Nanometre: čo sú a ako ovplyvňujú náš procesor

Už ste niekedy počuli o nanometroch procesora ? V tomto článku vám povieme všetko o tomto opatrení. A čo je najdôležitejšie, aký vplyv majú nanometre na elektronické čipy a rôzne prvky, na ktoré sa pri týchto meraniach odvolávame.

Čo je nanometer

Začnime presne tým, čo sú to nanometre, pretože tento jednoduchý fakt dá veľa hry nielen pre prácu s počítačom, ale aj pre biológiu a ďalšie vedy, ktoré sú dôležité pre štúdium.

Nanometer (nm) je miera dĺžky, ktorá je súčasťou medzinárodného systému (SI). Ak vezmeme do úvahy, že meter je štandardnou alebo základnou jednotkou na stupnici, nanometer je jedna miliardtina metra alebo čo by bolo rovnaké:

Z hľadiska pochopiteľného pre bežnú ľudskú bytosť, niečo, čo meria nanometer, to môžeme vidieť iba cez vysoko výkonný elektrónový mikroskop. Napríklad ľudský vlas môže mať priemer približne 80 000 nanometrov, takže si predstavte, aký malý je elektronický komponent, ktorý je len 14 nm.

Je zrejmé, že toto opatrenie vždy existovalo, ale pre hardvérovú komunitu malo v posledných rokoch osobitný význam. Vzhľadom na silnú konkurenciu výrobcov vytvárať integrované obvody na základe čoraz menších polovodičov alebo tranzistorov.

Tranzistor

Tranzistor a elektronická schéma

Pravdepodobne ste už počuli pasívne a aktívne rozhovory o tranzistoroch procesora. Dá sa povedať, že tranzistor je najmenší prvok, ktorý možno nájsť v elektronickom obvode, samozrejme, ktorý sa vyhýba elektrónom a elektrickej energii.

Tranzistory sú prvky vyrobené z polovodičového materiálu, ako je kremík alebo germánium. Je to prvok, ktorý sa môže správať ako vodič elektrického prúdu alebo ako jeho izolátor v závislosti od fyzikálnych podmienok, ktorým je vystavený. Napríklad magnetické pole, teplota, žiarenie atď. A samozrejme s určitým napätím, čo je prípad tranzistorov CPU.

Tranzistor je prítomný vo všetkých integrovaných obvodoch, ktoré dnes existujú. Jeho obrovský význam spočíva v tom, čo je schopné: generovanie výstupného signálu v reakcii na vstupný signál, to znamená umožnenie alebo nie prechod prúdu pred podnetom, čím sa vytvorí binárny kód (1 prúd, 0 nie je aktuálny).

Logické hradlá a integrované obvody

Porty NAND

Litografickým procesom je možné vytvoriť obvody s určitou štruktúrou zloženou z niekoľkých tranzistorov na vytvorenie logických brán. Logická brána je ďalšia jednotka za tranzistorom, elektronické zariadenie, ktoré je schopné vykonávať určitú logickú alebo boolovskú funkciu. S niekoľkými tranzistormi prepojenými takým či oným spôsobom môžeme pridať, odčítať a vytvoriť SI, AND, NAND, OR, NOT, atď brány. Takto je logika daná elektronickým komponentom.

Takto sa vytvárajú integrované obvody so sledom tranzistorov, rezistorov a kondenzátorov, ktoré sú schopné tvoriť tzv. Elektronické čipy.

Litografia alebo fotolitografia

Kremíková doštička

Litografia je spôsob, ako zostaviť tieto extrémne malé elektronické čipy, konkrétne odvodila sa v mene fotolitografie a potom nanolitografie, pretože táto technika sa vo svojich začiatkoch používala na zaznamenávanie obsahu v kameňoch alebo kovoch.

V súčasnosti sa používa podobná technika na vytváranie polovodičov a integrovaných obvodov. Na tento účel sa používajú kremíkové doštičky s hrúbkou nanometra, ktoré sú prostredníctvom procesov založených na vystavení určitých komponentov svetlu a použitiu iných chemických zlúčenín schopné vytvárať obvody mikroskopických rozmerov. Tieto oblátky sú zase naskladané, až kým sa nedostanú do pekla zložitého 3D čipu.

Koľko nanometrov majú súčasné tranzistory?

Prvé procesory založené na polovodičoch sa objavili v roku 1971 spoločnosťou Intel so svojou inovatívnou kartou 4004. Výrobcovi sa podarilo vytvoriť 10 000 nm tranzistorov alebo 10 mikrometrov, a tak mať na čipe až 2 300 tranzistorov.

Tak začal závod o nadvládu v mikrotechnológii, ktorá je v súčasnosti známa nanotechnológiou. V roku 2019 máme elektronické čipy so 14nm výrobným procesom, ktorý prišiel s architektúrou Broadwel od Intelu, 7nm, s architektúrou AM2 od Zen 2, a dokonca aj 5nm testy vykonávajú IBM a ďalší výrobcovia. Aby sme sa dostali do situácie, 5nm tranzistor by bol len 50-krát väčší ako elektrónový oblak atómu. Pred niekoľkými rokmi bolo už možné vytvoriť tranzistor 1 nm, hoci ide o čisto experimentálny proces.

Myslíte si, že všetci výrobcovia si vyrábajú vlastné čipy? Pravda je taká, že nie a vo svete nájdeme štyri veľké sily, ktoré sú venované výrobe elektronických čipov.

• TSMC: Táto spoločnosť v oblasti mikro technológií je jedným z popredných svetových výrobcov čipov. V skutočnosti to robí procesory od značiek ako AMD (hlavná časť), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei alebo Texas Instrument. Je to kľúčový výrobca tranzistorov 7nm. Global Foundries - To je ďalší z výrobcov kremíkových doštičiek s najväčším počtom zákazníkov vrátane AMD, Qualcomm a ďalších. Ale v tomto prípade medzi inými tranzistory 12 a 14 nm. Intel: Modrý gigant má vlastnú továreň na procesory, takže nezávisí od toho, aby výrobcovia vyrábali svoje produkty. Možno to je dôvod, prečo architektúra 10nm trvá tak dlho, kým sa vyvíja proti svojim 7nm konkurentom. Uisťujeme vás však, že tieto procesory budú brutálne. Samsung: Kórejská spoločnosť má tiež vlastnú kremíkovú továreň, takže sme za rovnakých podmienok ako spoločnosť Intel. Vytvorte si vlastné procesory pre smartfóny a ďalšie zariadenia.

Mooreov zákon a fyzická hranica

Grafénový tranzistor

Slávny Mooreov zákon hovorí, že každé dva roky sa počet elektrónov v mikroprocesoroch zdvojnásobí a pravda je taká, že to platí od začiatku polovodičov. V súčasnej dobe sa chis predávajú so 7nm tranzistormi, konkrétne AMD má procesory v tejto litografii pre stolové počítače, AMD Ryzen 3000 s architektúrou Zen 2. Podobne aj výrobcovia ako Qualcomm, Samsung alebo Apple majú tiež 7nm procesory pre mobilné zariadenia.

Nanometr 5 nm je nastavený ako fyzikálny limit na vytvorenie tranzistora na báze kremíka. Musíme vedieť, že prvky sú tvorené atómami, ktoré majú určitú veľkosť. Najmenšie experimentálne tranzistory na svete merajú 1 nm a sú vyrobené z grafénu, materiálu založeného na oveľa menších atómoch uhlíka ako kremík.

Model Intel Tick-Tock

Intel Tick Tock Model

Toto je model, ktorý spoločnosť Intel prijala od roku 2007 na vytvorenie a vývoj architektúry svojich procesorov. Tento model je rozdelený do dvoch krokov, ktoré sú založené na znížení výrobného procesu a následnej optimalizácii architektúry.

Krok Tick nastáva, keď sa výrobný proces zníži, napríklad z 22 nm na 14 nm. Aj keď krokom Tock je to, čo sa deje, je zachovanie toho istého výrobného procesu a jeho optimalizácia v najbližšej iterácii namiesto ďalšieho znižovania nanometrov. Napríklad architektúra Sandy Bridge v roku 2011 bola Tock (zlepšenie oproti Nehalemovu 32nm), zatiaľ čo Ivy Bridge bol Tick v roku 2012 (znížený na 22nm).

A priori, tento plán mal v úmysle urobiť rok Tick a pokračuje v Tockovi, ale už vieme, že modrý gigant opustil túto stratégiu od roku 2013 s pokračovaním 22 nm v Haswell a posunom na 14 nm v 2014. Odvtedy bol celý krok Tock, to znamená, že 14 nm sa naďalej optimalizovalo až do dosiahnutia Intel Core 9. generácie v roku 2019. Očakáva sa, že v tom istom roku alebo začiatkom roku 2020 bude nový krok Tick s príchodom 10 nm.

Ďalší krok: kvantový počítač?

Odpoveď na obmedzenia architektúry založenej na polovodičoch spočíva pravdepodobne v kvantovom výpočte. Táto paradigma úplne mení filozofiu práce na počítači od začiatku počítačov, vždy založených na Turingovom stroji.

Kvantový počítač by nebol založený na tranzistoroch ani na bitoch. Stali by sa z nich molekuly a častice a Qbits (kvantové bity). Táto technológia sa snaží pomocou elektrónov kontrolovať stav a vzťahy molekúl vo veci, aby sa získala operácia podobná operácii tranzistora. Samozrejme, 1 Qbit sa vôbec nerovná 1 bitu, pretože tieto molekuly nemôžu vytvárať dva, ale tri alebo viac rôznych stavov, čím sa znásobuje zložitosť, ale aj schopnosť vykonávať operácie.

Ale na to všetko máme určité malé obmedzenia, ako napríklad potrebu teploty blízkej absolútnej nule (-273 ^° C) na kontrolu stavu častíc alebo nechanie systému namontovaného vo vákuu.

• Viac informácií o tomto všetkom nájdete v tomto článku, ktorý sme pred chvíľou študovali o tom, čo je kvantový procesor.

Čo ovplyvňujú nanometre procesorov?

Zanechávame pozadu tento vzrušujúci a zložitý svet elektroniky, v ktorom iba výrobcovia a ich inžinieri skutočne vedia, čo robia. Teraz uvidíme, aké výhody to má na zníženie nanometrov tranzistora pre elektronický čip.

Tranzistory 5nm

Vyššia hustota tranzistora

Kľúčom sú tranzistory, ktoré určujú počet logických portov a obvodov, ktoré môžu byť vložené do kremíka len niekoľko milimetrov štvorcových. Hovoríme o takmer 3 miliardách tranzistorov v matici 174 mm ², ako je 14nm Intel i9-9900K. V prípade AMD Ryzen 3000 asi 3, 9 miliardy tranzistorov v poli 74 mm ² so 7 nm.

Vyššia rýchlosť

Robí to čipu s oveľa väčším výpočtovým výkonom, pretože je schopný uzamknúť s oveľa väčším počtom stavov na čipe s vyššou hustotou polovodičov. Týmto spôsobom sa dosiahne viac inštrukcií na cyklus, alebo čo je rovnaké, zvýšime IPC procesora, napríklad ak porovnáme procesory Zen + a Zen 2. AMD v skutočnosti tvrdí, že jeho nové procesory zvýšili svoje Základné CPI až o 15% v porovnaní s predchádzajúcou generáciou.

Vyššia energetická účinnosť

Tým, že majú tranzistory s menším počtom nanometrov, je množstvo elektrónov, ktoré nimi prechádzajú, menšie. V dôsledku toho tranzistor mení stav s nižším napájaním, takže sa tým výrazne zlepšuje energetická účinnosť. Povedzme teda, že dokážeme urobiť rovnakú prácu s menším výkonom, takže generujeme viac výpočtového výkonu na spotrebovaný watt.

Toto je veľmi dôležité pre zariadenia napájané z batérie, ako sú notebooky, smartfóny atď. Výhoda spočívajúca v tom, že máme 7nm procesory, priniesla nám telefóny s neuveriteľnou autonómiou a veľkolepý výkon s novým Snapdragon 855, novým A13 Bionic od Apple a Kirin 990 od Huawei.

Menšie a čerstvejšie čipy

V neposlednom rade máme možnosť miniaturizácie. Rovnakým spôsobom, ako môžeme umiestniť viac tranzistorov na jednotku plochy, môžeme ju tiež znížiť, aby sme mali menšie čipy, ktoré generujú menej tepla. Nazývame to TDP a je to teplo, ktoré kremík môže generovať pri maximálnom nabití, dajte si pozor, nejde o elektrickú energiu, ktorú spotrebuje. Vďaka tomu dokážeme zmenšiť zariadenia a zohriať oveľa menej s rovnakým spracovateľským výkonom.

Existujú aj nevýhody

Každý veľký krok vpred má svoje riziká a to isté možno povedať aj v nanotechnológii. S tranzistory s menším počtom nanometrov je oveľa ťažšie vykonať výrobný proces. Potrebujeme omnoho pokročilejšie alebo nákladnejšie technické prostriedky a počet porúch sa podstatne zvyšuje. Jasným príkladom je, že výkon správnych čipov na doštičku sa v novom prístroji Ryzen 3000 znížil. Zatiaľ čo v zóne Zen + 12 nm sme mali okolo 80% dokonale funkčných čipov na doštičku, v Zen 2 by sa toto percento znížilo na 70%, Podobne je narušená integrita procesorov, čo si vyžaduje stabilnejšie energetické systémy a lepšiu kvalitu signálu. Preto výrobcovia nových čipových dosiek AMD X570 venovali osobitnú pozornosť vytváraniu kvalitného VRM.

Závery týkajúce sa nanometrov

Ako vidíme, táto technológia postupuje skokmi a hranicami, aj keď o niekoľko rokov nájdeme výrobné procesy, ktoré už budú na fyzikálnom limite materiálov použitých s tranzistormi s veľkosťou 3 alebo 1 nanometrov. Čo bude ďalej? Určite nevieme, pretože kvantová technológia je veľmi zelená a je prakticky nemožné postaviť taký počítač mimo laboratórneho prostredia.

Teraz budeme mať možnosť zistiť, či sa v takom prípade ešte viac zvýši počet jadier, alebo sa začnú používať materiály, ako napríklad grafén, ktoré pripúšťajú vyššiu hustotu tranzistorov pre elektronické obvody.

Bez ďalších okolkov vám zanecháme ďalšie zaujímavé články:

Myslíte si, že uvidíme 1nm procesory? Aký procesor máte? Dúfame, že tento článok bol zaujímavý, povedzte nám, čo si myslíte.