Nanometry: czym są i jak wpływają na nasz procesor

Czy słyszałeś kiedyś o nanometrach procesora ? Cóż, w tym artykule powiemy ci wszystko o tym środku. A co najważniejsze, jaki wpływ mają nanometry na układy elektroniczne i różne elementy, do których odnoszą się te pomiary.

Co to jest nanometr

Zacznijmy dokładnie od zdefiniowania, czym są nanometry, ponieważ ten prosty fakt da wiele zabawy nie tylko w informatyce, ale także w biologii i innych naukach mających znaczenie dla badań.

Nanometr (nm) jest miarą długości stanowiącą część Układu Międzynarodowego (SI). Jeśli weźmiemy pod uwagę, że miernik jest standardową lub podstawową jednostką na skali, nanometr ma jedną miliardową metra lub to samo:

Z punktu widzenia zrozumiałego dla normalnego człowieka, czegoś, co mierzy nanometr, możemy to zobaczyć tylko przez mikroskop elektronowy o dużej mocy. Na przykład ludzkie włosy mogą mieć średnicę około 80 000 nanometrów, więc wyobraź sobie, jak mały jest element elektroniczny, który ma tylko 14 nm.

Ten środek zawsze istniał, to oczywiste, ale dla społeczności sprzętowej miał szczególne znaczenie w ostatnich latach. Ze względu na silną konkurencję producentów o tworzenie układów scalonych opartych na coraz mniejszych półprzewodnikach lub tranzystorach.

Tranzystor

Schemat tranzystorowy i elektroniczny

Prawdopodobnie słyszałeś pasywną i aktywną rozmowę o tranzystorach procesora. Można powiedzieć, że tranzystor jest najmniejszym elementem, który można znaleźć w obwodzie elektronicznym, oczywiście, unikając elektronów i energii elektrycznej.

Tranzystory to elementy wykonane z materiału półprzewodnikowego, takiego jak krzem lub german. Jest to element, który może zachowywać się jak przewodnik prądu elektrycznego lub jego izolator, w zależności od warunków fizycznych, na jakie jest narażony. Na przykład pole magnetyczne, temperatura, promieniowanie itp. I oczywiście z pewnym napięciem, jak w przypadku tranzystorów procesora.

Tranzystor jest obecny w absolutnie wszystkich istniejących układach scalonych. Jego ogromne znaczenie polega na tym, co jest w stanie zrobić: generować sygnał wyjściowy w odpowiedzi na sygnał wejściowy, to znaczy pozwolić na przepływ prądu przed bodźcem lub nie, tworząc w ten sposób kod binarny (1 prąd, 0 nie aktualny).

Bramy logiczne i układy scalone

Porty NAND

Dzięki procesowi litografii możliwe jest tworzenie obwodów o pewnej strukturze złożonej z kilku tranzystorów w celu utworzenia bramek logicznych. Bramka logiczna jest następną jednostką za tranzystorem, urządzeniem elektronicznym, które może wykonywać pewną funkcję logiczną lub logiczną. Z kilkoma tranzystorami połączonymi w taki czy inny sposób możemy dodawać, odejmować i tworzyć bramki SI, AND, NAND, OR, NOT itp. W ten sposób logika jest nadawana elementowi elektronicznemu.

W ten sposób powstają układy scalone z szeregiem tranzystorów, rezystorów i kondensatorów, które są w stanie tworzyć tak zwane układy elektroniczne.

Litografia lub fotolitografia

Płytka silikonowa

Litografia jest sposobem na zbudowanie tych bardzo małych układów elektronicznych, a konkretnie wywodzi się w imię fotolitografii, a następnie nanolitografii, ponieważ ta technika na początku była używana do grawerowania treści na kamieniach lub metalach.

Obecnie stosuje się podobną technikę do tworzenia półprzewodników i układów scalonych. W tym celu stosuje się płytki krzemowe o grubości nanometra, które dzięki procesom opartym na ekspozycji na światło niektórych składników i zastosowaniu innych związków chemicznych są zdolne do tworzenia obwodów o mikroskopijnych rozmiarach. Z kolei te wafle są układane w stos, dopóki nie otrzymają złożonego układu 3D.

Ile nanometrów mają obecne tranzystory?

Pierwsze procesory półprzewodnikowe pojawiły się w 1971 roku przez firmę Intel z innowacyjnym 4004. Producentowi udało się stworzyć tranzystory 10 000 nm lub 10 mikrometrów, dzięki czemu w układzie scalonym znajduje się do 2300 tranzystorów.

Tak rozpoczął się wyścig o supremację w mikrotechnologii, znanej obecnie z nanotechnologii. W 2019 roku mamy układy elektroniczne z procesem produkcyjnym 14 nm, które były dostarczane z architekturą Intel Broadwel, 7 nm, z architekturą AMD 2 Zen, a IBM i inni producenci przeprowadzają nawet testy 5 nm. Aby postawić się w takiej sytuacji, tranzystor 5nm byłby tylko 50 razy większy niż chmura elektronowa atomu. Kilka lat temu udało się już stworzyć tranzystor 1 nm, chociaż jest to proces czysto eksperymentalny.

Czy uważasz, że wszyscy producenci wytwarzają własne układy scalone? Cóż, prawda jest taka, że ​​nie, a na świecie możemy znaleźć cztery wielkie moce, które są dedykowane do produkcji układów elektronicznych.

• TSMC: Ta firma zajmująca się mikro-technologią jest jednym z wiodących na świecie producentów układów scalonych. W rzeczywistości sprawia, że ​​procesory takich marek jak AMD (część główna), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei czy Texas Instrument. Jest kluczowym producentem tranzystorów 7 nm. Global Foundries - to kolejny producent płytek krzemowych z największą liczbą klientów, w tym AMD, Qualcomm i inni. Ale w tym przypadku między innymi z tranzystorami 12 i 14 nm. Intel: Niebieski gigant ma własną fabrykę procesorów, więc tworzenie własnych produktów nie zależy od innych producentów. Być może dlatego architektura 10 nm tak długo rozwija się w stosunku do swoich konkurentów 7 nm. Zapewniamy jednak, że te procesory będą brutalne. Samsung: koreańska firma ma również własną fabrykę krzemu, więc jesteśmy na takich samych zasadach jak Intel. Tworzenie własnych procesorów do smartfona i innych urządzeń.

Prawo Moore'a i granica fizyczna

Tranzystor grafenowy

Słynne prawo Moore'a mówi nam, że co dwa lata liczba elektronów w mikroprocesorach podwaja się, a prawda jest taka, że ​​było to prawdą od początku półprzewodników. Obecnie chis są sprzedawane z tranzystorami 7 nm, w szczególności AMD ma w tej litografii procesory do komputerów stacjonarnych, AMD Ryzen 3000 z architekturą Zen 2. Podobnie producenci, tacy jak Qualcomm, Samsung lub Apple, również mają Procesory 7 nm dla urządzeń mobilnych.

5 nm nanometr jest ustawiony jako fizyczny limit do stworzenia tranzystora na bazie krzemu. Musimy wiedzieć, że pierwiastki składają się z atomów, które mają pewien rozmiar. Najmniejsze na świecie eksperymentalne tranzystory mierzą 1 nm i są wykonane z grafenu, materiału opartego na znacznie mniejszych atomach węgla niż krzem.

Model Intel Tick-Tock

Model Intel Tick Tock

Jest to model przyjęty przez producenta Intela od 2007 roku w celu tworzenia i ewolucji architektury jego procesorów. Ten model jest podzielony na dwa etapy, które polegają na zmniejszeniu procesu produkcyjnego, a następnie optymalizacji architektury.

Etap tyknięcia ma miejsce, gdy proces produkcji zmniejsza się, na przykład z 22 nm do 14 nm. Podczas gdy krok Tock polega na utrzymaniu tego samego procesu produkcyjnego i optymalizacji go w kolejnej iteracji zamiast dalszego zmniejszania nanometrów. Na przykład architektura Sandy Bridge w 2011 roku była Tock (ulepszenie z 32 nm Nehalem), podczas gdy Ivy Bridge był Tick w 2012 roku (zmniejszony do 22 nm).

A priori plan ten zamierzał zrobić rok Tick i kontynuuje Tock, ale już wiemy, że niebieski gigant porzucił tę strategię od 2013 roku z kontynuacją 22 nm w Haswell i przejściem do 14 nm w 2014. Od tego czasu cały krok to Tock, czyli 14 nm były optymalizowane aż do osiągnięcia Intel Core 9. generacji w 2019 roku. Oczekuje się, że w tym samym roku lub na początku 2020 r. Nastąpi nowy krok Tick z nadejściem 10 nm.

Kolejny krok: komputer kwantowy?

Być może odpowiedź na ograniczenia architektury półprzewodnikowej leży w obliczeniach kwantowych. Ten paradygmat całkowicie zmienia filozofię obliczeń od początku komputerów, zawsze opartych na maszynie Turinga.

Komputer kwantowy nie byłby oparty na tranzystorach ani bitach. Stałyby się cząsteczkami i cząsteczkami oraz Qbitami (bitami kwantowymi). Technologia ta próbuje kontrolować stan i związki molekuł w materii za pomocą elektronów, aby uzyskać działanie podobne do działania tranzystora. Oczywiście 1 Qbit wcale nie jest równy 1 bitowi, ponieważ cząsteczki te mogą tworzyć nie dwa, ale trzy lub więcej różnych stanów, zwiększając w ten sposób złożoność, ale także zdolność do wykonywania operacji.

Ale do tego wszystkiego mamy pewne małe ograniczenia, takie jak konieczność temperatur zbliżonych do zera absolutnego (-273 ^o C) w celu kontrolowania stanu cząstek lub zamontowanie systemu pod próżnią.

• Aby uzyskać więcej informacji na ten temat, odwiedź ten artykuł, który przestudiowaliśmy jakiś czas temu na temat tego, czym jest procesor kwantowy.

Co nanometry wpływają na procesory?

Porzucamy ten ekscytujący i złożony świat elektroniki, w którym tylko producenci i ich inżynierowie naprawdę wiedzą, co robią. Teraz zobaczymy, jakie korzyści ma zmniejszenie nanometrów tranzystora dla układu elektronicznego.

Tranzystory 5 nm

Wyższa gęstość tranzystora

Kluczem są tranzystory, które określają liczbę portów logicznych i obwodów, które można umieścić w krzemie o wielkości zaledwie kilku milimetrów kwadratowych. Mówimy o prawie 3 miliardach tranzystorów w matrycy 174 mm ², takiej jak 14nm Intel i9-9900K. W przypadku AMD Ryzen 3000 około 3, 9 miliarda tranzystorów w układzie 74 mm ² z 7 nm.

Wyższa prędkość

Zapewnia to chipowi znacznie większą moc przetwarzania, ponieważ jest on w stanie blokować wiele więcej stanów na chipie o większej gęstości półprzewodników. W ten sposób osiąga się więcej instrukcji na cykl lub, co jest takie samo, podnosimy IPC procesora, na przykład porównując procesory Zen + i Zen 2. W rzeczywistości AMD twierdzi, że nowe procesory zwiększyły ich Rdzeń CPI do 15% w porównaniu do poprzedniej generacji.

Większa efektywność energetyczna

Dzięki tranzystorom o mniejszej liczbie nanometrów ilość elektronów, które przez nie przechodzą, jest mniejsza. W rezultacie tranzystor zmienia stan przy niższym zasilaniu, co znacznie poprawia wydajność energetyczną. Powiedzmy, że możemy wykonać tę samą pracę przy mniejszej mocy, więc generujemy więcej mocy obliczeniowej na zużyty wat.

Jest to bardzo ważne w przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie, takich jak laptopy, smartfony itp. Zaleta posiadania procesorów 7 nm sprawiła, że ​​mamy telefony o niewiarygodnej autonomii i spektakularną wydajność dzięki nowemu Snapdragonowi 855, nowej A13 Bionic od Apple i Kirin 990 od Huawei.

Mniejsze i świeższe wióry

Wreszcie, mamy możliwość miniaturyzacji. W ten sam sposób, w jaki możemy umieścić więcej tranzystorów na jednostkę powierzchni, możemy również zmniejszyć to, aby mieć mniejsze układy, które wytwarzają mniej ciepła. Nazywamy to TDP i jest to ciepło, które krzem może wytwarzać przy maksymalnym ładunku, uwaga, to nie jest energia elektryczna, którą zużywa. Dzięki temu możemy zmniejszyć urządzenia, które nagrzewają się znacznie mniej, mając taką samą moc przetwarzania.

Są też wady

Każdy duży krok naprzód wiąże się z ryzykiem, i to samo można powiedzieć o nanotechnologii. Posiadanie tranzystorów o mniejszej liczbie nanometrów znacznie utrudnia wykonanie procesu produkcyjnego. Potrzebujemy znacznie bardziej zaawansowanych lub kosztownych środków technicznych, a liczba awarii znacznie wzrasta. Wyraźnym przykładem jest to, że wydajność jednego wafla prawidłowych żetonów spadła w nowym Ryzen 3000. Podczas gdy w Zen + 12 nm mieliśmy około 80% doskonale funkcjonujących żetonów na wafel, w Zen 2 odsetek ten spadłby do 70%.

Podobnie zagrożona jest integralność procesorów, co wymaga bardziej stabilnych systemów zasilania i lepszej jakości sygnału. Dlatego producenci nowych płyt mikroukładów AMD X570 dołożyli szczególnej starań, aby stworzyć wysokiej jakości VRM.

Wnioski dotyczące nanometrów

Jak widzimy, technologia postępuje skokowo, choć za kilka lat znajdziemy procesy produkcyjne, które będą już na granicy fizycznej materiałów używanych z tranzystorami nawet 3 lub 1 nanometrów. Co będzie dalej Cóż, z pewnością nie wiemy, ponieważ technologia kwantowa jest bardzo zielona i zbudowanie takiego komputera poza środowiskiem laboratoryjnym jest praktycznie niemożliwe.

Na razie będziemy musieli sprawdzić, czy w takim przypadku liczba rdzeni wzrośnie jeszcze bardziej, czy też uruchomione zostaną materiały takie jak grafen, które dopuszczają większą gęstość tranzystorów w obwodach elektronicznych.

Bez zbędnych ceregieli pozostawiamy Ci inne ciekawe artykuły:

Myślisz, że zobaczymy procesory 1 nm? Jaki masz procesor? Mamy nadzieję, że artykuł był interesujący, powiedz nam, co myślisz.