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PUCES ÉLECTRONIQUES

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Gravure

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Présentation de cette page		Sommaire de cette page
Taille de la gravure des puces électroniques & Quantité de transistors sur un circuit intégré		>>> Point juillet 2018 >>> Puces en 2017 >>> Intel 2013 >>> Actualités 2007 >>> Gravure – Historique >>> Performances >>> Évolution 2006 – 2007 >>> Anglais

Voir Ordinateurs

LITHOGRAPHIE

des puces des circuits intégrés, des microprocesseurs

Technologie 2021: Intel est toujours à 7nm alors que le fondeur taïwanais TSMC annonce déjà produire la gravure à 4 nanomètre).

En début 2020, AMD maitrise cette technologie (architecture Ryzen 4000); pas encore pour Intel, lequel cependant domine toujours le marché.
Intel 76,6 % du marché et AMD: 22,4%.

Technologie atteinte en 2018: 7 nm (nanomètres); objectif 5 nm pour 2020/21.

Le point en juillet 2018
Depuis la fin de 2017, les fabricants asiatiques ont sorti presque simultanément les premiers microprocesseurs gravés en transistors de 10 et 7 nanomètres ; c'est-à-dire 10 et 7 milliardièmes de mètre de largeur. Les tout derniers microprocesseurs dépassent 10 milliards de transistors et réalisent plus de 10 000 milliards d'opérations par seconde ! Les Asiatiques fabriquent en ce moment même les puces A12, gravées en 7 nanomètres, pour le prochain iPhone de septembre 2018, et celui de 2020 serait équipé des puces du taïwanais TSMC gravées en 5 nanomètres. TSMC vient d'annoncer un investissement de 25 milliards de dollars pour industrialiser ces microprocesseurs gravés en 5 nanomètres.	De son côté, le sud-coréen Samsung a annoncé en mai dernier la construction d'ici à 2022 d'une usine pour fabriquer des puces gravées en 3 nanomètres : chaque transistor fera de 10 à 15 atomes de largeur et sera 30 000 fois plus fin qu'un cheveu. L'investissement pour construire l'usine, qui sera la plus coûteuse jamais bâtie sur la planète, dépassera 20 milliards de dollars. Présenté le 8 juin 2018, le Summit américain est désormais l'ordinateur le plus puissant du monde avec ses 122 millions de milliards d'opérations par seconde contre 93 millions de milliards pour le Sunway TaihuLight chinois, qui a perdu la place de leader.

Source: L'Express - Laurent Alexandre – 12/07/2018

En 2019 (10 nm pour la 10^e génération) – Nom de code: Ice Lake

Microprocesseurs Inter Core fin 2017

Intel Core i9 7980 XE de fin 2017 atteint une épaisseur de gravure de 14 nm (nanomètres ou millième de microns).

Processeur 64 bits

18 cœurs et 36 threads (Files ou tâches d'exécution entrelacées, avec partage de la mémoire).

Fréquence: 2,60 GHz (turbo: jusqu'à 4,2 GHz)

Cache: 24,75 MB (mégaoctets)

Bus: 4 x 8 GT/s (giga transferts par seconde)

Enveloppe thermale: 165 W (TDP: Thermal Design Power)

Prix de vente: 2150 €

Voir 14 nm lithography process – Wiki / 14 nanometer – Wikipedia

2 10^10 transistors par puce en 2017
Quelques nanomètres (nm) d’épaisseur pour la gravure. La taille d’un brin d’ADN ou de dix atomes de carbone3. Quelques mm² pour la puce. Trentaine de centimètres carrés pour le wafer, un disque en silicium. Proche des 20 milliards de transistors pour les super-puces en 2017, comme: Epyc, d’AMD, aux 19,2 milliards de transistors gravés en 14 nm sur quatre fois 192 mm², 3,2 GHz, 32 cœurs; GV100 Volta, de Nvidia, aux 21,1 milliards de transistors gravés en 12 nm sur 815 mm². Les usines doivent investir des sommes colossales Conditions: salle blanche sans poussière, sans vibrations, sans variation de température ou d'humidité.	La loi de Moore (doublement du nombre de transistors par puce tous les deux ans) est toujours d'actualité; certains prédisent qu'elle va résister jusqu'en 2021. Les puces des Smartphones sont à 14 nm voire 10 nm. Passer à 7 nm nécessite d’investir 500 millions de dollars rien que pour le design, auxquels il faut ajouter autant pour la fabrication – D'après Jean-Eric Michallet du CEA Leti. GlobalFoundries et Samsung préparent avec IBM la gravure en 5 nm d’une puce en 3D atteignant 30 milliards de transistors.  La première puce d'Intel en 1971, le microprocesseur 4004: 2 300 transistors sur 12 mm². gravure à 10 µm (10 000 nm).

Voir Nombre 20 milliards / Puissance de calcul

D'après: L’infiniment petit se chiffre en milliards de dollars - Le Monde économie - 04.12.2017 - Charles de Laubier

Voir site – Description du processeur GV100 sur HARDWARE.FR

ARCHIVES

Intel 2013
Puce Xeon Phi 7100 1,2 téraflops en double précision par seconde 61 cœurs 16 Go de mémoire 14 nm de largeur de gravure architecture dite: Many Integrated Core: MIC)

Voir Supercalculateur en 2013

Presse de juin 2013

Actualités 2007
100 GHz Le transistor le plus rapide en 2010	Technologie utilisant du graphène. Solution pour remplacer le silicium dans des puces miniatures et rapides.
45 nm Prototypes de puce 26 janvier 2007 Intel	Intel a réalisé cinq prototypes Nouvelle technologie d'isolant pour transistors à base d'hafnium Elle permet de limiter la température des puces Densité des transistors est multipliée par deux Gravure passe de 65 à 45 nanomètres 1 nm ou 1 nanomètre = 1 millionième de millimètre = 10^-9 m Taille d'un virus environ 1 nm d'une bactérie 1 µm du globule rouge 7 µm

Presse de février 2007

Finesse de gravure - historique

INTEL

Taille en nm	180	130	90	65	45	32	22	14	…	5
Introduction	1999	2001	2003	2005	2007	2010	2012?	2013		2018?
Basculement*				2006	2008
Cœurs				2	4	2,4,6

*Basculement: la production de la nouvelle technologie dépasse celle de l'ancienne

Sites Internet - février 2007

PERFORMANCES des PUCES
Fréquence d'horloge Courante en 2007 Annoncée	2 à 3 GHz 5 GHz	La course à la cadence d'horloge s'est assagie depuis 2001 pour AMD et 2004 pour Intel Elle tend à se maintenir pour les serveurs haut de gamme
Performance électrique Courante en 2007 Objectif Intel 2010	7 à 21 W 0,5 W	Nouvel axe de progrès pour Intel: la consommation électrique de la puce ou la performance par watt Objectif multiplier par dix cette performance Passer de 7 à 21 W pour un Pentium M à 0,5 W
Finesse de la gravure Courante en 2007 Objectif Intel 2011	65 nm 22 nm	En 10 ans la taille de la gravure sur les circuits intégrés va passer de 200 nm (0,2µ) à 20 nm
Quantité de transistors Courante en 2007 Record en 2007	1 milliard 1, 7 milliard	La loi de Moore ne se dément toujours pas en 2007 Pentium 4 E (Prescott): 125 millions de transistors (90 nm) Penryn: 1 milliards de transistors: en fait, le double cœur d'Intel compte plus de 400 millions de transistors et le quadri cœur, plus de 800 millions Le Montecito (65 nm) successeur de l'Itanium: 1,7 milliard de transistors
Mémoire SDRAM En 2000 – Pentium En 2007 – Penryn	18 Mbits 153 Mbits
Mémoire cache (L2)	2 Moctets
Prix des puces	400 à 1300 $
Mémoire DRAM Annoncée en 2007	1 Gbits	Puce mémoire DRAM (dynamic random access memory) Utilisée notamment dans les appareils mobiles

!!! Le seul but de ce tableau est de donner des ordres de grandeurs; voir les sites indiqués pour références

Les principaux fabricants de semi-conducteurs

AMD

Freescale

IBM

Infineon

Intel

NEC

Renesas

Samsung Electronics

STMicroelectronics

Texas Instrument

Toshiba

TSMC

Gravure des puces électroniques Évolution à partir de 2006

Intel	Le «  Core Duo », puis Le « Core 2 Duo » d'Intel, baptisé: Conroe Core 2 Duo - 65 nm - 291 millions de transistors	début 2006 juillet 2006
Intel	Processeur Clovetown Quadruple cœur formé de deux matrices physiques, puis une seule chacune dotée de deux cœurs 4 Mo de cache 2 GHz Taille de la gravure 45 nm	avril 2006
Intel	« Core 2 Extreme quad-core » Une puce contenant quatre processeurs Intel va commercialiser, dès novembre, ses premières puces pour PC comprenant quatre processeurs Nette de la puissance de calcul des ordinateurs	sept 2006
Samsung Electronics	Première puce mémoire DRAM – Production mi 2007 Gbit Utilisation: téléphones mobiles, appareils photo numériques, consoles de jeux portables ou baladeurs multimédias. En 2006 les téléphones mobiles haut de gamme comptent deux puces de 512 Mbits	déc. 2006
AMD	Quatre Athlon 64 X2 EE (Energy Efficient) Finesse de gravure de 65 nm Modèle 4000: 2,1 GHz Modèle 4400: 2,3 GHz Modèle 4800: 2,5 GHz Annoncés Modèle à 2,8 GHz et à 3 GHz	déc. 2006
Intel	« Core 2 Quad », à quatre processeurs Montés sur PC grand public	début 2007
IBM	Puce pour serveur haut de gamme Ø Power 5: jusqu'à 2,3 GHz - Actuel Ø Power 6 : 5 GHz - Commercialisation prochaine Intel annonce 4 GHz Coures au Gigahertz Toujours d'actualité pour les PC de serveurs: le 5 GHz arrive Abandonnée depuis 2004 pour les PC de bureau: fréquence usuelles de 2 à 3 GHz	début 2007
Intel	Penryn, nom du successeur des Core 2 Duo “Conroe” Finesse de gravure à 45 nm Fréquences de 3 à 4 GHz	janvier 2007

Intel

Point sur politique produit Intel 90 nm: en réduction drastique 65 nm - Conroe: produit phare 45 nm - Penryn: en cours de lancement Du Conroe au Penryn Même architecture mais en modèle réduit du coeur existant (die-shrink: rétrécissement de matrice) Passage à une finesse de gravure de 65 à 45 nm Grâce à l'utilisation de transistors à grille métallique (metal gate) et d'isolants à "haute" constante diélectrique (high-k) L’association de ces deux nouveaux matériaux permet de réduire d’un facteur 5 les fuites de courant au travers du transistor (entre la source et le drain) et d’un facteur 10 les fuites de courant au travers de l’isolant, et donc de réduire la consommation globale du processeur Gains Deux fois plus de transistors dans la puce par rapport à une gravure en 65 nm Augmentation de 20 % de la fréquence de fonctionnement de la puce Réduction de 30 % sa consommation Shuttle test: nom de la puce de test de janvier 2007, 1 milliard de transistors 400 logent sur la surface d’un globule rouge Inclus 153 Mbits de SRAM (Static Random Access Memory) – 18 Mbits sur les puces de l'an 2000 Nec et Toshiba sont aussi en lice pour la course à la finesse de gravure

février 2007

IBM	Chartered Semiconductor Manufacturing vient d’annoncer l’extension de son partenariat avec IBM à la production de CMOS gravés en 32 nm	février 2007
AMD	Opterons est prévue pour le mois de juin 2007 Opterons à quatre cores Gravure en technologie 65 nanomètres 2,3 GHz	juin 2007
Toshiba Sandisk	Mise au point de puces de mémoire flash NAND capacités de 8 et 16 Gbits (soit 2 Go) Gravés en 56 nm Prototypes 8 Gbits sortis en fin 2006 Commercialisation 8 Gbits prévue pour début 2007 La version 16 Gbits: fin du premier trimestre 2007	jan 2007
Sony Toshiba IBM (STI)	Processeurs Cell nouvelle génération 65 nm 6 GHz Alimentation 1,3 volts Équipe la Playstation 3 de Sony avec 4 GHz. Existait déjà en 90 nm et 3,2 GHz	février 2007
Intel	Production des puces à 45 nm	2 Sem 2008
Intel	Objectif 32 nm Principal problème à régler: la permissivité électrique	2009
IBM	Technologie de photolithographie à ultraviolet extrême Les ultraviolets ont une longueur d’onde de 157 nm Gravure 32 voire 22 nm	2010

ENGLISH Corner
Multi-core processors Dual-core processor Quad-core processors Desktop and mainstream servers A manufactured die Reducing the die size Transistor density Transistor count	Intel has announced that it has made a significant breakthrough in manufacturing technology with the development of high-k, metal gate transistors using its 45 nanometre process node Gordon Moore, co-founder of Intel Corporation has stated (January 2007) that “the implementation of high-k and metal materials marks the biggest change in transistor technology since the introduction of polysilicon MOS transistors in the late 1960s.” According to Moore’s Law: the transistor density on integrated circuits doubles roughly every eighteen months – this has been the case for over 40 years now

Richard Feynman (1918-1988) et sa tête d'épingle
Encyclopédie Brittanica Tête d'épingle: 1,5 mm de diamètre. Surface des pages de l'encyclopédie: 25 000 fois plus grande que celle de cette tête d'épingle. En réduisant l'encyclopédie d'un facteur 25 000, toute l'encyclopédie tiendrait dans la tête d'épingle. Est-ce physiquement réalisable en conservant toute l'information? Pouvoir de résolution de l'œil: point de 0,2 mm (1/120 inch) de diamètre.	Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin? Article complet (pdf)
Réduit par 25000: 0,2 10^-3 / 2,5 10^4 = 8 10^-9 = 8nm = 80 angströms. Sur cette dimension: alignement de 32 atomes de métal ordinaire ou 32 x 32 1000 atomes dans la surface d'un tel point (800 si un disque). Dimension autorisant la photogravure. Bilan: il est possible de mémoriser toute l'encyclopédie sur la surface d'une tête d'épingle tout en conservant l'information. Encyclopédie Universelle Tous les livres du monde: 24 millions de volumes. Quantité de bits pour les coder: 10^15 Mémorisation en volume (et non plus en surface). À raison de 100 atomes par bit d'information. Tous les livres du monde teindraient dans un cube de 0,51 mm (2/100 inches) de côté, soit un grain de poussière. Calcul 10^15 bits x 100 atomes /bits = 10^17 atomes à loger Côtés du cube: 10^17 = 100 x 10^15 = 4,64 10^5 atomes sur un côté. Dimension du côté: 4,64 10^5 x 2,5 10^-10 = 1,16 10^-4 = 0,116 mm Inversement, en prenant le résulta de Feynman: 0,51 mm Quantité d'atomes par côté: 0,51 10^-3 / 2,5 10^-10 = 2,04 10^6 Quantité d'atomes dans le cube: (2,04 10^6)^3 = 8,5 10^18 Quantité de bits mémorisés: 8,5 10^18 / 100 = 8,5 10^16 bits Rapport volumique entre les deux dimensions: (0,51 / 0,116)^3 = 85 Feynman, si mon calcul est juste, aurait même surestimé son grain de poussière.

Voir Bibliothèque Univers

NANOSECONDE – LUMIÈRE

En 1 ns la lumière parcourt: 30 cm. Cette longueur est voisine de la taille des circuits électroniques de nos ordinateurs. Ce fait semble limiter de manière incontournable la vitesse que peuvent atteindre les ordinateurs. Comparaison: Soit un cube de circuits intégrés de 30 cm de côté et l'utilisation d'une technologie de gravure des circuits à 0,5 micron. Supposons un rendement de 0,5 (place pour les interconnexions et autres servitudes). Admettons environ 1 000 gravures pour réaliser tous les transistors nécessaires à l'implémentation d'une opération élémentaire (addition, opération logique, etc.). Nous pouvons calculer l'ordre de grandeur de la puissance de ce bloc de circuit: = 1/2 (0,3)^3 / ( (0,5 10^-6)^3 x 10^3) = 1/2 27 10^-3 / 0,125 10^-18 x 10^3) = 108 x 10^12 = 10^14 opérations par seconde. Soit 100 000 fois plus que les circuits les plus puissants en service en 1995. Voir Puissance de calcul

PICOSECONDE - COMMUTATION ÉLECTRONIQUE – vers années 2000

10^-12 s = 1 ps = une picoseconde Temps de commutation de l'interrupteur électronique le plus rapide. 10^-3 s = 1 ms = une milliseconde Propagation d'un signal par le système nerveux Correspondant à 100 m/s sur 10 cm Le fait que le cerveau accomplisse de nombreuses opérations plus rapidement que les ordinateurs actuels tient, non pas à la vitesse de ses composantes individuelles mais à la supériorité de la conception des circuits. Voir Loi de Moore

Suite	Gravure des puces (archives – les Pentium …) Loi de Moore Histoire de l'électronique
Aussi	Cadence d'horloge Coût Microprocesseur Coût Microprocesseur Coûts du Bit Industrie informatique Jack Kilby Loi de Moore Microprocesseurs Microprocesseurs Microscope Puissance de calcul Puissance de calcul comparées Records Transistors Transistors Transistors dans le monde Transistors sur une puce
Sites	Presence-PC. com – Actualités Intel - Wikipedia
Cette page	http://villemin.gerard.free.fr/Multimed/Gravure.htm

Archives

En 1997

IBM annonce qu'il sait marier silicium et cuivre et songe intégrer 150 à 200 millions de transistors sur une seule puce, 30 fois plus que ce qui existe en 1997!

En 1998

La nouvelle puce Intel, Merced, contient 15 millions de transistors.

Celle d'IBM sera pour les générations suivantes.

Archives

CADENCE D'HORLOGE

Fréquence et temps de cycle

1996		100	MHz	=>	10		ns
1998		300			3	,3
1999		800			1	,25
2000	1		GHz		1
2002	2				0	,5
2003	3				0	,33

 Mégahertz & Gigahertz

100 MHz, c'est la vitesse d'horloge des microprocesseurs en 1995

100 MHz correspond à 10 nanosecondes de temps de cycle de l'horloge interne.

On se rapproche de la vitesse de commutation des transistors, voisin de la nanoseconde.

Durant ce temps, le courant parcourt 30 cm et les effets de retard de propagation commencent à se faire sentir.

A chaque coup d'horloge, une nouvelle instruction élémentaire est exécutée.

En général, il faut plusieurs instructions élémentaires pour réaliser une opération complète.

La puissance de l'ordinateur s'exprime classiquement en Mips (millions d'instructions par seconde).

Lorsqu'il s'agit de calcul, on compte plutôt en Mops (millions d'opérations par seconde).

Pour des comparaisons plus précises,

on a souvent recourt à un même test exécuté sur les différentes machines (bench mark)

De nouvelles échelles universelles tentent de se mettre en place, comme la SPECint92.

Voir	§ Puissance de calcul § Multimédia § Fréquence téléphone

TRANSISTORS SUR PUCE

Évolution du nombre de transistors

sur une seule puce microprocesseur Intel

Année	Processeur	Quantité de Transistors	Puissance (Mips)
1971	· 4004	2,3k	0, 060
1978	· 8086	29 k	0, 750
	· 80286	134k	2, 6
	· 80386	275k	6
	· 80486	1,2M	20
1994	· Pentium	3,3M	112
1996	· Pentium Pro	5,5M	300
1997 (recherche)	· IBM	150 à 200 M
2000	· Merced - Intel	15 M

Le Pentium Pro

Il comporte 5,5 millions de transistors dans le CPU (central processing unit) sur 3 cm² et 15,5 millions pour réaliser le cache de 256 koctets sur 2 cm².

Le tout en deux puces superposées et un boîtier de 387 broches.

La puissance de traitement en Millions d'Instructions Par Seconde (Mips) a été multipliée par 5000 depuis la création du microprocesseur.

En 1997,

IBM annonce qu'il sait marier silicium et cuivre et songe intégrer 150 à 200 millions de transistors sur une seule puce, 30 fois plus!

En 1998,

Intel que son futur microprocesseur à 64 bits fonctionnera à 1 000 MHz (maximum en 1998: 333) et dépassera les 15 millions de transistors.

La loi de Gordon Moore

Le nombre de transistors sur une puce

double tous les 18 mois

Elle tient toujours depuis qu'elle a été énoncée en 1965. >>>

Gordon Moore (1928 - )

Il commence sa carrière avec William Shockley, l'un des inventeurs du transistor (prix Nobel). Il est l'un des fondateurs de Fairchild, puis Intel en 1968.