Nanométerek: mi ezek és hogyan befolyásolják a CPU-t

Hallottál már valaha a processzor nanométereiről ? Nos, ebben a cikkben mindent elmondunk neked erről az intézkedésről. És ami a legfontosabb, hogy a nanométerek milyen hatással vannak az elektronikus chipekre és a különféle elemekre, amelyekre ezeket a méréseket hivatkozunk.

Mi a nanométer?

Kezdjük pontosan annak meghatározásával, hogy mi a nanométer, mivel ez az egyszerű tény sok játékot fog nyújtani nem csak a számítástechnika területén, hanem a biológiában és a többi, a tanulmányt érintő tudományban is.

A nanométer (nm) egy olyan hosszúságmérő, amely a Nemzetközi Rendszer (SI) része. Ha figyelembe vesszük, hogy a mérő a skála standard vagy alapegysége, akkor a nanométer a méter egymilliárd részének felel meg, vagy mi lenne ugyanaz:

A normál ember számára érthető szempontból olyasmi, ami nanométert mér, csak nagy teljesítményű elektronmikroszkóp segítségével láthatjuk. Például az emberi haj átmérője körülbelül 80 000 nanométer lehet, tehát képzelje el, milyen kicsi az elektronkomponens, amely csak 14 nm.

Ez az intézkedés mindig is létezett, nyilvánvaló, de a hardverközösség számára az utóbbi években különös jelentőségű volt. A gyártók erős versenyének köszönhetően egyre kisebb félvezetőkön vagy tranzisztorokon alapuló integrált áramkörök készülnek.

A tranzisztor

Tranzisztor és elektronikus vázlat

Valószínűleg passzív és aktív beszélgetést hallottál a processzor tranzisztorairól. Azt mondhatjuk, hogy a tranzisztor a legkisebb elem, amely megtalálható egy elektronikus áramkörben, természetesen, elkerülve az elektronokat és az elektromos energiát.

A tranzisztorok félvezető anyagból, például szilikonból vagy germániumból készültek. Ez egy olyan elem, amely elektromos áramvezetőként vagy szigetelőjeként viselkedik, attól függően, hogy milyen fizikai körülmények között vannak kitéve. Például mágneses mező, hőmérséklet, sugárzás stb. És természetesen egy bizonyos feszültséggel, például a CPU tranzisztorjai esetében.

A tranzisztor abszolút minden integrált áramkörben jelen van. Rendkívüli jelentőséggel bír abban, amit képes: kimeneti jelet generálni egy bemeneti jelre adott válaszként, vagyis engedélyezni vagy nem engedélyezni az áram átadását egy inger előtt, így létrehozva a bináris kódot (1 áram, 0 nem aktuális).

Logikai kapuk és integrált áramkörök

NAND portok

Litográfiai folyamaton keresztül egy transzisztorból álló, bizonyos szerkezetű áramköröket lehet létrehozni a logikai kapuk kialakításához. A logikai kapu a következő egység a tranzisztor mögött, egy elektronikus eszköz, amely képes egy bizonyos logikai vagy logikai funkció végrehajtására. Néhány tranzisztorral, amelyek valamilyen módon kapcsolódnak egymáshoz, összeadhatjuk, kivonhatjuk és létrehozhatjuk SI, ÉS, NAND, VAGY, NEM, stb. Kapukat. Így adják meg a logikát az elektronikus alkatrészek.

Így jönnek létre integrált áramkörök olyan tranzisztorok, ellenállások és kondenzátorok sorozatával, amelyek képesek képezni az úgynevezett elektronikus chipeket.

Litográfia vagy fotolitográfia

Szilikon ostya

A litográfia az ilyen rendkívül kicsi elektronikus chipek felépítésének módja, különösképpen a fotolitográfia, majd a nanolitográfia nevében származik, mivel ezt a technikát a kezdetektől fogva használták a kövek vagy fémek tartalmának rögzítésére.

Jelenleg hasonló technikát alkalmazunk félvezetők és integrált áramkörök létrehozására. Ehhez nanométer vastag szilícium ostyákat használnak, amelyek bizonyos összetevők fénynek való kitettségén és más kémiai vegyületek alkalmazásán keresztül képesek mikroszkopikus méretű áramkörök létrehozására. Ezeket az ostyakat egymás után rakják egymás után, amíg nem kapnak egy pokolba egy összetett 3D-s chipet.

Hány nanométer van a jelenlegi tranzisztorokban?

Az első félvezető-alapú processzorokat 1971-ben jelentette meg az Intel innovatív 4004-es verziójával. A gyártónak sikerült 10 000 nm-es tranzisztorokat vagy 10 mikrométert létrehozni, így akár 2300 tranzisztorral is rendelkezik egy chipben.

Így kezdődött a mikrotechnológia, a jelenleg a nanotechnológiáról híres felsőbbrendűségének versenye. 2019-ben olyan elektronikus chipek állnak rendelkezésre, amelyek 14 nm-es gyártási folyamata az Intel Broadwel architektúrájának, 7 nm-es, az AMD Zen 2 architektúrájával jár, sőt az IBM és más gyártók még 5 nm-es teszteket is végeznek. Annak érdekében, hogy helyzetbe kerüljünk, egy 5 nm-es tranzisztor csak 50-szer nagyobb, mint egy atom elektronfelhője. Néhány évvel ezelőtt már lehetséges volt egy 1 nm-es tranzisztor létrehozása, bár ez tisztán kísérleti folyamat.

Gondolod, hogy minden gyártó saját chipeket készít? Nos, az az igazság, hogy nem, és a világban négy nagyhatalmat találunk, amelyek elkötelezettek az elektronikus chipek gyártására.

• TSMC: Ez a mikro-technológiai vállalat a világ egyik vezető chipszerelője. Valójában olyan márkák processzorait készíti, mint az AMD (a központi rész), az Apple, a Qualcomm, az Nvidia, a Huawei vagy a Texas Instrument. Ez a legfontosabb gyártó a 7 nm-es tranzisztorokban. Globális öntödék - Ez egy másik, a legtöbb vásárlóval rendelkező szilícium ostyagyártó, köztük az AMD, a Qualcomm és mások. De ebben az esetben többek között 12 és 14 nm-es tranzisztorokkal. Intel: A kék óriásnak saját processzorgyára van, tehát nem függ a többi gyártótól, hogy készítse el a termékeit. Talán ezért van olyan hosszú a 10nm-es architektúra fejlesztése a 7nm-es versenytársakkal szemben. De biztos lehetsz benne, hogy ezek a CPU-k brutálisak lesznek. Samsung: A koreai társaságnak is van saját szilíciumgyára, tehát ugyanazon feltételekkel vagyunk, mint az Intel. Saját processzorok létrehozása okostelefonokhoz és más eszközökhöz.

Moore törvénye és a fizikai határ

Grafén tranzisztor

A híres Moore-törvény azt mondja nekünk, hogy kétévente megnövekszik az elektronok száma a mikroprocesszorokban, és az az igazság, hogy ez igaz a félvezetők kezdete óta. Jelenleg a chis-et 7 nm-es tranzisztorokkal értékesítik, különösen az AMD rendelkezik processzorokkal ebben az asztali litográfiában, az AMD Ryzen 3000 a Zen 2 architektúrával. Hasonlóképpen a gyártók, például a Qualcomm, a Samsung vagy az Apple is rendelkeznek 7 nm processzorok mobil eszközökhöz.

Az 5 nm-es nanométert fizikai határértékként állítják be egy szilícium alapú tranzisztor előállításához. Tudnunk kell, hogy az elemek atomokból állnak, és ezek bizonyos méretűek. A világ legkisebb kísérleti tranzisztorjai 1 nm-esek, és grafénből készültek, amely anyag sokkal kisebb szénatomokon alapszik, mint a szilícium.

Intel Tick-Tock modell

Intel Tick Tock modell

Ezt a modellt alkalmazta az Intel gyártó 2007 óta a processzorok architektúrájának létrehozására és fejlesztésére. Ez a modell két részre oszlik, amelynek alapja a gyártási folyamat csökkentése, majd az építészet optimalizálása.

A Tick lépés akkor fordul elő, amikor a gyártási folyamat csökken, például 22 nm-ről 14 nm-re. Míg a Tock megteszi ugyanazt a gyártási folyamatot, és a következő iterációban optimalizálja azt, a nanométerek további csökkentése helyett. Például a 2011-es Sandy Bridge-építészet a Tock volt (javulás Nehalem 32 nm-es verziójához képest), míg a Borostyán híd a Tick volt 2012-ben (22 nm-re csökkent).

A priori ezt a tervet tervezte, hogy évente készítsen Tick-t, és folytatja Tockot, de már tudjuk, hogy a kék óriás 2013- tól elhagyta ezt a stratégiát, a Haswelli 22 nm-es folytatással és a 14 nm-re való átmenettel 2014 Azóta az egész lépés Tock volt, vagyis a 14 nm-es optimalizálást addig folytatják, amíg 2019. évben el nem éri a 9. generációs Intel Core-t. Várható, hogy ugyanebben az évben vagy 2020 elején új Tick lépcsőfok lesz a 10 nm érkezésével.

A következő lépés: a kvantumszámítógép?

A félvezető-alapú architektúra korlátozásaira valószínűleg a kvantumszámításban rejlik válasz. Ez a paradigma teljesen megváltoztatja a számítástechnika filozófiáját a számítógépek kezdetétől kezdve, mindig a Turing-gépen alapulva.

A kvantumszámítógép nem tranzisztorokon és bitjeken alapul. Molekulákká és részecskékké válnak, és Qbit-ekké (kvantum-bitekké). Ez a technológia megkísérel elektronokkal szabályozni az anyag molekuláinak állapotát és viszonyait, hogy egy tranzisztorhoz hasonló műveletet kapjon. Természetesen az 1 Qbit egyáltalán nem egyenlő 1 bittel, mivel ezek a molekulák nem kettő, hanem három vagy több különböző állapotot hozhatnak létre, így megsokszorozva a komplexitást és a műveletek végrehajtásának képességét.

De mindezekre néhány apró korlátozás van, például szükségünk van az abszolút nulla (-273 ^o C) hőmérsékletre a részecskék állapotának ellenőrzése érdekében, vagy a rendszer vákuumban történő felszerelése.

• További információkért látogasson el a cikkbe, amelyet egy ideje tanulmányoztunk arról, hogy mi a kvantum-processzor.

Milyen hatással vannak a nanométerek a processzorokra?

Az elektronika izgalmas és összetett világát hagyjuk hátra, amelyben csak a gyártók és mérnökeik valóban tudják, mit csinálnak. Most meglátjuk, milyen előnyei vannak annak, ha csökkenti az elektronikus chip tranzisztorának nanométereit.

5 nm tranzisztorok

Magasabb tranzisztor sűrűség

A kulcs a tranzisztorok, amelyek meghatározzák a néhány négyzet milliméter szilikon belsejébe helyezhető logikai portok és áramkörök számát. Szinte 3 milliárd tranzisztorról beszélünk egy 174 mm2-es mátrixban, például a 14 nm Intel i9-9900K-ben. Az AMD Ryzen 3000 esetében kb. 3, 9 milliárd tranzisztor van egy 74 mm 2-es sorozatban , 7 nm-en.

Nagyobb sebesség

Ennek az az, hogy a chip sokkal több feldolgozási energiát biztosít, mivel sokkal több állapotot képes zárolni egy nagyobb sávú félvezetőkkel rendelkező chipen. Ilyen módon ciklusonként több utasítást érünk el, vagy ami ugyanaz, növeli a processzor IPC-jét, például ha összehasonlítjuk a Zen + és a Zen 2 processzorokat. Valójában az AMD állítása szerint az új CPU-k megnövelték a Alap CPI akár 15% is az előző generációhoz képest.

Nagyobb energiahatékonyság

Ha kevesebb nanométer tranzisztorral rendelkeznek, akkor kevesebb az általuk áthaladó elektronok mennyisége. Következésképpen a tranzisztor alacsonyabb tápellátással változtatja meg az állapotot, tehát ez jelentősen javítja az energiahatékonyságot. Tegyük fel, hogy ugyanazt a munkát végezhetjük kevesebb energiával, tehát egy fogyasztásonként több feldolgozási teljesítményt termelünk.

Ez nagyon fontos az akkumulátorral működő berendezések, például laptopok, okostelefonok stb. Esetén. A 7 nm-es processzorok előnye, hogy hihetetlen autonómiájú telefonokkal és látványos teljesítménnyel bírt minket az új Snapdragon 855, az Apple új A13 Bionic és a Huawei Kirin 990 telefonokból.

Kisebb és frissebb chips

Végül, de nem utolsósorban, miniatürizáló képességgel rendelkezik. Ugyanúgy, mint egy egységnyi területre több tranzisztort tehetünk, ezt csökkenthetjük, hogy kisebb forgácsok legyenek, amelyek kevesebb hőt termelnek. Ezt TDP-nek hívjuk, és a hő, amelyet egy szilícium maximális töltésével generálhat, vigyázz, nem ez az a villamos energia, amelyet fogyaszt. Ennek köszönhetően kisebb eszközöket tudunk készíteni, amelyek sokkal kevesebbet melegítenek, ugyanolyan feldolgozási teljesítménygel.

Vannak hátrányok is

Minden nagy előrelépésnek megvan a maga kockázata, és ugyanez mondható el a nanotechnológiában. Ha kevesebb nanométer tranzisztorral rendelkezik, a gyártási folyamat sokkal nehezebben hajtható végre. Sokkal fejlettebb vagy drágább technikai eszközökre van szükségünk, és a hibák száma jelentősen növekszik. Világos példa arra, hogy az új Ryzen 3000-ben csökkent a megfelelő chipek teljesítménye ostyánként. Míg a Zen + 12 nm-ben a tökéletesen működő chipek kb. 80% -a volt ostyánként, a Zen 2-ben ez a százalék 70% -ra csökkent..

Hasonlóképpen a processzorok integritása szintén sérül, tehát stabilabb és jobb jelminőségű energiaellátó rendszereket igényel. Ezért az új AMD X570 lapkakészlet-gyártók különös figyelmet fordítottak a minőségi VRM létrehozására.

Következtetések a nanométerekről

Mint láthatjuk, a technológia ugrásszerűen halad előre, bár néhány év alatt olyan gyártási folyamatokat találunk, amelyek már a 3 vagy 1 nanométer tranzisztorokkal használt anyagok fizikai határán is lesznek. Mi lesz a következő? Nos, természetesen nem tudjuk, mert a kvantumtechnika nagyon zöld, és gyakorlatilag lehetetlen ilyen számítógépet felépíteni laboratóriumi környezetben.

Most azt kell megvizsgálnunk, hogy ilyen esetben a magok száma még tovább növekszik-e, vagy olyan anyagokat, mint például a grafén, amelyek az elektronikus áramkörök tranzisztorok nagyobb sűrűségét engedik meg, kezdik-e használni.

További beavatkozás nélkül más érdekes cikkeket hagyunk neked:

Gondolod, hogy meglátogatjuk az 1 nm processzorokat? Milyen processzorod van? Reméljük, hogy a cikk érdekes volt, mondja el, mit gondol.