Разборка процессора Kirin 9030 Pro раскрывает новую стратегию Китая в области производства передовых микросхем

Процессор Kirin 9030 Pro лежит в основе новейших моделей Huawei — Mate 80 Pro и Mate 80 Pro Max. Он производится крупнейшим китайским производителем микросхем, компанией SMIC, по передовой технологии N+3. Компания SemiAnalysis получила возможность разобрать этот чип и изучить его внутреннее устройство, в результате чего были получены некоторые неожиданные результаты. Чип Kirin 9030 Pro отличается минимальным (M0) шагом металлических слоёв, составляющим всего 32,5 нм, что несколько меньше, чем 36 нм, характерные для процессоров Intel Panther Lake, изготовленных по технологическому процессу 18A.

Этот факт выглядит примечательным, поскольку Intel производит свои новейшие чипы с использованием литографии в диапазоне экстремального ультрафиолета (EUV), в то время как компания SMIC по-прежнему не имеет доступа к EUV-сканерам ASML из-за многолетних экспортных ограничений, введенных под руководством США, и вместо этого полагается на более устаревшее оборудование для литографии в диапазоне глубокого ультрафиолета (DUV). Разборка позволяет понять, насколько далеко китайские производители микросхем продвинули зрелые производственные технологии благодаря всё более изощрённым инженерным решениям, а также подчеркивает ограниченность оценки полупроводниковых технологических процессов с помощью одного-единственного показателя.

Что именно представляет собой шаг металлических проводок?

Минимальный шаг металлических проводок чипа часто называют слоем M0. Современные процессоры содержат множество слоев микроскопических медных проводок, соединяющих между собой миллиарды транзисторов. Шаг металлических проводок просто описывает расстояние между соседними проводками. Чем меньше становится это расстояние, тем больше ресурсов трассировки (и, следовательно, больше логики) можно разместить на той же площади.

Компания SemiAnalysis измерила толщину самого мелкого слоя трассировки в чипе Kirin 9030 Pro, которая составила 32,5 нм, в то время как в чипе MediaTek Helio G99, изготовленном по технологическому процессу N6 компании TSMC, этот показатель составляет примерно 40 нм. По оценкам издания, плотность транзисторов в процессе N+3 компании SMIC достигает примерно 113 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр, что незначительно превышает расчётную плотность процесса N6 компании TSMC, равную 108 миллионам транзисторов на квадратный миллиметр. Эти цифры впечатляют, учитывая, что процесс SMIC основан исключительно на литографии DUV, в то время как Intel использует EUV.

Как SMIC добилась более высоких результатов в области DUV, чем ожидалось

Насущный вопрос заключается в том, как компании SMIC удалось достичь плотности, сопоставимой с EUV, без использования EUV. Ответ кроется в сложности производственного процесса. Вместо непосредственной печати чрезвычайно мелких элементов схемы компания SMIC в значительной степени полагается на технологию самовыравнивающегося четырехкратного формирования рисунка (SAQP) — передовую литографическую методику, которая эффективно увеличивает разрешение устаревшего оборудования DUV.

Процесс начинается с нанесения относительно грубого рисунка, после чего по его краям наносятся тонкие прослойки. Эти прослойки затем становятся новой маской, позволяющей формировать ещё более узкие структуры. Многократное повторение этой процедуры позволяет инженерам создавать элементы, размеры которых намного меньше, чем это обычно возможно при первоначальной экспозиции.

Каждый дополнительный этап литографии требует новой маски, нового этапа выравнивания и создает дополнительный риск возникновения производственных дефектов. Увеличение количества технологических этапов напрямую приводит к росту стоимости пластин, снижению выхода готовой продукции и увеличению времени производства. Компания SMIC эффективно компенсирует отсутствие EUV за счет настойчивости в производстве, а не за счет принципиально более совершенной литографии.

Плотность не достигается исключительно за счет литографии

Помимо литографических инноваций, компания SemiAnalysis связывает значительную часть роста плотности SMIC с методологией совместной оптимизации технологии проектирования (DTCO), которая предусматривает одновременное развитие технологий производства полупроводников и архитектуры микросхем, а не рассмотрение их как независимых дисциплин.

Вместо того чтобы полагаться исключительно на уменьшение размеров транзисторов, инженеры оптимизируют сами стандартные логические ячейки, сокращая зоны изоляции, перемещая контакты, уменьшая размеры ребер транзисторов и перестраивая компоновку, чтобы добиться дополнительной экономии пространства.

Вместо того чтобы выделять большую часть площади кристалла под ядра ЦП, компания Huawei отводит значительную её часть под кэш-память. Объёмные кэш-памяти сокращают количество ресурсоёмких обращений к внешней памяти LPDDR5X, что позволяет снизить задержку и одновременно уменьшить энергопотребление.

Производительность полупроводниковых устройств зависит в равной степени как от интеллектуальной организации перемещения данных, так и от уменьшения размеров транзисторов, и процессор Kirin 9030 Pro является наглядным подтверждением того, что оптимизация архитектуры стала столь же важной, как и сама технология производства.

Производительность говорит о другом

Недостатки процессора Kirin 9030 Pro, а, следовательно, и компании SMIC, становятся очевидными при анализе реальной производительности. Новейший флагманский процессор Huawei демонстрирует производительность, примерно сопоставимую с премиальными процессорами для Android нескольких лет назад, несмотря на конкурентоспособную плотность транзисторов. Разрыв в энергоэффективности ещё более значителен.

Как отмечает SemiAnalysis, маломощные ядра Apple могут превосходить по производительности основное ядро процессора Huawei при выполнении определённых целочисленных задач, потребляя при этом примерно один ватт энергии, в то время как наиболее производительное ядро Huawei потребляет около 4,5 ватт. Аналогичным образом архитектура Taishan демонстрирует производительность, сопоставимую с Cortex-X2 от Arm 2021 года, в то время как процессор Apple M1 2020 года по-прежнему обеспечивает значительно более высокую производительность по количеству инструкций за такт при аналогичном уровне энергопотребления.

Таким образом, Kirin 9030 Pro демонстрирует важную реальность современного развития полупроводниковой отрасли: одна только плотность транзисторов больше не определяет лидерство.

Китайская полупроводниковая отрасль преследует амбициозные цели

В конечном счёте, результаты разборки раскрывают гораздо более обширную картину, чем один впечатляющий показатель, полученный под электронным микроскопом. Экспортный контроль, несомненно, замедлил реализацию амбиций Китая в области полупроводников, но он также вынудил такие компании, как Huawei и SMIC, искать альтернативные пути. Вместо того чтобы полагаться исключительно на традиционное уменьшение размера технологического узла, обе компании, по-видимому, всё больше сосредотачиваются на оптимизации архитектуры.

В начале этого года представитель Huawei Хэ Тинбо представил на Международном симпозиуме IEEE по схемам и системам (ISCAS) то, что компания называет «законом масштабирования Тау ». Эта концепция предлагает сокращение задержки распространения сигнала по всей микросхеме в качестве следующего основного фактора прогресса в области полупроводников. Простое уменьшение размеров транзисторов — лишь одна из частей головоломки.

В основе этой стратегии лежат такие технологии, как LogicFolding, которая реорганизует компоновку схем с целью сокращения критических путей соединений. По заявлению Huawei, будущие процессоры Kirin, которые будут выпущены позднее в этом году (вероятно, Kirin 9040), станут первыми коммерческими микросхемами, в которых будет реализована технология LogicFolding. Компания полагает, что её долгосрочная дорожная карта в конечном итоге позволит к 2031 году достичь плотности транзисторов, сопоставимой с технологиями производства класса 14 ангстрем (1,4 нм).

Китай, возможно, не будет вечно зависеть от DUV

Согласно недавнему расследованию агентства Reuters, китайские исследователи уже создали рабочий прототип литографического оборудования EUV после многолетней работы по обратному инжинирингу западных технологий. Как сообщается, испытания прототипа начались в начале 2025 года, и он способен генерировать EUV-излучение, хотя ему ещё предстоит изготовить функциональные микросхемы, а в таких критически важных областях, как прецизионная оптика, он по-прежнему отстаёт от ASML. Источники, на которые ссылается Reuters, отмечают, что китайское правительство надеется начать производство микросхем с использованием этой системы примерно к 2028 году, однако 2030 год считается более реалистичным сроком. Если архитектурные инновации Huawei в конечном итоге будут объединены с литографией EUV отечественной разработки, дорожная карта развития полупроводниковой отрасли Китая к концу десятилетия может значительно измениться.