Nanometrit: mitä ne ovat ja kuinka ne vaikuttavat prosessorimme

Oletko koskaan kuullut prosessorin nanometristä ? No, tässä artikkelissa aiomme kertoa teille kaikille tästä toimenpiteestä. Ja mikä tärkeintä, miten nanometrit vaikuttavat elektronisiin siruihin ja eri elementteihin, joihin viitataan näillä mittauksilla.

Mikä on nanometri

Aloitetaan tarkalleen määrittelemällä, mitkä nanometrit ovat, koska tämä yksinkertainen tosiasia antaa paljon peliä pelkästään tietojenkäsittelyn lisäksi myös biologialle ja muille tutkimukselle tärkeille tieteille.

Nanometri (nm) on pituuden mitta, joka on osa kansainvälistä järjestelmää (SI). Jos katsotaan, että mittari on asteikon vakio- tai perusyksikkö, nanometrin arvo on miljardi metriä tai mikä olisi sama:

Normaalille ihmiselle ymmärrettävällä tavalla, jotain, joka mittaa nanometrin, voimme nähdä sen vain suuritehoisen elektronimikroskoopin kautta. Esimerkiksi ihmisen hiuksen halkaisija voi olla noin 80 000 nanometriä, joten kuvittele, kuinka pieni elektroninen komponentti on vain 14 nm.

Tämä toimenpide on ollut olemassa aina, se on selvää, mutta laitteistoyhteisölle sillä on ollut erityinen merkitys viime vuosina. Valmistajien kovan kilpailun takia luoda yhä pienempiin puolijohteisiin tai transistoreihin perustuvat integroidut piirit.

Transistori

Transistori ja elektroninen kaavamainen

Olet todennäköisesti kuullut passiivista ja aktiivista keskustelua prosessorin transistoreista. Voimme sanoa, että transistori on pienin elementti, joka löytyy elektronisesta piiristä, tietysti välttäen elektronit ja sähköenergia.

Transistorit ovat puolijohdemateriaaleista, kuten piistä tai germaniumista, valmistettuja elementtejä. Se on elementti, joka voi toimia sähkönjohtimena tai sen eristeenä riippuen fysikaalisista olosuhteista, joihin se altistuu. Esimerkiksi magneettikenttä, lämpötila, säteily jne. Ja tietysti tietyllä jännitteellä, kuten prosessorin transistoreilla.

Transistori on läsnä ehdottomasti kaikissa nykyisissä integroiduissa piireissä. Sen valtava merkitys on siinä, mitä se pystyy: tuottamaan lähtösignaalin vasteena tulosignaalille, ts. Sallimaan tai estämään virran kulkeminen ennen ärsykettä, luomalla siten binäärikoodi (1 virta, 0 ei nykyinen).

Loogiset portit ja integroidut piirit

NAND-portit

Litografiaprosessin avulla on mahdollista luoda piirejä, joilla on tietty rakenne, joka koostuu useista transistoreista, logiikkaporttien muodostamiseksi. Looginen portti on seuraava transistorin takana oleva yksikkö, elektroninen laite, joka pystyy suorittamaan tietyn loogisen tai boolean-toiminnon. Kun muutama transistori on kytketty tavalla tai toisella, voimme lisätä, vähentää ja luoda SI-, JA-, NAND-, TAI, EI- jne. Portteja. Näin elektroniselle komponentille annetaan logiikka.

Näin luodaan integroituja piirejä peräkkäin transistoreita, vastuksia ja kondensaattoreita, jotka pystyvät muodostamaan ns. Elektronisia siruja.

Litografia tai fotolitografia

Piikiekko

Litografia on tapa rakentaa nämä erittäin pienet elektroniset sirut, erityisesti se on johdettu fotolitografian ja sitten nanolitografian nimissä, koska tätä tekniikkaa käytettiin alunperin kaivaamaan sisältöä kiville tai metalleille.

Tällä hetkellä tehdään samanlaisen tekniikan käyttäminen puolijohteiden ja integroitujen piirien luomiseksi. Tätä varten käytetään nanometrin paksuisia piikiekkoja, jotka prosessien avulla, jotka perustuvat tiettyjen komponenttien valolle altistumiseen ja muiden kemiallisten yhdisteiden käyttöön, kykenevät luomaan mikroskooppisia kokoisia piirejä. Nämä kiekot puolestaan ​​pinotaan, kunnes he saavat helvetin monimutkaisesta 3D-sirusta.

Kuinka monta nanometriä nykyisillä transistoreilla on?

Ensimmäiset puolijohdepohjaiset prosessorit ilmestyivät vuonna 1971 Intelin innovatiivisella 4004: llä. Valmistaja onnistui luomaan 10 000 nm transistoreita tai 10 mikrometriä, jolloin sirulla oli jopa 2300 transistoria.

Näin alkoi kilpailu mikroteknologian ylivallasta, joka tunnetaan nykyään nanoteknologiasta. Vuonna 2019 meillä on elektronisia siruja 14 nanometrin valmistusprosessilla, jotka toimitettiin Intelin Broadwel-arkkitehtuurilla, 7 nm, AMD: n Zen 2 -arkkitehtuurilla, ja IBM ja muut valmistajat suorittavat jopa 5 nanometrin testejä. Jotta voimme asettaa itsemme tilanteeseen, 5 nm transistori olisi vain 50 kertaa suurempi kuin atomin elektronipilvi. Muutama vuosi sitten oli jo mahdollista luoda 1 nm: n transistori, vaikka se onkin puhtaasti kokeellinen prosessi.

Luuletko, että kaikki valmistajat tekevät omia siruja? Totuus on, että ei, ja maailmassa voimme löytää neljä suurta voimaa, jotka on omistettu elektronisten sirujen valmistukseen.

• TSMC: Tämä mikroteknologiayritys on yksi maailman johtavista sirukokoonpanoista. Itse asiassa se tekee prosessoreiksi tuotemerkkejä, kuten AMD (ydinosa), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei tai Texas Instrument. Se on 7 nm transistorien avainvalmistaja. Globaalit valimot - Se on toinen silikonikiekkojen valmistajista, joilla on eniten asiakkaita, mukaan lukien AMD, Qualcomm ja muut. Mutta tässä tapauksessa muun muassa 12 ja 14 nm: n transistoreilla. Intel: Sinisellä jättiläisellä on oma prosessoritehdas, joten muiden tuotteiden valmistajien luominen ei ole riippuvainen muista valmistajista. Ehkä tästä syystä 10 nm: n arkkitehtuurilla vie niin kauan kehittääkseen 7 nm: n kilpailijoita vastaan. Mutta voit olla varma, että nämä suorittimet ovat raakoja. Samsung: Korean yrityksellä on myös oma piitehdas, joten olemme samoilla ehdoilla kuin Intel. Omien prosessorien luominen älypuhelimille ja muille laitteille.

Mooren laki ja fyysinen raja

Grafeenitransistori

Kuuluisa Mooren laki kertoo meille, että kahden vuoden välein elektronien lukumäärä mikroprosessoreissa kaksinkertaistuu, ja totuus on, että tämä on ollut totta puolijohteiden alusta lähtien. Tällä hetkellä chis-tuotteita myydään 7 nm: n transistorien kanssa. Erityisesti AMD: llä on prosessoreita tässä pöytäkoneiden litografiassa, AMD Ryzen 3000 -arkkitehtuurilla Zen 2. Samoin valmistajilla, kuten Qualcomm, Samsung tai Apple, on 7nm prosessorit mobiililaitteille.

5 nm: n nanometri asetetaan fysikaaliseksi rajaksi pii- pohjaisen transistorin valmistamiseksi. Meidän on tiedettävä, että elementit koostuvat atomista ja niiden koko on tietty. Maailman pienimpien kokeellisten transistorien mitat ovat 1 nm ja ne on valmistettu grafeenista, materiaalista, joka perustuu paljon pienempiin hiiliatomiin kuin pii.

Intel Tick-Tock -malli

Intel Tick Tock -malli

Tämä on malli, jonka valmistaja Intel on ottanut käyttöön vuodesta 2007 lähtien prosessoriensa arkkitehtuurin luomiseksi ja kehittämiseksi. Tämä malli on jaettu kahteen vaiheeseen, joka perustuu valmistusprosessin vähentämiseen ja sitten arkkitehtuurin optimointiin.

Tick-vaihe tapahtuu, kun valmistusprosessi vähenee esimerkiksi 22 nm: stä 14 nm: iin. Vaikka Tock askelee, mitä se tekee, ylläpitää samaa valmistusprosessia ja optimoi se seuraavassa iteraatiossa sen sijaan, että pienentäisi nanometriä edelleen. Esimerkiksi vuoden 2011 Sandy Bridge -arkkitehtuuri oli Tock (parannus Nehalemin 32 nm: stä), kun taas Ivy-silta oli Tick vuonna 2012 (laski 22 nm: iin).

Ennakolta tämä suunnitelma, jonka hän aikoi tehdä, on tehdä vuosi Tick ja hän jatkaa Tockia, mutta tiedämme jo, että sininen jättiläinen on luopunut tästä strategiasta vuodesta 2013 jatkamalla 22 nm: n tilaa Haswellissa ja siirtymistä 14 nm: iin vuonna 2014. Siitä lähtien koko askel on ollut Tock, toisin sanoen 14 nm: n optimointia on jatkettu, kunnes se saavuttaa 9. sukupolven Intel Coren vuonna 2019. On odotettavissa, että samana vuonna tai vuoden 2020 alkupuolella tapahtuu uusi Tick-askel, jonka saapuminen on 10 nm.

Seuraava vaihe: kvantitietokone?

Mahdollisesti vastaus puolijohdepohjaisen arkkitehtuurin rajoituksiin löytyy kvanttilaskennasta. Tämä paradigma muuttaa täysin laskentafilosofiaa tietokoneiden alusta lähtien, aina perustuen Turingin koneeseen.

Kvanttitietokone ei perustu transistoreihin eikä bitteihin. Niistä tulisi molekyylejä ja hiukkasia ja Qbittejä (kvanttibittejä). Tämä tekniikka yrittää hallita aineessa olevien molekyylien tilaa ja suhteita elektronien avulla saadakseen transistorin kanssa samanlaisen toiminnan. Tietysti 1 Qbit ei ole lainkaan yhtä suuri kuin 1 bitti, koska nämä molekyylit eivät voi luoda kahta, vaan kolmea tai useampaa eri tilaa, kertomalla siten monimutkaisuuden, mutta myös kyvyn suorittaa toimintoja.

Mutta kaiken tämän suhteen meillä on joitain pieniä rajoituksia, kuten esimerkiksi lämpötilojen, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa (-273 ^o C), hiukkasten tilan hallintaan, tai järjestelmän asentaminen tyhjiöön.

• Lisätietoja kaikesta tästä on artikkelissa, jota tutkimme jonkin aikaa sitten siitä, mikä on kvanttiprosessori.

Mitä nanometrit vaikuttavat prosessoreihin?

Jäljitämme tämän jännittävän ja monimutkaisen elektroniikkamaailman, jossa vain valmistajat ja heidän insinöörit tietävät todella tekevänsä. Nyt näemme, mitä etuja sillä on vähentää elektronisen sirun transistorin nanometriä.

5 nm transistorit

Suurempi transistorin tiheys

Avain on transistorit, ne määrittävät loogisten porttien ja piirien lukumäärän, joka voidaan sijoittaa vain muutaman neliö millimetrin piin sisään. Puhumme melkein 3 miljardista transistorista 174 mm ^{2: n} matriisissa, kuten 14 nm Intel i9-9900K. AMD Ryzen 3000: n tapauksessa noin 3, 9 miljardia transistoria 74 mm ^{2: n} ryhmässä, jonka nm on 7 nm.

Suurempi nopeus

Mitä tämä tekee, on tarjota sirulle paljon enemmän prosessointitehoa, koska se kykenee lukitsemaan monilla muilla tiloilla sirulla, jolla on suurempi puolijohteiden tiheys. Tällä tavoin saadaan enemmän ohjeita jaksoa kohden, tai mikä on samaa, nostamme suorittimen IPC: tä, esimerkiksi jos verrataan Zen + ja Zen 2 -suorittimia. Itse asiassa AMD väittää, että sen uudet prosessorit ovat lisänneet Keskeinen kuluttajahintaindeksi jopa 15% edelliseen sukupolveen verrattuna.

Parempi energiatehokkuus

Koska transistoreilla on vähemmän nanometriä, niiden läpi kulkevien elektronien määrä on vähemmän. Seurauksena on, että transistori muuttaa tilaa pienemmällä teholähteellä, joten tämä parantaa huomattavasti energiatehokkuutta. Joten sanotaan, että voimme tehdä saman työn vähemmän voimalla, joten tuotamme enemmän prosessointitehoa kulutettua wattia kohti.

Tämä on erittäin tärkeää akkukäyttöisissä laitteissa, kuten kannettavissa tietokoneissa, älypuhelimissa jne. 7 nm: n prosessorien etuna on, että meillä on uskomattoman itsenäisyyden puhelimet ja mahtava suorituskyky uuden Snapdragon 855: n, Applen uuden A13 Bionicin ja Huawein Kirin 990: n kanssa.

Pienemmät ja tuoreemmat sirut

Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, meillä on miniatyrisointikyky. Samalla tavalla, että voimme laittaa enemmän transistoreita yksikköä kohti pinta-alaa, voimme myös vähentää tätä, jotta saadaan pienempiä siruja, jotka tuottavat vähemmän lämpöä. Kutsumme tätä TDP: ksi, ja se on lämpö, ​​jonka pii voi tuottaa enimmäislatauksellaan, varokaa, se ei ole kuluttamaa sähköä. Tämän ansiosta voimme pienentää laitteita ja ne kuumenevat paljon vähemmän, ja niillä on sama prosessointiteho.

On myös haittoja

Jokaisella suurella askel eteenpäin on omat riskinsä, ja sama voidaan sanoa nanoteknologiassa. Koska transistorit ovat vähemmän nanometriä, valmistusprosessi on paljon vaikeampi suorittaa. Tarvitsemme paljon edistyneempiä tai kalliimpia teknisiä keinoja, ja vikojen määrä kasvaa huomattavasti. Selvä esimerkki on, että oikeiden sirujen suorituskyky per kiekko on heikentynyt uudessa Ryzen 3000: ssa. Kun Zen + 12 nm: ssä meillä oli noin 80% täysin toimivista siruista kiekkoa kohti, Zen 2: ssa tämä prosenttiosuus olisi laskenut 70%: iin..

Samoin prosessorien eheys vaarantuu, edellyttäen siten vakaampia voimajärjestelmiä ja parempaa signaalin laatua. Siksi uusien AMD X570 -piirisarjalevyjen valmistajat ovat erityisen huolellisesti luoneet laadukkaan VRM: n.

Päätelmät nanometristä

Kuten näemme, tekniikka etenee harppauksin, vaikka muutamassa vuodessa löydämme valmistusprosessit, jotka ovat jo käytettyjen materiaalien fysikaalisissa rajoissa jopa 3 tai 1 nanometrin transistorien kanssa. Mitä seuraavaksi tulee? Emme todellakaan tiedä, koska kvantitekniikka on hyvin vihreää ja tällaisen tietokoneen rakentaminen on käytännössä mahdotonta laboratorioympäristön ulkopuolelle.

Mitä meillä on nyt, on nähdä, onko tässä tapauksessa lisätty ytimien lukumäärää vai alkavatko käyttää materiaaleja, kuten grafeeni, jotka sallivat suuremman transistorien tiheyden elektronisissa piireissä.

Ilman lisäohjeita, jätämme sinulle muita mielenkiintoisia artikkeleita:

Luuletko saavasi nähdä 1nm prosessoreita? Mitä prosessoria sinulla on? Toivomme, että artikkeli oli mielenkiintoinen, kerro meille mitä mieltä olet.