Nanometri: kādi tie ir un kā tie ietekmē mūsu CPU

Vai esat kādreiz dzirdējuši par procesora nanometriem ? Nu, šajā rakstā mēs jums pastāstīsim visu par šo pasākumu. Un pats galvenais - kāda nanometru ietekme uz elektroniskajām mikroshēmām un dažādiem elementiem, uz kuriem mēs atsaucamies šajos mērījumos.

Kāds ir nanometrs

Sāksim precīzi definēt, kas ir nanometri, jo šis vienkāršais fakts sniegs lielu lomu ne tikai skaitļošanā, bet arī bioloģijā un citās zinātnēs, kurām ir nozīme pētījumos.

Nanometrs (nm) ir garuma mērs, kas ir daļa no Starptautiskās sistēmas (SI). Ja mēs uzskatām, ka mēraparāts ir standarta vai pamatvienība skalā, nanometrs ir viena metra viena ceturtā daļa vai kas būtu tas pats:

Normālam cilvēkam saprotamā nozīmē kaut ko tādu, kas mēra nanometru, mēs to varam redzēt tikai caur lieljaudas elektronu mikroskopu. Piemēram, cilvēka matiem var būt aptuveni 80 000 nanometru diametrs, tāpēc iedomājieties, cik mazs elektronisks komponents ir tikai 14 nm.

Šis pasākums vienmēr ir pastāvējis, tas ir acīmredzams, bet datortehnikas aprindām pēdējos gados tas ir īpaši nozīmīgs. Sakarā ar ražotāju spēcīgo konkurenci izveidot integrētas shēmas, kuru pamatā ir arvien mazāki pusvadītāji vai tranzistori.

Tranzistors

Tranzistors un elektroniska shematiska

Jūs droši vien esat dzirdējuši pasīvas un aktīvas sarunas par procesora tranzistoriem. Mēs varam teikt, ka tranzistors ir mazākais elements, ko var atrast elektroniskajā shēmā, protams, izvairoties no elektroniem un elektriskās enerģijas.

Tranzistori ir elementi, kas izgatavoti no pusvadītāju materiāla, piemēram, silīcija vai germija. Tas ir elements, kas var darboties kā elektroenerģijas vadītājs vai kā tā izolators atkarībā no fiziskajiem apstākļiem, kādiem tas ir pakļauts. Piemēram, magnētiskais lauks, temperatūra, starojums utt. Un, protams, ar noteiktu spriegumu, kas attiecas uz CPU tranzistoriem.

Tranzistors atrodas absolūti visās mūsdienās esošajās integrētajās shēmās. Tā milzīgā nozīme ir tajā, ko tā spēj: ģenerēt izejas signālu, reaģējot uz ieejas signālu, tas ir, atļaut vai neļaut strāvai pāriet pirms stimula, tādējādi izveidojot bināro kodu (1 strāva, 0 nav aktuāls).

Loģiskie vārti un integrētās shēmas

NAND ostas

Litogrāfijas procesā loģikas vārtu veidošanai ir iespējams izveidot shēmas ar noteiktu struktūru, kas sastāv no vairākiem tranzistoriem. Loģikas vārti ir nākamā vienība aiz tranzistora - elektroniska ierīce, kas spēj veikt noteiktu loģisko vai Būla funkciju. Ar dažiem tranzistoriem, kas ir savienoti vienā vai otrā veidā, mēs varam pievienot, atņemt un izveidot vārtus SI, AND, NAND, OR, NOT, utt. Šādi loģika tiek piešķirta elektroniskajam komponentam.

Šādi tiek izveidotas integrētās shēmas ar secīgiem tranzistoriem, rezistoriem un kondensatoriem, kas spēj veidot tā sauktos elektroniskos mikroshēmas.

Litogrāfija vai fotolitogrāfija

Silīcija vafele

Litogrāfija ir veids, kā veidot šīs ārkārtīgi mazās elektroniskās mikroshēmas, jo īpaši tas ir iegūts fotolitogrāfijas un pēc tam nanolitogrāfijas vārdā, jo šī tehnika tās pirmsākumos tika izmantota, lai ierakstītu saturu akmeņos vai metālos.

Pašlaik tiek darīts līdzīgas tehnikas izmantošana, lai izveidotu pusvadītājus un integrētās shēmas. Lai to izdarītu, izmanto nanometru biezas silīcija vafeles, kuras, izmantojot procesus, kuru pamatā ir noteiktu sastāvdaļu iedarbība uz gaismu, un izmantojot citus ķīmiskos savienojumus, spēj radīt mikroskopisku izmēru shēmas. Šīs vafeles savukārt tiek sakrautas, līdz iegūst elli sarežģītā 3D mikroshēmā.

Cik nanometru ir pašreizējiem tranzistoriem?

Pirmos procesorus, kuru pamatā ir pusvadītāji, Intel parādīja 1971. gadā ar savu novatorisko 4004. Ražotājam izdevās izveidot 10 000 nm tranzistorus jeb 10 mikrometrus, tādējādi mikroshēmā bija līdz 2300 tranzistoriem.

Tādējādi sākās sacensības par pārākumu mikrotehnoloģijās, kuras šobrīd ir slavenas ar nanotehnoloģijām. 2019. gadā mums ir elektroniskas mikroshēmas ar 14nm ražošanas procesu, kas nāca ar Intel Broadwel arhitektūru, 7nm, ar AMD Zen 2 arhitektūru, un pat 5nm testus veic IBM un citi ražotāji. Lai mēs nonāktu situācijā, 5 nm tranzistors būtu tikai 50 reizes lielāks nekā atoma elektronu mākonis. Pirms dažiem gadiem jau bija iespējams izveidot 1 nm tranzistoru, lai gan tas ir tikai eksperimentāls process.

Vai jūs domājat, ka visi ražotāji paši ražo mikroshēmas? Patiesība ir tāda, ka nē, un pasaulē mēs varam atrast četras lielvaras, kas ir veltītas elektronisko mikroshēmu ražošanai.

• TSMC: Šis mikro tehnoloģiju uzņēmums ir viens no pasaules vadošajiem mikroshēmu montētājiem. Faktiski tas padara procesorus no tādiem zīmoliem kā AMD (galvenā daļa), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei vai Texas Instrument. Tas ir 7nm tranzistoru galvenais ražotājs. Globālās lietuves - tas ir vēl viens no silīcija vafeļu ražotājiem, kam ir visvairāk klientu, ieskaitot AMD, Qualcomm un citus. Bet šajā gadījumā cita starpā ar 12 un 14 nm tranzistoriem. Intel: Zilajam gigantam ir sava procesora rūpnīca, tāpēc tā produktu radīšana nav atkarīga no citiem ražotājiem. Varbūt tāpēc 10 nm arhitektūra prasa tik daudz laika, lai attīstītos pret saviem 7 nm konkurentiem. Bet esiet droši, ka šie CPU būs brutāli. Samsung: Korejas uzņēmumam ir arī sava silīcija rūpnīca, tāpēc mēs esam uz tādiem pašiem noteikumiem kā Intel. Savu procesoru izveidošana viedtālrunim un citām ierīcēm.

Mūra likums un fiziskā robeža

Grafēna tranzistors

Slavenais Mūra likums vēsta, ka ik pēc diviem gadiem elektronu skaits mikroprocesoros divkāršojas, un patiesība ir tāda, ka tas ir bijis taisnība kopš pusvadītāju darbības sākuma. Pašlaik chis tiek pārdoti ar 7nm tranzistoriem, īpaši AMD ir procesori šajā litogrāfijā galddatoriem, AMD Ryzen 3000 ar Zen 2 arhitektūru. Līdzīgi ir arī tādiem ražotājiem kā Qualcomm, Samsung vai Apple 7 nm procesori mobilajām ierīcēm.

5 nm nanometrs ir noteikts kā fiziskais ierobežojums tranzīta uz silīcija bāzes veidošanai. Mums jāzina, ka elementus veido atomi, un tiem ir noteikts izmērs. Pasaulē mazāko eksperimentālo tranzistoru izmērs ir 1 nm, un tie ir izgatavoti no grafēna - materiāla, kura pamatā ir daudz mazāki oglekļa atomi nekā silīcijs.

Intel Tick-Tock modelis

Intel Tick Tock modelis

Šis ir modelis, kuru ražotājs Intel ir pieņēmis kopš 2007. gada, lai izveidotu un attīstītu savu procesoru arhitektūru. Šis modelis ir sadalīts divos posmos, kuru pamatā ir ražošanas procesa samazināšana un pēc tam arhitektūras optimizēšana.

Atzīmēšanas solis notiek, kad ražošanas process samazinās, piemēram, no 22nm līdz 14nm. Kamēr Tock apņemas saglabāt to pašu ražošanas procesu un optimizēt to nākamajā atkārtojumā, nevis vēl vairāk samazināt nanometrus. Piemēram, 2011. gada Sandy Bridge arhitektūra bija Tock (uzlabojums no Nehalem's 32nm), savukārt Ivy tilts bija Tick 2012. gadā (samazinājās līdz 22nm).

A priori šis plāns, ko viņš bija iecerējis, bija padarīt gadu Tick, un viņš turpina Tocku, bet mēs jau zinām, ka zilais gigants ir atteicies no šīs stratēģijas no 2013. gada, turpinot 22 nm Hasvelā un pārejot uz 14 nm 2014. gads. Kopš tā laika viss solis ir bijis Tock, tas ir, 14 nm tika turpināts optimizēt, līdz 2019. gadā tika sasniegts 9. paaudzes Intel Core. Paredzams, ka tajā pašā gadā vai 2020. gada sākumā būs jauns Tick solis ar 10 nm parādīšanos.

Nākamais solis: kvantu dators?

Iespējams, ka atbilde uz pusvadītāju arhitektūras ierobežojumiem slēpjas kvantu skaitļošanā. Šī paradigma pilnībā maina skaitļošanas filozofiju no datoru sākuma, vienmēr balstoties uz Tjūringa mašīnu.

Kvantu dators nebūtu balstīts ne uz tranzistoriem, ne uz bitiem. Viņi kļūtu par molekulām un daļiņām un Qbitiem (kvantu bitiem). Šī tehnoloģija mēģina kontrolēt vielas molekulu stāvokli un attiecības ar elektroniem, lai iegūtu operāciju, kas līdzīga tranzistoram. Protams, 1 Qbit vispār nav vienāds ar 1 bitu, jo šīs molekulas var radīt nevis divus, bet trīs vai vairāk dažādus stāvokļus, tādējādi reizinot sarežģītību, bet arī spēju veikt operācijas.

Bet tam visam ir daži nelieli ierobežojumi, piemēram, kad daļiņu stāvokļa kontrolei nepieciešama temperatūra tuvu absolūtai nullei (-273 ^o C), vai arī sistēma jāuzstāda vakuumā.

• Lai iegūtu vairāk informācijas par visu to, apmeklējiet šo rakstu, kuru mēs pirms kāda laika pētījām par to, kas ir kvantu procesors.

Ko nanometri ietekmē procesorus?

Mēs atstājam aizraujošo un sarežģīto elektronikas pasauli, kurā tikai ražotāji un viņu inženieri tiešām zina, ko viņi dara. Tagad mēs redzēsim, kādas priekšrocības tam ir samazināt elektroniskās mikroshēmas tranzistora nanometrus.

5nm tranzistori

Lielāks tranzistora blīvums

Galvenais ir tranzistori, tie nosaka loģisko pieslēgvietu un ķēžu skaitu, ko silikā var ievietot tikai dažus kvadrātmilimetrus. Mēs runājam par gandrīz 3 miljardiem tranzistoru 174 mm ² matricā, piemēram, 14 nm Intel i9-9900K. AMD Ryzen 3000 gadījumā apmēram 3, 9 miljardi tranzistoru ir 74 mm ² masīvā ar 7 nm.

Lielāks ātrums

Tas nodrošina mikroshēmai daudz lielāku pārstrādes jaudu, jo tā spēj bloķēt daudz vairāk stāvokļu mikroshēmā ar lielāku pusvadītāju blīvumu. Tādā veidā tiek sasniegti vairāk norādījumu vienā ciklā vai kas ir tas pats, mēs paaugstinām procesora IPC, piemēram, ja salīdzinām procesorus Zen + un Zen 2. Faktiski AMD apgalvo, ka tā jaunie CPU ir palielinājuši to Pamata PCI līdz 15% salīdzinājumā ar iepriekšējo paaudzi.

Lielāka energoefektivitāte

Ja tranzistoros ir mazāk nanometru, caur tiem iziet mazāk elektronu. Līdz ar to tranzistors maina stāvokli ar zemāku barošanas avotu, tāpēc tas ievērojami uzlabo energoefektivitāti. Tātad, pieņemsim, ka mēs varam darīt to pašu darbu ar mazāk enerģijas, tāpēc mēs saražojam lielāku apstrādes jaudu uz vienu patērēto vatu.

Tas ir ļoti svarīgi ar akumulatoru darbināmam aprīkojumam, piemēram, klēpjdatoriem, viedtālrunim utt. 7 nm procesora priekšrocība ir padarījusi mums tālruņus ar neticamām autonomijām un iespaidīgu sniegumu ar jauno Snapdragon 855, jauno A13 Bionic no Apple un Kirin 990 no Huawei.

Mazāki un svaigāki čipsi

Un visbeidzot, mums ir miniatūrizācijas iespējas. Tādā pašā veidā, kā mēs varam ievietot vairāk tranzistoru uz vienības laukumu, mēs to varam arī samazināt, lai būtu mazākas mikroshēmas, kas rada mazāk siltuma. Mēs to saucam par TDP, un tas ir siltums, ko silīcijs var radīt ar maksimālo lādiņu, esiet piesardzīgs, tā nav patērētā elektroenerģija. Pateicoties tam, mēs varam padarīt ierīces mazākas un tās daudz mazāk sakarst, un tām ir tāda pati apstrādes jauda.

Ir arī trūkumi

Katram lielam solim uz priekšu ir savi riski, un to pašu var teikt par nanotehnoloģijām. Tā kā tranzistori ir mazāki par nanometriem, ražošanas procesu ir daudz grūtāk veikt. Mums nepieciešami daudz modernāki vai dārgi tehniskie līdzekļi, un kļūmju skaits ievērojami palielinās. Skaidrs piemērs ir tas, ka jaunajā Ryzen 3000 ir samazinājusies pareizu mikroshēmu veiktspēja. Ja Zen + 12 nm mums bija aptuveni 80% perfekti funkcionējošu mikroshēmu uz viena vafeļa, Zen 2 gadījumā šis procents būtu samazinājies līdz 70%.

Līdzīgi tiek apdraudēta arī procesoru integritāte, tāpēc ir vajadzīgas stabilākas barošanas sistēmas un labāka signāla kvalitāte. Tieši tāpēc jauno AMD X570 mikroshēmojumu plātņu ražotāji ir īpaši rūpējušies, lai izveidotu kvalitatīvu VRM.

Secinājumi par nanometriem

Kā mēs redzam, tehnoloģija progresē ar lēcieniem un robežām, lai gan dažu gadu laikā mēs atradīsim ražošanas procesus, kuri jau būs fiziski ierobežoti ar izmantotajiem materiāliem, kuru tranzistori ir pat 3 vai 1 nanometri. Kas būs tālāk? Nu, protams, mēs nezinām, jo kvantu tehnoloģija ir ļoti zaļa, un praktiski nav iespējams izveidot šādu datoru ārpus laboratorijas vides.

Tagad mums būs jāpārbauda, ​​vai šādā gadījumā serdeņu skaits tiek vēl vairāk palielināts, vai tiek sākti tādi materiāli kā grafēns, kas atzīst lielāku tranzistoru blīvumu elektroniskajām shēmām.

Bez papildu piejaukuma mēs atstājam jums citus interesantus rakstus:

Vai jūs domājat, ka mēs redzēsim 1nm procesorus? Kāds procesors jums ir? Mēs ceram, ka raksts bija interesants, pastāstiet mums, ko domājat.