Nanometry: co jsou a jak ovlivňují náš procesor

Už jste někdy slyšeli o nanometrech procesoru ? V tomto článku vám o tomto opatření řekneme vše. A co je nejdůležitější, jaký vliv mají nanometry na elektronické čipy a různé prvky, na které odkazujeme při těchto měřeních.

Co je nanometr

Začněme přesně definováním toho, co jsou nanometry, protože tento jednoduchý fakt dá spoustu hry nejen pro práci na počítači, ale také v biologii a dalších vědách, na nichž záleží.

Nanometr (nm) je míra délky, která je součástí mezinárodního systému (SI). Pokud vezmeme v úvahu, že metr je standardní nebo základní jednotka na stupnici, nanometr je jedna miliardtina metru nebo co by bylo stejné:

Z hlediska srozumitelné pro normální lidskou bytost, něco, co měří nanometr, to můžeme vidět pouze pomocí vysoce výkonného elektronového mikroskopu. Například lidské vlasy mohou mít průměr přibližně 80 000 nanometrů, takže si představte, jak malá elektronická součástka je pouze 14 nm.

Toto opatření vždy existovalo, je to zřejmé, ale pro hardwarovou komunitu to mělo v posledních letech zvláštní význam. Vzhledem k silné konkurenci výrobců vytvářet integrované obvody založené na stále menších polovodičích nebo tranzistorech.

Tranzistor

Tranzistor a elektronické schéma

Pravděpodobně jste slyšeli pasivní a aktivní rozhovory o tranzistorech procesoru. Dá se říci, že tranzistor je nejmenší prvek, který lze nalézt v elektronickém obvodu, samozřejmě, vyhýbající se elektronům a elektrické energii.

Tranzistory jsou prvky vyrobené z polovodičového materiálu, jako je křemík nebo germánium. Je to prvek, který se může chovat jako dirigent elektřiny nebo jako jeho izolátor v závislosti na fyzických podmínkách, kterým je vystaven. Například magnetické pole, teplota, záření atd. A samozřejmě s určitým napětím, což je případ tranzistorů CPU.

Tranzistor je přítomen ve všech integrovaných obvodech, které dnes existují. Jeho nesmírná důležitost spočívá v tom, co je schopno: generování výstupního signálu v reakci na vstupní signál, tj. Umožnění či nikoli průchod proudu před stimulem, čímž se vytvoří binární kód (1 proud, 0 není aktuální).

Logické brány a integrované obvody

Porty NAND

Litografickým procesem je možné vytvořit obvody s určitou strukturou složenou z několika tranzistorů pro vytvoření logických bran. Logická brána je další jednotka za tranzistorem, elektronické zařízení, které je schopné vykonávat určitou logickou nebo booleovskou funkci. S několika tranzistory spojenými tak či onak, můžeme přidávat, odečítat a vytvářet SI, AND, NAND, OR, NOT, atd. Brány. Takto je logice přiřazena elektronická součástka.

Takto se vytvářejí integrované obvody s řadou tranzistorů, rezistorů a kondenzátorů, které jsou schopny tvořit tzv. Elektronické čipy.

Litografie nebo fotolitografie

Křemíková oplatka

Litografie je způsob, jak postavit tyto extrémně malé elektronické čipy, konkrétně se odvozuje ve jménu fotolitografie a poté nanolitografie, protože tato technika byla ve svých počátcích používána k gravírování obsahu na kamenech nebo kovech.

V současné době se podobná technika používá k vytváření polovodičů a integrovaných obvodů. K tomu se používají nanometrové křemíkové destičky, které jsou prostřednictvím procesů založených na vystavení určitých složek světlu a použití dalších chemických sloučenin schopné vytvářet obvody mikroskopických velikostí. Tyto oplatky jsou zase naskládány, dokud nezískají peklo složitého 3D čipu.

Kolik nanometrů mají současné tranzistory?

První procesory založené na polovodičích se objevily v roce 1971 společností Intel s inovativní technologií 4004. Výrobce dokázal vytvořit 10 000 nm tranzistorů, nebo 10 mikrometrů, takže měl na čipu až 2 300 tranzistorů.

Tak začal závod o nadvládu v mikrotechnologii, v současnosti známý pro nanotechnologii. V roce 2019 máme elektronické čipy se 14nm výrobním procesem, který přichází s architekturou Intel Broadwellu, 7nm, s architekturou AM2 Zen2, a dokonce i 5nm testy provádějí IBM a další výrobci. Abychom se dostali do situace, 5nm tranzistor by byl jen 50krát větší než elektronový mrak atomu. Před několika lety bylo již možné vytvořit 1 nm tranzistor, i když je to čistě experimentální proces.

Myslíte si, že všichni výrobci si vyrábějí vlastní čipy? Pravda je taková, že ne a ve světě najdeme čtyři velké síly, které se věnují výrobě elektronických čipů.

• TSMC: Tato společnost v oblasti mikro technologií je jedním z předních světových výrobců čipů. Ve skutečnosti to dělá procesory od značek jako AMD (hlavní část), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei nebo Texas Instrument. Je to klíčový výrobce tranzistorů 7nm. Global Foundries - To je další z výrobců křemíkových destiček s nejvíce zákazníky, včetně AMD, Qualcomm a dalších. Ale v tomto případě mezi jinými tranzistory 12 a 14 nm. Intel: Modrý gigant má vlastní továrnu na procesory, takže nezávisí na tom, aby ostatní výrobci vytvářeli své produkty. Možná to je důvod, proč architektura 10nm trvá tak dlouho, než se vyvíjí proti jejím 7nm konkurentům. Ujišťujeme vás však, že tyto procesory budou brutální. Samsung: Korejská společnost má také vlastní továrnu na křemík, takže jsme za stejných podmínek jako společnost Intel. Vytváření vlastních procesorů pro smartphone a další zařízení.

Mooreův zákon a fyzický limit

Grafenový tranzistor

Slavný Mooreův zákon nám říká, že každé dva roky se počet elektronů v mikroprocesorech zdvojnásobí a pravda je taková, že to platí od začátku polovodičů. V současné době jsou chis prodávány se 7nm tranzistory, konkrétně AMD má procesory v této litografii pro stolní počítače, AMD Ryzen 3000 s architekturou Zen 2. Podobně také výrobci jako Qualcomm, Samsung nebo Apple mají také 7nm procesory pro mobilní zařízení.

Nanometr 5 nm je nastaven jako fyzický limit pro vytvoření tranzistoru na bázi křemíku. Musíme vědět, že prvky jsou tvořeny atomy, které mají určitou velikost. Nejmenší experimentální tranzistory na světě měří 1 nm a jsou vyrobeny z grafenu, materiálu založeného na mnohem menších atomech uhlíku než křemíku.

Model Intel Tick-Tock

Intel Tick Tock Model

Toto je model, který společnost Intel přijala od roku 2007 za účelem vytvoření a vývoje architektury svých procesorů. Tento model je rozdělen do dvou kroků, které jsou založeny na snížení výrobního procesu a optimalizaci architektury.

Krok Tick nastává, když se výrobní proces snižuje, například z 22 nm na 14 nm. Zatímco krokem Tock je to, že udržuje stejný výrobní proces a optimalizuje jej v příští iteraci místo dalšího snižování nanometrů. Například architektura Sandy Bridge v roce 2011 byla Tock (vylepšení z Nehalemova 32nm), zatímco Ivy Bridge byl Tick v roce 2012 (snížen na 22nm).

A priori, tento plán měl v úmyslu udělat rok Tick a pokračuje v Tockovi, ale už víme, že modrý gigant opustil tuto strategii od roku 2013 s pokračováním 22 nm v Haswell a posunem na 14 nm v 2014. Od té doby byl celý krok Tock, to znamená, že 14 nm bylo nadále optimalizováno až do dosažení Intel Core 9. generace v roce 2019. Očekává se, že ve stejném roce nebo na začátku roku 2020 bude nový krok Tick s příchodem 10 nm.

Další krok: kvantový počítač?

Možná odpověď na omezení architektury založené na polovodičích spočívá v kvantovém zpracování. Toto paradigma zcela mění filozofii práce na počítači od začátku počítačů, vždy založených na Turingově stroji.

Kvantový počítač by nebyl založen na tranzistorech ani na bitech. Staly by se z nich molekuly a částice a Qbits (kvantové bity). Tato technologie se pokouší ovládat stav a vztahy molekul ve hmotě pomocí elektronů, aby získala operaci podobnou operaci tranzistoru. 1 Qbit se samozřejmě nerovná 1 bitu, protože tyto molekuly nemohou vytvořit dva, ale tři nebo více různých stavů, čímž se znásobí složitost, ale také schopnost provádět operace.

K tomu všemu však máme některá malá omezení, například potřebu teplot blízkých absolutní nule (-273 ^° C) k řízení stavu částic nebo nechat systém namontovat ve vakuu.

• Pro více informací o tom všem, navštivte tento článek, který jsme studovali před chvílí o tom, co je kvantový procesor.

Co ovlivňují procesory nanometry?

Zanecháváme za sebou tento vzrušující a složitý svět elektroniky, ve kterém pouze výrobci a jejich inženýři skutečně vědí, co dělají. Nyní uvidíme, jaké výhody to má ke snížení nanometrů tranzistoru pro elektronický čip.

Tranzistory 5nm

Vyšší hustota tranzistoru

Klíčem jsou tranzistory, které určují počet logických portů a obvodů, které lze vložit do křemíku jen několika milimetrů čtverečních. Hovoříme o téměř 3 miliardách tranzistorů v matici 174 mm ², jako je 14nm Intel i9-9900K. V případě AMD Ryzen 3000, asi 3, 9 miliardy tranzistorů v poli 74 mm ² s 7nm.

Vyšší rychlost

To umožňuje čipu poskytnout mnohem větší výpočetní výkon, protože je schopen uzamčení mnohem více stavů na čipu s vyšší hustotou polovodičů. Tímto způsobem je dosaženo více instrukcí na cyklus, nebo co je stejné, zvýšíme IPC procesoru, například když porovnáme procesory Zen + a Zen 2. Ve skutečnosti AMD tvrdí, že jeho nové procesory zvýšily své Základní CPI až o 15% ve srovnání s předchozí generací.

Větší energetická účinnost

Tím, že mají tranzistory s menším počtem nanometrů, je množství elektronů, které jimi prochází, menší. V důsledku toho tranzistor mění stav s nižším zdrojem energie, takže to výrazně zlepšuje energetickou účinnost. Řekněme tedy, že můžeme dělat stejnou práci s menším výkonem, takže vytváříme více výpočetního výkonu na spotřebovaný watt.

To je velmi důležité pro zařízení napájená z baterií, jako jsou notebooky, chytrý telefon atd. Výhoda spočívající v tom, že máme 7nm procesory, nás přivedla k telefonům s neuvěřitelnou autonomií a k úžasnému výkonu s novým Snapdragonem 855, novým A13 Bionic od Apple a Kirin 990 od Huawei.

Menší a čerstvější žetony

V neposlední řadě máme schopnost miniaturizace. Stejným způsobem, jak můžeme umístit více tranzistorů na jednotku plochy, můžeme to také snížit, abychom měli menší čipy, které generují méně tepla. Tomu říkáme TDP a je to teplo, které může křemík generovat s jeho maximálním nábojem, pozor, není to elektrická energie, kterou spotřebovává. Díky tomu můžeme vyrábět menší přístroje, které se zahřívají mnohem méně a mají stejný výpočetní výkon.

Existují také nevýhody

Každý velký krok vpřed má svá rizika a to samé lze říci i v nanotechnologiích. Díky tranzistorům s menším počtem nanometrů je výrobní proces mnohem obtížnější provést. Potřebujeme mnohem pokročilejší nebo nákladnější technické prostředky a počet poruch se podstatně zvyšuje. Jasným příkladem je, že výkon správných čipů na oplatku se u nového Ryzen 3000 snížil. Zatímco v Zen + 12 nm jsme měli kolem 80% dokonale funkčních čipů na oplatku, v Zen 2 by toto procento kleslo na 70%.

Podobně je narušena integrita procesorů, což vyžaduje stabilnější energetické systémy a lepší kvalitu signálu. Proto výrobci nových čipových desek AMD X570 věnovali zvláštní pozornost vytváření kvalitního VRM.

Závěry týkající se nanometrů

Jak vidíme, technologie postupuje skokem a mezemi, i když za několik let najdeme výrobní procesy, které již budou na fyzickém limitu materiálů použitých s tranzistory dokonce 3 nebo 1 nanometrů. Co bude dál? Určitě nevíme, protože kvantová technologie je velmi zelená a je prakticky nemožné postavit takový počítač mimo laboratorní prostředí.

Nyní budeme mít možnost zjistit, zda se v takovém případě ještě více zvýší počet jader, nebo jsou spuštěny materiály, jako je grafen, které připouštějí vyšší hustotu tranzistorů pro elektronické obvody.

Bez dalších okolků vám zanecháme další zajímavé články:

Myslíte si, že uvidíme 1nm procesory? Jaký procesor máte? Doufáme, že tento článek byl zajímavý, řekněte nám, co si myslíte.