Apple och Huawei har nått drömgränsen med 7-nanometerchip – kan transistorer ens bli mindre nu?

2018-10-01 06:00  

Med sina 7-nanometerchip når Huawei och Apple en magisk gräns. Men snart sätter fysikens lagar stopp. För att komma vidare måste vi hitta nya sätt att bygga processorer.

Rickard Yu, chef för Huaweis konsumentprodukter, tittar ut över publikhavet på teknikmässan Ifa i Berlin. När Yu höjer handen börjar pressens kameror smattra frenetiskt.

Mellan fingrarna har han vad Huawei hävdar är världens första chip för mobiler med 7-nanometerstransistorer.

Knappt två veckor senare, den 12 september i år, går ärkerivalen Apple till motattack.

Både Huawei och Apple lanserar 7-nanonmeterchip

Under lanseringen av årets nya Iphonemodeller river vice vd:n Phil Schiller ner stora applåder när han presenterar A12 Bionic. ”Branschens första 7-nanometerschip”, enligt Apple.

Kort efter respektive lansering inleds ett pr-krig där Huawei och Apple styvnackat fortsätter hävda att just det egna företaget var först.

Läs mer: Skyhöga priser på nya Iphone – trots få nyheter

För att förstå prestigen kring dessa två färska 7-nanometerschip måste vi gå tillbaka till ett gammalt fenomen inom datorindustrin: Moores lag, döpt efter Intelgrundaren Gordon Moore.

Lagen, i något modifierad form, beskriver hur antalet transistorer kan fördubblas på en viss yta vartannat år. Ju mindre transistorerna är, desto fler får plats på processorerna, vilket i sin tur ökar prestandan.

Under de senaste 50 åren har Moores lag dödförklarats många gånger. Trots det har halvledartillverkarna alltid lyckats hitta nya vägar framåt.

”Utvecklingen mot mindre transistorer planar ut”

Nu börjar tiden rinna ut för Moores lag.

– Sedan 1970-talet har datorutvecklingen byggt på faktumet att industrin har kunnat fortsätta att krympa transistorerna. Men under de senaste åren har utvecklingen planat ut, säger Per Stenström, professor i datateknik på Chalmers.

Den snabba utvecklingen som har ägt rum inom området gör att mobilchipen har kunnat minskas från 22 till10 nanometer på bara några år.

Läs mer: Därför är Iphone XR ett bättre köp än Iphone XS

Men att fortsätta krympa transistorerna efter det har visat sig vara en rejäl utmaning för branschen.

Det svåra steget ner till 7 nanometer har tvingat chiptillverkarna att bygga fabriker som använder helt nya tillverkningsmetoder – som ultraviolett litografiteknik för att laseretsa transistorer direkt på kislet, till exempel.

Övergången har varit extremt kostsam och har fått konsekvenser som få kunnat ana.

Läs mer: Huaweis nya mobilchipp är rena monstret

Till branschens stora förvåning meddelade Globalfoundries, världstrea bland chiptillverkarna, nyss att företaget helt slutar med 7-nanometersutvecklingen.

Skälet ska vara rent ekonomiskt, uppger bolaget.

– Tillverkningsprocesserna blir allt mer avancerade och kostsamma i takt med att man går ner i dimensioner. För att kompensera för högre kostnader måste tillverkarna öka volymen av datorer och smarta mobiler. I takt med att försäljningskurvan planar ut på de områdena måste tillverkarna hitta nya typer av produkter – som smarta klockor eller iot-prylar. Det kan vara ett sätt att skala upp volymen för att fortsätta växa, säger Per Stenström.

6,9 miljarder transistorer på ytan av en tumnagel

Huaweis och Apples nya 7-nanometerschipp innebär att man har lyckats placera 6,9 miljarder transistorer på en yta stor som en tumnagel.

För att sätta den siffran i perspektiv: 2008 packade Intel in 1,9 miljarder transistorer på sin supermikroprocessor Xeon 7400, byggd med 45-nanometersteknik.

Intels skrytprocessor mätte 503 kvadratmillimeter (mm2), vilket kan jämföras med Apple A12 Bionic på 83 mm2.

Läs mer: Apple satsar på att utveckla e-simkort

En annan jämförelse: Fjolårets värstingchip från Huawei – Kirin 970 – var tillverkat med 10 nanometersteknik, och innehöll 5 miljarder transistorer.

Men trots att antalet transistorer har kunnat ökas med 1,9 miljarder sedan i fjol finns inga garantier för att användarna ska märka någon större skillnad, påpekar Per Stenström.

– Övergången till 7 nanometer är viktig, även om vi som slutanvändare kanske inte märker av att mobilerna går snabbare. Men för tillverkarna hela tiden ska kunna fortsätta lägga till ny mjukvarubaserad teknik och smarta funktioner är det absolut nödvändigt att öka prestandan hela tiden. Det driver utvecklingen framåt.

Mindre transistorer kan förlänga batteritiden

Ökad prestanda är inte den enda fördelen med krympande transistorer. Ju mindre transistorerna är, desto mindre ström drar de. Genom att kunna bygga mindre öppnas möjligheten för nya konstruktioner som kan förlänga batteritiden drastiskt på smarta mobiler och surfplattor.

– Att de nya 7-nanometerschipen ger tillgång till miljarder fler transistorer på samma lilla yta gör att tillverkarna kan sänka processorernas klockfrekvens – som bestämmer hur många beräkningar som hinns med per sekund – utan att mobilen för den delen blir långsammare än fjolårets modeller. På så sätt kan stora energibesparingar göras, säger Per Stenström.

Läs mer: ”Huaweis P20 Pro får mig att tänka på mobiltelefonins död”

– Energieffektivitet är inte bara intressant för smarta mobiler utan för alla datorer – och i synnerhet maskiner som används i datorhallar. Där förbrukas enorma mängder energi, fortsätter han.

Ökar risken för fel – och känsligheten för kosmisk strålning

Men allt som glimmar är inte guld. I takt med att chippen krymper ökar risken för fel. Ju mindre och mer tätt packade transistorerna är, desto känsligare blir de för så kallad kosmisk strålning – extremt energirika partiklar från rymden.

Risken för kosmisk strålning ökar i och med steget från 10 ner till 7 nanometer. Det gör att chiptillverkarna måste lägga allt större resurser på att värja sig mot den typen av "soft errors", mjuka fel, som strålningen kan orsaka.

– Att en enda etta ställs om till en nolla på grund av kosmisk strålning kan få stora konsekvenser. Systemen är inte byggda för att kunna hantera den typen av fel. Tillverkarna tar höjd för det, men det är inte säkert att man kan få till en ökning i antalet transistorer som motsvarar minskningen av risken för kosmisk strålning, säger Per Stenström.

Fysikens lagar sätter snart stopp för mindre transistorer

IBM har redan börjat ta fram nya tillverkningsmetoder som banar väg för transistorerna så små som 5 nanometer. Men efter det sätter fysikens lagar stopp.

– Vad jag har hört är det ingen som kan gå ner under 5 nanometer. Jag skulle bli jätteförvånad om miniatyrisering kan fortsätta efter det. Men människans innovationsförmåga är enorm. Det går inte att säga säkert att utvecklingen kommer att stanna av, även om mycket pekar på det.

Läs mer: IBM:s nya chip närmar sig hjärnan

 

För att hitta nya vägar framåt kan vi i stället behöva bygga datorchip och systemkretsar på helt nya sätt. Exempelvis har tillverkarna av datorminnen redan börjat titta på en ny konstruktion som innebär att kiselark med transistorer på staplas i tre dimensioner, ovanpå varandra.

– Minnesindustrin har kunnat bygga på höjden ett tag. Det är en intressant väg framåt, men ställer också stora krav på tillverkarna, eftersom det skapar problem med kylning av lagren som staplats.

Chalmers forskar om att använda transistorer mer effektivt

I sitt forskningsarbete på Chalmers tittar Per Stenström och hans kollegor bland annat på hur man också ska kunna öka datorers och mobiler prestanda genom att använda transistorerna mer effektivt.

– Genom att använda komprimering går det att använda information som sparas i datorminnen mer effektivt. Med hjälp av algoritmer som vi har utvecklat kan informationen packas ned och upp igen betydligt snabbare. På så sätt har vi lyckats frigöra hälften av de transistorer som används av cacheminnet i dagens chip. Den här typen av lösningar innebär att vi kan få ut mer av kretsarna utan att hela tiden behöva lägga till fler transistorer, säger Per Stenström.

Fakta: Krympande transistorer nyckeln till snabbare mobiler

Storleken på transistorerna bestäms av kretsens linjebredd.

I början av 2000-talet mättes linjebredden vanligtvis i mikrometer, men i och med miniatyriseringen av halvledartekniken har transistorstorleken kunnat krympas ner till nanometernivå.

En nanonmeter motsvarar en miljarddels meter.

Kalle Wiklund

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

Här är reglerna för kommentarerna på NyTeknik

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Aktuellt inom

Debatt