הקץ לסיליקון? חוקרים ב-MIT בנו מעבד CPU מננו-צינוריות פחמן

חוקרים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) הצליחו לבנות מעבד CPU המבוסס על טרנזיסטורים שיוצרו באמצעות ננו צינוריות פחמן (Carbon Nanotubes). המעבד קיבל את הכינוי RV16XNano. הפרוייקט פורסם בעיתון המדעי Nature, ועשוי לציין את השלב הבא בייצור שבבי מחשבים, לאחר שתהליך המזעור של טרנזיסטורים נבלם כמעט לחלוטין בגבולות ה-5 וה-3 ננומטר.

ננו-צינוריות פחמן הן מבנה הבנוי מאטומי פחמן בתצורת גרפן (סריג בעל שכבה אחת של אטומים) המקופל לצינור חלול בקוטר של 1-2 ננומטר ובאורך משתנה של עד מילימטרים בודדים. צינוריות הפחמן מאופיינות בתכונות רבות החשובות למעגלים אלקטרוניים פוטנציאליים: הן נצמדות בחוזקה אל פני השטח (בזכות מטענים אלקטרו-סטטיים), נהנות מחוזק עצום ומגמישות, הן מגיבות ברגישות לטמפרטורה ולמטענים חשמליים, ובעלי יכולת פריקה וטעינה של מטענים חשמליים גדולים יחסית.

הפרוייקט בוצע לאחר מספר שנות מחקר שבמהלכן פותח טרנזיסטור FET המבוסס על ננו צינוריות (CNFET). הטרנזיסטורים האלה מהירים בהרבה מטרנזיסטורי סיליקון, והיעילות האנרגטית שלהם גדולה פי 10. אולם בתהליך ייצר המוני קשה מאוד לייצר אותם ללא תקלות. המעבד יוצר לאחר שהחוקרים פיתחו שיטת ייצור המאפשרת לקבל שיעור נמוך מאוד של טרנזיסטורים תקולים.

צינוריות פחמן מתגברות על מגבלות הסיליקון

באמצעות התהליך הם בנו מעבד 16 סיביות מבוסס RISC-V הכולל כ-14,000 טרנזיסטורי CNFET. המעבד הצליח לבצע סדרה של פעולות חישוב סטנדרטיות, כאשר הפלט הראשון שלו היה: “Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs.” השבב החדש הוא פרוייקט המשך למעגל שנבנה לפני 6 שנים, אשר כלל 178 טרנזיסטורי CNFET. "זהו השבב המתקדם ביותר שיוצר באמצעות ננו טכנולוגיות", אמר פרופ' מקס שלוקר, מהמעבדה למיקרו-מערכות ב-MIT. "לסיליקון יש מגבלות, וחומרים המבוססים על ננו צינוריות פחמן יכולים להתגבר על המגבלות האלה".

צילום מוגדל של המעבד RV16XNano. סביב המעבד, הנראה במרכז התמונה, יוצרו גם מעגלי בדיקה לצורך מדידת תקינות הטרנזיסטורים והמעגל. בסוף תהליך הבדיקה, המעבד מופרד ממעגלי הבדיקה
צילום מוגדל של המעבד RV16XNano. סביב המעבד, הנראה במרכז התמונה, יוצרו גם מעגלי בדיקה לצורך מדידת תקינות הטרנזיסטורים והמעגל. בסוף תהליך הבדיקה, המעבד מופרד ממעגלי הבדיקה

כדי להתגבר על קשיי הייצור, החוקרים פיתחו שיטת ייצור בשם DREAM אשר הגיעה לרמת אמינות של 1:10,000. כלומר, טרנזיסטור אחד תקול לכל 9,999 טרנזיסטורים תקינים. במקביל, הם הריצו תוכנת סיולציה אשר זיהתה את המבנים של שערים לוגיים שבהם הטרנזיסטורים פועלים ביעילות ולא גורמים להפרעות הדדיות. במקביל, הם הצליחו לייצר טרנסיטורים מסוג P אשר מתמגים כאשר היחידה הלוגית היא "1", וטרנזיסטורים מסוג N, המתמתגים כאשר המידע הוא "0".

אולם כדי להוכיח את יעילותו, היה צורך לייצר אותו בתהליך תעשייתי. באמצעות מימון של הסוכנות למחקרי ביטחון מתקדמים (DARPA) וחברת Analog Devices, השבב יוצר בקו ייצור סטנדרטי של מוליכים למחצה, על גבי פרוסת סיליקון בקוטר של 150 מ"מ שעליה יוצרו 32 מעבדים. להערכת שלוקר, הפרוייקט הוכיח שמעבדים מבוססי CNFET הגיעו לרמת בשלות תעשייתית. "השאלה לא האם הם יגיעו לשוק, אלא מתי. להערכתנו זה ייקח פחות מחמש שנים".

פרוסת הסיליקון עם 32 מעבדי RV16XNano
פרוסת הסיליקון עם 32 מעבדי RV16XNano

אינטל תייצר מעבדי GPU בתהליך של 7 ננומטר

תהליך הייצור המתקדם ביותר של חברת אינטל (Intel) ישמש בשלב הראשון לייצור מעבדי GPU שייצאו לשוק במהלך 2021, ולא לייצור מעבדי CPU סטנדרטייים. כך גילה השבוע מהנדס הייצור הראשי של חברת אינטל, ד"ר מארטי רנדוצ'ינטלה, ביום המשקיעים השנתי של החברה שנערך ביום ה' בסנטה קלרה, קליפורניה. לדבריו, הטכנולוגיה שאינטל מפתחת תספק שיפור של 20% בביצועים לכל וואט, ותקטין פי ארבעה את מורכבות הפיתוח.

המוצר המרכזי שייוצר בטכנולוגיה החדשה הוא מעבד GPU כללי הבנוי בארכיטקטורת Xe ומיועד לשימוש במרכזי נתונים בעיקר ליישומי בינה מלאכותית וליישומים התובעים עוצמת מחשוב גדולה. המוצרים הראשונים מהסדרה הזאת צפויים לצאת לשוק בשנת 2021. מבחינת אינטל מדובר במהלך אסטרטגי המיועד למצב אותה כמתחרה מרכזית בשוק מעבדי ה-GPU.

היא נערכת זמן רב לתחרות על השוק הזה, שאותו מובילות כיום החברות AMD ואנבידיה. בנובמבר 2017 היא צרפה אליה את ראג'ה קודורי, ששימש כארכיטקט הראשי של המעבדים הגרפיים בחברת AMD, ומינתה אותו לסגן נשיא ולארכיטקט הראשי של קבוצת Core and Visual Computing החדשה.

ד"ר מארטי רנדוצ'ינטלה. המעבר ל-7 ננומטר יתחיל בתחום ה-GPU
ד"ר מארטי רנדוצ'ינטלה. המעבר ל-7 ננומטר יתחיל בתחום ה-GPU

בכנס הארכיטקטורה של חברת אינטל שנערך בדצמבר 2018 הסביר קודורי את אסטרטגיית המוצרים החדשים של אינטל. בניגוד לעבר, היא לא תתבסס על מעבדי CPU, אלא על שילובים של שישה מרכיבים: תהליכי ייצור מתקדמים; ארכיטקטורה מגוונת הכוללת GPU, CPU, FPGA, מאיצים ומארזים חדשים; טכנולוגיות זכרון חדשות כמו Optane למשל; פתרונות קישוריות בין מעבדים; אבטחה וכלי תוכנה לפיתוח מוצרים חדשים.

הרחבת מגוון המוצרים בטכנולוגיית 10 ננומטר

במקביל, היא נערכת להעברת חלק גדול מהייצור לתהליך של 10 ננומטר. מהלך שיתחיל בחודש יוני, עם תחילת הייצור ההמוני של מעבדי CPU בפלטפורמת Ice Lake, כדי שיוכלו להיכנס למחשבים האישיים החדשים שייצאו לשוק בסוף 2019 (עונת החגים). במהלך השנה הקרובה (2019-2020) אינטל תרחיב את מגוון המוצרים המיוצרים בטכנולוגיית 10 ננומטר: דגמים נוספים של מעבדים למחשבים אישיים ולשרתים, מעבדי הסקות לבינה מלאכותית (AI inference processor) ממשפחת Nervana, מעבד GPU לשימושים כלליים, רכיב תקשורת 5G ואת משפחת רכיבי Agilex FPGA החדשה (בתמונה העליונה).

רכיבי Agilex ייצאו לשוק במארז 3D SiP, המאפשר לשלב ברכיב אחד את ליבת ה-FPGA ביחד עם מעגלים אנלוגיים, מעגלי זיכרון, ממשקי קלט/פלט, ואפילו את ליבת ה-structured ASIC של חברת eASIC, שאותה אינטל רכשה בחודש יולי 2018. אסטרטגיית ה-FPGA של אינטל מיושמת בקבוצת Programmable Products Group. בשנת 2018 היוו מכירות הקבוצה כ-3% מכלל המכירות של אינטל, כלומר כ-2.12 מיליארד דולר (מתוך היקף מכירות כולל של כ-70.8 מיליארד דולר).

מחסור במעבדי אינטל עשוי לפגוע במכירות מחשבים וזכרונות

בתמונה למעלה: מחשב נייד המצוייד במעבד Intel® Core i9. צילום: אינטל

המחסור במעבדי CPU של אינטל (Intel) צפוי לפגוע במכירות של מחשבים ניידים ואולי אפילו לדחוף לירידה במחירי הזכרונות. כך מעריכה חברת המחקר TrendForce בדו"ח חדש על שוק הזכרונות. החברה מסרה שבמקור תכננה אינטל להתחיל כבר ברבעון השלישי השנה בייצור המוני של מעבדים מפלטפורמת Whiskey Lake החדשה, לקראת עונת השיא של מחשבים ניידים. אלא שיצרני המחשבים הניידים דיווחו לה שהם נתקלים במחסור במעבדים, אשר פוגעים בתוכניות הייצור והאספקה של מחשבים במחצית השנייה של 2018. "לכן אנחנו מעריכים שהיקף המסירות של מחשבים ניידים יירד השנה ב-0.2% בהשוואה לשנה הקודמת, כאשר המחסור במעבדים צפוי להשפיע על שוק הזכרונות כולו".

עדיין לא ברור לגמרי מדוע יש מחסור במעבדים מתוצרת אינטל, מכיוון שהמחסור מורגש גם במעבדים המיוצרים בתהליכי 14 ננומטר בפלטפורמת Coffee Lake, שהייצור ההמוני שלהם החל לפני כחצי שנה והם נחשבים לאחד מהפתרונות הנפוצים בשוק המחשבים המרכזי. להערכת החברה, שפער האספקה של מעבדי CPU צמח מ-5% בחודש אוגוסט ל-5%-10% בחודש ספטמבר. "קיימת אפשרות שהפער יהיה גדול מ-10% ברבעון האחרון של השנה, ויימשך ככל הנראה עד למחצית הראשונה של 2019".

לדבר הזה תהיה השפעה על מחירי הזכרונות, הנמצאים כיום ברמת שיא לאחר תשעה רבעונים רצופית של עליות מחירים. לאחרונה העריכה DRAMeXchange, שהיא מחלקת הזכרונות של TrendForce, שהמחירים צפויים לרדת בכ-2% ברבעון האחרון של 2018 מכיוון שהשוק מתחיל להתקרב למצב של אספקת-יתר, אולם כעת תיתכן ירידה גדולה יותר במחיר, מכיוון שהמחסור במעבדים מצמצם את הדרישה לזכרונות DRAM המותקנים במחשבים. במקביל, התופעה צפויה להשפיע גם על שוק ה-NAND Flash, מכיוון שהירידה במכירות מחשבים יביאו לירידה בייצור של כונני SSD עבור המחשבים. 

שוק השרתים מתנהג בצורה שונה: בשוק הזה מתנהל כיום מעבר מהשימוש בפלטפורמת המעבדים Grantley של אינטל לפלטפורמת Purley של החברה. חברת המחקר מסרה שמהבדיקה שלה עולה שרק חלק קטן מאוד מהיצרנים מתמודדים עם התארכות זמני האספקה של מעבדי Purley. החברה מתכננת לעקוב מקרוב אחר המצב בשוק השרתים, מכיוון שהשפעתם על המכירות של רכיבי NAND Flash ו-DRAM גדולה בהרבה מזו של שוק המחשבים הניידים.

מאינטל נמסר בתגובה: "אנו עומדים בלוח הזמנים לאספקת הדור החדש של מעבדי אינטל Core U – סדרת מעבדים למחשבים ניידים המתוכננים לקישוריות מהירה, ומתואמים ללוח הזמנים של יצרניות הציוד המקורי (OEM) בסתיו הקרוב. אנו ממשיכים לתעדף את הייצור של מעבדי Xeon ו- Core במקביל להמשך העבודה שלנו כדי לעמוד בביקוש הגדול של הלקוחות למוצרי אינטל."