер ACPL-337J также прошел тест на частичный разряд (1.88 кВ(RMS)/с) и воздействие высокого напряжения (6.2 кВ(RMS)/с).

Рисунок 7. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения повторного теста на короткое замыкание

Плата драйвера затвора утратила работоспособность из-за повреждения второстепенных компонентов, однако визуальный осмотр снова не выявил повреждений полиимидной пленки, что свидетельствует о том, что изоляция осталась неповрежденной (рисунок 8).

Рисунок 8. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения повторного теста на короткое замыкание

Выброс тока с IGBT в оптическую развязку

В данном тесте на выход драйвера затвора ACPL-337J был подан ток с эмиттера IGBT. Транзистор был запущен импульсом 15 В, на входе драйвера затвора поддерживался высокий логический сигнал, а к коллектору IGBT был подключен конденсатор на 5600 мкФ при напряжении шины 600 В (рисунок 9).

Рисунок 9. Схема подключения драйвера затвора к IGBT для проведения теста на воздействие постоянного тока на оптическую развязку

В момент возникновения на затворе IGBT напряжения 15 В, подключенный осциллограф зафиксировал скачок тока на эмиттере величиной около 700 А (рисунок 10). Данный тест является наиболее разрушительным, так как ток напрямую втекал в вывод драйвера затвора, вызывая серьезные повреждения платы.

Рисунок 10. Скачок тока на эмиттере в момент включения транзистора

После проведения испытания, драйвер ACPL-337J прошел тест на частичный разряд (1.88 кВ(RMS)/с) и воздействие высокого напряжения (6.2 кВ(RMS)/с). Визуальный осмотр полииминой пленки также, как и в предыдущих испытаниях, не выявил повреждений (рисунок 11).

Рисунок 11. Полиимидная пленка ACPL-337J после проведения теста на воздействие постоянного тока высокого значения

Заключение

Полиимидная пленка и изоляционный барьер драйверов затвора с оптической развязкой от Broadcom доказали свою надежность даже при высоких нагрузках, вызванных отказом подключенного IGBT (короткое замыкание с включённым и отключенным DESAT, выброс тока высокого значения в оптическую развязку).

Несмотря на то, что платы драйвера затвора в результате испытаний вышли их строя, сами драйверы успешно прошли испытания на частичный разряд и воздействие высокого напряжения, а значит сохранили должный уровень изоляции, способный обеспечить безопасность оператора и оборудования системы. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты испытаний на влияние отказа IGBT на оптическую развязку подключенного драйвера затвора

Компоненты, которые используют альтернативные технологии изоляции (индуктивная и емкостная изоляция) имеют куда меньшую величину изоляционного барьера (менее 17 мкм) и не смогут обеспечить должный уровень безопасности в случае наступления одного из описанных в данной статье режимов отказа IGBT.

Литература
ACPL-337J 4.0 Amp Gate Drive Optocoupler with Integrated (VCE) Desaturation Detection, Active Miller Clamping, Fault and UVLO Status Feedback, Broadcom, AV02-4390EN.