Нанометри: що вони таке і як вони впливають на наш процесор

Ви коли-небудь чули про нанометри процесора ? Що ж, у цій статті ми збираємось розповісти вам усе про цей захід. І найголовніше, який вплив мають нанометри на електронні мікросхеми та різні елементи, на які ми посилаємося в цих вимірах.

Що таке нанометр

Почнемо саме з визначення того, що таке нанометри, адже цей простий факт дасть багато гри не тільки для обчислень, але і для біології та інших наук, які мають значення для вивчення.

Нанометр (нм) - це міра довжини, яка є частиною Міжнародної системи (СІ). Якщо ми вважаємо, що лічильник - це стандартна або основна одиниця в шкалі, нанометр - це одна мільярд метра метра, або що було б однаково:

З точки зору, зрозумілого нормальній людині, те, що вимірює нанометр, ми можемо бачити це лише за допомогою потужного електронного мікроскопа. Наприклад, волосся людини може мати діаметр приблизно 80 000 нанометрів, тож уявіть собі, наскільки маленький електронний компонент - це лише 14 нм.

Цей захід існував завжди, очевидно, але для апаратного співтовариства він мав особливе значення в останні роки. Через сильну конкуренцію виробників за створення інтегральних мікросхем на основі все менших напівпровідників або транзисторів.

Транзистор

Транзисторна та електронна схематичні

Ви, напевно, чули пасивні та активні розмови про транзистори процесора. Можна сказати, що транзистор - це найменший елемент, який можна знайти в електронному ланцюзі, звісно, ​​уникаючи електронів та електричної енергії.

Транзистори - це елементи, виготовлені з напівпровідникового матеріалу, таких як кремній або германій. Це елемент, який може вести себе як провідник електрики або як його ізолятор, залежно від фізичних умов, яким він піддається. Наприклад, магнітне поле, температура, випромінювання тощо. І звичайно з певною напругою, що стосується транзисторів ЦП.

Транзистор присутній в абсолютно всіх інтегральних схемах, які існують сьогодні. Його величезне значення полягає в тому, що він здатний зробити: генерувати вихідний сигнал у відповідь на вхідний сигнал, тобто дозволяти чи не пропускати струм перед стимулом, створюючи таким чином бінарний код (1 струм, 0 не поточний).

Логічні ворота та інтегральні схеми

NAND-порти

Через літографічний процес можна створити схеми з певною структурою, що складається з декількох транзисторів, щоб утворити логічні ворота. Логічний затвор - це наступний блок за транзистором, електронний пристрій, здатний виконувати певну логічну або булеву функцію. За допомогою декількох транзисторів, пов'язаних так чи інакше, ми можемо додавати, віднімати та створювати ворота SI, AND, NAND, OR, NOT тощо. Ось як логіка задається електронному компоненту.

Так створюються інтегральні мікросхеми із послідовністю транзисторів, резисторів та конденсаторів, які здатні утворювати те, що зараз називають електронними мікросхемами.

Літографія або фотолітографія

Кремнієві вафлі

Літографія - це спосіб побудови цих надзвичайно малих електронних мікросхем, конкретно вона отримана від імені фотолітографії, а потім нанолітографії, оскільки ця методика у своїх початках використовувалася для запису вмісту у каміння чи метали.

Наразі робиться використання подібної методики для створення напівпровідників та інтегральних схем. Для цього використовуються кремнієві пластини з нанометром, які завдяки процесам, заснованим на впливі світла певних компонентів та використанні інших хімічних сполук, здатні створювати схеми мікроскопічних розмірів. У свою чергу, ці вафлі укладаються до тих пір, поки не отримають пекло складного 3D-чіпа.

Скільки нанометрів мають поточні транзистори?

Перші напівпровідникові процесори з'явилися в 1971 році від Intel з його інноваційним 4004. Виробнику вдалося створити транзистори 10 000 нм, або 10 мікрометрів, тим самим маючи до 2300 транзисторів на мікросхемі.

Так розпочалася гонка за верховенство в галузі мікротехнологій, яка в даний час відома нанотехнологіями. У 2019 році у нас є електронні мікросхеми з 14-нм виробничим процесом, що поставляється з архітектурою Broadwel від Intel, 7 нм, з архітектурою Zen 2 AMD, і навіть 5-нм тести проводяться IBM та іншими виробниками. Щоб ми поставили себе в ситуацію, 5-нм транзистор був би лише в 50 разів більшим, ніж електронна хмара атома. Кілька років тому вже можна було створити 1 нм транзистор, хоча це суто експериментальний процес.

Ви думаєте, що всі виробники виготовляють власні чіпи? Ну, правда полягає в тому, що ні, і у світі ми можемо знайти чотири великих сили, які присвячені виробництву електронних мікросхем.

• TSMC: Ця компанія з мікротехнологій є одним з провідних світових розробників мікросхем. Фактично, це робить процесори таких брендів, як AMD (основна частина), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei або Texas Instrument. Він є ключовим виробником 7-нм транзисторів. Global Foundries - це ще один із виробників кремнієвих пластин з найбільшою кількістю покупців, включаючи AMD, Qualcomm та інших. Але в цьому випадку з 12 та 14 нм транзисторами серед інших. Intel: У синього гіганта є своя фабрика процесорів, тому від створення виробників своєї продукції це не залежить від інших виробників. Можливо, саме тому 10-нм архітектура займає стільки часу, щоб розвиватися проти своїх 7-нм-конкурентів. Але будьте впевнені, що ці процесори будуть жорстокими. Samsung: Корейська компанія також має власну фабрику кремнію, тому ми перебуваємо на тих же умовах, що і Intel. Створення власних процесорів для смартфона та інших пристроїв.

Закон Мура та фізична межа

Графіновий транзистор

Знаменитий Закон Мура говорить нам, що кожні два роки кількість електронів у мікропроцесорах подвоюється, і правда полягає в тому, що це було правдою з початку напівпровідників. В даний час у продажу продаються диски з 7-нм транзисторами, зокрема, AMD має процесори в цій літографії для настільних ПК, AMD Ryzen 3000 з архітектурою Zen 2. Аналогічно, такі виробники, як Qualcomm, Samsung або Apple, також мають 7nm-процесори для мобільних пристроїв.

Нанометром 5 нм встановлено фізичну межу для створення транзистора на основі кремнію. Треба знати, що елементи складаються з атомів, і вони мають певний розмір. Найменші в світі експериментальні транзистори вимірюють 1 нм, виготовлені з графену, матеріалу на основі набагато менших атомів вуглецю, ніж кремнію.

Модель Intel Tick-Tock

Модель тока Intel Tick

Це модель, яку виробник Intel прийняв з 2007 року для створення та розвитку архітектури своїх процесорів. Ця модель розділена на два етапи, що базується на скороченні виробничого процесу, а потім оптимізації архітектури.

Крок галочки відбувається, коли виробничий процес зменшується, наприклад, з 22 нм до 14 нм. Хоча крок Tock, що робить, це підтримувати той самий виробничий процес і оптимізувати його в наступній ітерації, а не додатково зменшувати нанометри. Наприклад, архітектура Sandy Bridge 2011 року була Tock (покращення від 32-х нм Негалема), тоді як Ivy Bridge був тиком у 2012 році (зменшився до 22 нм).

Апріорі, цей план, який він мав на меті, був зробити рік Тик, і він продовжує Ток, але ми вже знаємо, що блакитний гігант відмовився від цієї стратегії з 2013 року з продовженням 22 нм в Хасвеллі і переміщенням до 14 нм в 2014 рік. З тих пір увесь крок був Tock, тобто 14 нм продовжували оптимізуватися до досягнення 9-го покоління Intel Core у 2019 році. Очікується, що в цьому ж році або на початку 2020 року відбудеться новий крок Tick з приходом 10 нм.

Наступний крок: квантовий комп'ютер?

Можливо, відповідь на обмеження напівпровідникової архітектури полягає в квантових обчисленнях. Ця парадигма повністю змінює філософію обчислення від початку комп'ютерів, завжди засновану на машині Тьюрінга.

Квантовий комп'ютер не базувався ні на транзисторах, ні на бітах. Вони стануть молекулами і частинками і Qbit (квантовими бітами). Ця технологія намагається контролювати стан і зв’язки молекул у матерії за допомогою електронів, щоб отримати аналогічну операцію транзистора. Звичайно, 1 Кбіт взагалі не дорівнює 1 біту, оскільки ці молекули можуть створювати не два, а три чи більше різних станів, примножуючи тим самим складність, але й можливість виконувати операції.

Але для всього цього у нас є деякі невеликі обмеження, такі як необхідність температури, близької до абсолютного нуля (-273 ^o C) для контролю стану частинок, або встановлення системи під вакуумом.

• Для отримання додаткової інформації про все це, відвідайте цю статтю, яку ми вивчали деякий час тому про те, що таке квантовий процесор.

Що нанометри впливають на процесори?

Ми залишаємо після себе цей захоплюючий і складний світ електроніки, в якому тільки виробники та їхні інженери дійсно знають, чим вони займаються. Тепер ми побачимо, яку користь має зменшити нанометри транзистора для електронного чіпа.

5nm транзистори

Більша транзисторна щільність

Ключовим є транзистори, вони визначають кількість логічних портів і ланцюгів, які можна помістити всередину кремнію всього в кілька квадратних міліметрів. Ми говоримо про майже 3 мільярди транзисторів в матриці 174 мм ^2, наприклад, 14nm Intel i9-9900K. У випадку з AMD Ryzen 3000 приблизно 3, 9 мільярда транзисторів в масиві 74 мм ² із 7 нм.

Більш висока швидкість

Для цього чіп забезпечує набагато більше процесорних потужностей, оскільки він здатний фіксувати набагато більше станів на мікросхемі з більш високою щільністю напівпровідників. Таким чином, отримуємо більше інструкцій за цикл, або що таке саме, ми піднімаємо IPC процесора, як, наприклад, якщо порівнювати процесори Zen + і Zen 2. Насправді AMD стверджує, що його нові процесори збільшили їх Основний ІСЦ до 15% порівняно з попереднім поколінням.

Більш висока енергоефективність

Маючи транзистори з меншою кількістю нанометрів, кількість електронів, які проходять через них, менша. Отже, транзистор змінює стан з меншим джерелом живлення, тому це значно покращує енергоефективність. Тож скажімо, що ми можемо виконувати ту саму роботу з меншою потужністю, тому ми генеруємо більше енергії обробки на спожиту ватт.

Це дуже важливо для обладнання, що працює на акумуляторах, таких як ноутбуки, смартфон тощо. Перевага наявності 7 нм-процесорів дозволила нам мати телефони з неймовірною автономією та вражаючу продуктивність з новим Snapdragon 855, новим A13 Bionic від Apple та Kirin 990 від Huawei.

Менші та свіжіші чіпси

І останнє, але не менш важливе, ми маємо можливість мініатюризації. Так само, як ми можемо помістити більше транзисторів на одиницю площі, ми також можемо зменшити це, щоб мати менші мікросхеми, які виробляють менше тепла. Ми називаємо це TDP, і саме тепло, яке кремній може генерувати при своєму максимальному заряді, будьте обережні, це не електрична енергія, яку він споживає. Завдяки цьому ми можемо зробити пристрої меншими, і вони нагріваються набагато менше, маючи однакову потужність обробки.

Є і недоліки

Кожен великий крок вперед має свої ризики, і те саме можна сказати в нанотехнологіях. Маючи транзистори менше нанометрів, ускладнює процес виготовлення. Нам потрібні набагато досконаліші або дорогі технічні засоби, і кількість відмов істотно збільшується. Яскравим прикладом є те, що продуктивність на одну пластину правильних чіпів знизилася в новому Ryzen 3000. Якщо в Zen + 12 нм у нас було близько 80% ідеально функціональних фішок на одну пластину, в Zen 2 цей відсоток знизився б до 70%.

Так само порушена цілісність процесорів, що вимагає стабільніших систем живлення та покращення якості сигналу. Ось чому виробники нових платок чіпсетів AMD X570 особливо уважно поставилися до створення якісного VRM.

Висновки щодо нанометрів

Як ми бачимо, технологія просувається як стрибками, хоча через кілька років ми знайдемо виробничі процеси, які вже будуть на фізичній межі матеріалів, що використовуються з транзисторами навіть 3 або 1 нанометрів. Що буде далі? Ми точно не знаємо, оскільки квантова технологія дуже зелена, і побудувати такий комп'ютер поза лабораторним середовищем практично неможливо.

Нам зараз доведеться побачити, чи в цьому випадку кількість ядер збільшиться ще більше, або почнуть використовувати матеріали, такі як графен, які допускають більш високу щільність транзисторів для електронних схем.

Без зайвих прихильностей, ми залишаємо вас з іншими цікавими статтями:

Як ви думаєте, ми побачимо 1nm-процесори? Який у вас процесор? Сподіваємося, стаття була цікавою, розкажіть, що ви думаєте.