Học viện đào tạo trực tuyến Chủ Nhật, 16 tháng 8, 2020 0 No comments

Khi chúng ta nói về SoC trong điện thoại ngày nay chúng ta sẽ nói về dây chuyền 7nm. Tuy nhiên không phải mọi chip 7nm đều giống nhau, ngay cả khi chúng đều cùng được sản xuất bởi 1 công ty (TSMC). Mình đọc được bài giải thích về 7nm này rất hay, viết lại cho anh em đọc chung.

Hiện tại có một số dây chuyền đang được dùng để làm chip 7nm như sau:

TSMC N7: Snapdragon 855, HiSilicon Kiron 990, Apple A12, AMD Zen 2

TSMC N7P: Snapdragon 865, Apple A13

TSMC N7 : HiSilicon Kirin 990 5G

Samsung 8LP: Exynos 9820, Snapdragon 730

Samsung 7LPP: Exynos 9825

Đó, anh em thấy rằng tuy rằng cùng series chip nhưng chúng vẫn có thể được sản xuất bởi các dây chuyền rất khác nhau. Thậm chí có cả dây chuyền 8nm từ Samsung nữa kìa, nó chỉ "to" hơn chỉ 1nm mà thôi.

Ngày nay, con số 7nm không phải là kích thước bóng bán dẫn, cũng không phải là kích thước giữa 2 cực của bóng bán dẫn như ngày xưa. Nó chỉ đơn giản là tên gọi cho dây chuyền sản xuất mà thôi. Số càng nhỏ thì người tiêu dùng sẽ nghĩ rằng nó càng xịn, và nó giúp các hãng cạnh tranh tốt hơn so với đối thủ. Bạn có thể xem ý nghĩa thực tế trong bài: 14nm, 10nm, 7nm... thật sự có ý nghĩa là gì?

Trước khi đi tiếp, anh em cần xem hình này. Nó là lát cắt của 1 bóng bán dẫn, và các kích thước quan trọng khi nói về một bóng bán dẫn hiện đại. Khoảng cách giữa hai cái "vây" (fin) gọi là gate pitch (GP), còn chiều cao của cả bóng bán dẫn gọi là cell height. Còn khoảng cách giữa hai đường nội liên kết (interconnect) trong bóng bán dẫn gọi là minimum metal pitch (MP, hay M1 pitch).

Snapdragon 855 sản xuất bởi 2 dây chuyền 7nm?

TSMC bắt đầu vận hành sản xuất hàng loạt dây chuyền 7nm của mình vào tháng 4/2018. Theo kế hoạch của TSMC, tiến trình 7nm là kế hoạch dài hạn, trước đó là 16nm. Với TSMC thì 10nm là một kế hoạch ngắn hạn trong lúc chuyển đổi từ 16nm xuống 7nm mà thôi.

Như ở trên mình có đề cập, các lô chip 7nm đầu tiên (N7FF - FF là FinFet) được sử dụng trong chip Qualcomm Snapdragon 855, Huawei Kirin 990 hay các chip AMD Zen 2. TSMC nói rằng so với dây chuyền 16nm thì dây chuyền 7nm của họ tăng tốc độ cho chip tối đa 35-40% khi chạy ở cùng mức điện năng, hoặc giảm điện năng tiêu thụ xuống thì có thể tiết kiệm đến 65% so với trước. Đây chỉ là những con số lý thuyết, còn chip thực tế sẽ thấp hơn.

Dây chuyền N7 của TSMC dùng công nghệ deep ultraviolet (DUV - tia cực tím sâu) để khắc ra các bóng bán dẫn khi nhúng miếng silicon vào argon fluoride (ArF). Gate pitch của bóng bán dẫn được giảm xuống còn 57mm, còn interconnect pitch là 40nm. So với các thế hệ trước của chip Intel thì bóng bán dẫn trong chip TSMC nhìn sẽ như thế này.

Lưu ý rằng hình này lấy từ WikiChip, và số liệu của WikiChip cũng như một vài bên đều khác nhau. Ví dụ, TSMC nói dây chuyền 10nm của họ có GP=64nm, MP=42nm, nhưng khi trang TechInsights nghiên cứu kĩ hơn thì họ thấy rằng con số đúng phải là 66nm và 44nm, còn WikiChip thì lấy số 66nm và 42nm. Anh em nhớ để ý vụ này, trong bối cảnh bài này thì sự chênh lệch như vậy là tạm chấp nhận.

Ở dây chuyền TSMC N7, phần rãnh của bóng bán dẫn sử dụng cobalt thay vì tungsten như thế hệ trước nên điện trở của phần này được giảm đi 50%. Chiều dài, chiều rộng của fin cũng thay đổi (nếu bạn vẫn chưa rõ thì fin là phần "vây" trồi lên của bóng bán dẫn trong công nghệ sản xuất FinFET. Nó là phần màu cam trong hình bên dưới, còn phần màu xanh được gọi là gate).

Việc tăng chiều cao của fin sẽ giúp cân bằng hiệu quả của cả bóng bán dẫn trong khi giảm được hiện tượng nhiễu điện, củng cố cường độ dòng điện hiệu dụng (Ieff) và điện dung hiệu dụng (Ceff).

Tuy nhiên, dây chuyền TSMC N7 có hai giải pháp, một cái tập trung vào hiệu năng cao (HP - high performance), một cái tập trung vào việc giảm điện năng tiêu thụ (HD- High Density). Bên dưới là sự khác biệt giữa fin pitch của các thế hệ.

Rõ ràng mật độ bóng bán dẫn của 7nm HP và 7nm HD cũng khác nhau. Dây chuyền N7 HD có mật độ 91,2 MTr / mm vuông (MTr là 1 triệu bóng bán dẫn, như vậy bạn có thể đọc số này là 91,2 triệu bóng bán dẫn trên diện tích 1 mm vuông). Dây chuyền N7 HP thì có tới 65 Mtr / mm vuông. Sự khác biệt rất lớn.

Nếu bạn chưa hiểu được những con số này, đừng lo, bạn có thể hình dung nó bằng cách nghĩ về một số con chip cụ thể:

Năm 2019, Qualcomm nói rằng dây chuyền N7 cho phép con chip Snapdragon 855 có thêm khoảng 30-35% "chip area bonus" (so với thế hệ Snapdragon 845 trước đó dùng dây chuyền 10nm của Samsung), bao gồm các mạch logic, khu vực để chứa SRAM, và các loại IC khác. Nói cách khác, Qualcomm có thể dùng 30-35% đế chip cho những tính năng khác mà không phải làm chip to lên. Qualcomm nói thêm: ở cùng mức tiêu thụ điện, Snapdragon 855 có tốc độ nhanh hơn 10% so với 845, còn nếu giữ tốc độ hai chip như nhau thì Snapdragon 855 dùng ít điện hơn 35%.

Snapdragon 855 có tổng cộng 6,7 tỉ bóng bán dẫn. Nhân CPU của nó được chia làm 3 nhóm:

1 nhân Cortex-A76 (Kryo 485 Gold) chạy ở xung nhịp 2,84GHz

3 nhân Kryo 485 Gold chạy ở xung 2,42GHz

4 nhân Cortext-A55 (Kryo 485 Silver) chạy ở xung nhịp 1,8Ghz

Với cụm 3 nhân 2,42GHz, Qualcomm nói hiệu năng của nó tốt hơn 20% so với Snapdragon 845 ở cùng mức năng lượng, trong khi cụm nhân A55 thì tăng hiệu năng 30%. Tất nhiên, ngoài việc tăng số bóng bán dẫn thì còn phải kể đến sự cải tiến về mặt kiến trúc nữa. Hai thứ này cộng lại mới ra được hiệu năng cao hơn như đã nói ở trên.

Một điều thú vị đó là 1 trong các nhân Kryo 485 Gold được làm bằng dây chuyền N7 HP, còn 2 nhân kia dùng dây chuyền ND. Sự kết hợp này sẽ tăng chi phí đấy, nhưng Qualcomm có ý đồ và muốn như thế. Như vậy, bạn có thể thấy là ngay cả trên cùng 1 con chip thì nhân 7nm cũng chưa chắc đã giống nhau.

N7P và N7

N7 là thế hệ đầu tiên của dây chuyền 7nm mà TSMC sử dụng. Năm ngoái hãng giới thiệu thêm N7P (N7 Performance) là thế hệ thứ hai. Nó vẫn dùng tia cực tím để khắc bán dẫn, và hoàn toàn tương thích với các chip đã từng sản xuất với dây chuyền N7. N7P có thể tăng hiệu năng thêm khoảng 7% ổ cùng mức tiêu thụ điện, hoặc giảm tiêu thụ điện 10% nếu chạy ở cùng tốc độ.

Chip Apple A13 trong iPhone 11 đang dùng dây chuyền N7P, Snapdragon 865 cũng thế.

N7 và N7P thì lại khác nhau. Dây chuyền N7 sử dụng tia cực tín cực ngắn (EUV - extreme ultraviolet) để khắc một số lớp quan trọng trong chip. N7 bắt đầu đi vào vận hành vào nửa sau năm 2019, nó có thể tăng được mật độ bóng bán dẫn lên 1,2 lần, hiệu năng tăng 10% ở cùng mức tiêu thụ điện, hoặc giảm 15% điện nếu chạy cùng tốc độ.

Nói tóm lại, N7 tốt hơn N7P. TSMC nói năng suất dây chuyền N7 của họ gần như tương đương với N7.

Con chip Kirin 990 5G của Huawei được sản xuất bằng dây chuyền N7 này.

Hiện tại TSMC đã giới thiệu dây chuyền N6 (6nm) rồi, nó sử dụng EUV để khắc thêm một số lớp nữa (ít nhất 5 lớp, hiện N7 chỉ là 5 lớp). Tuy nhiên, N6 chỉ là giai đoạn chuyển tiếp, không phải kế hoạch dài hạn. Cũng cần nói thêm rằng kế hoạch của TSMC chôN cũng sẽ khác, vì hai dây chuyền này không tương thích với nhau.

Nguồn: EETimes