Nanometrai: kokie jie yra ir kaip jie veikia mūsų procesorius

Ar jūs kada nors girdėjote apie procesoriaus nanometrus ? Na, šiame straipsnyje mes jums papasakosime viską apie šią priemonę. Ir svarbiausia, kokią įtaką nanometrai turi elektroninėms mikroschemoms ir skirtingiems elementams, kuriems mes vadovaujamės atlikdami šiuos matavimus.

Kas yra nanometras

Pradėkime tiksliai apibrėždami, kas yra nanometrai, nes šis paprastas faktas suteiks daug žaidimo ne tik skaičiavimui, bet ir biologijai bei kitiems mokslui svarbiems mokslams.

Nanometras (nm) yra ilgio matas, kuris yra tarptautinės sistemos (SI) dalis. Jei manytume, kad skaitiklis yra standartinis arba pagrindinis matavimo vienetas skalėje, nanometras yra viena milijardoji metro dalis arba kas būtų tas pats:

Normaliam žmogui suprantamais terminais tai, kas matuoja nanometrą, mes galime jį pamatyti tik per didelio galingumo elektronų mikroskopą. Pavyzdžiui, žmogaus plauko skersmuo gali būti apie 80 000 nanometrų, todėl įsivaizduokite, koks mažas elektroninis komponentas yra tik 14 nm.

Akivaizdu, kad ši priemonė egzistavo visada, tačiau aparatinės įrangos bendruomenei pastaraisiais metais ji buvo ypatinga. Dėl stiprios gamintojų konkurencijos kurti integruotas grandines vis mažesnių puslaidininkių ar tranzistorių pagrindu.

Tranzistorius

Tranzistorius ir elektroninė schema

Tikriausiai esate girdėję pasyvų ir aktyvų kalbėjimą apie procesoriaus tranzistorius. Mes galime pasakyti, kad tranzistorius yra mažiausias elementas, kurį galima rasti elektroninėje grandinėje, žinoma, išvengiant elektronų ir elektros energijos.

Tranzistoriai yra elementai, pagaminti iš puslaidininkinių medžiagų, tokių kaip silicis arba germanis. Tai elementas, kuris gali elgtis kaip elektros laidininkas arba kaip jo izoliatorius, priklausomai nuo fizinių sąlygų, kuriems jis yra veikiamas. Pavyzdžiui, magnetinis laukas, temperatūra, radiacija ir kt. Ir, žinoma, su tam tikra įtampa, kalbant apie procesoriaus tranzistorius.

Tranzistorius yra absoliučiai visose integruotose schemose, egzistuojančiose šiandien. Jo didžiulė svarba yra tai, ką jis sugeba: generuoti išėjimo signalą atsakydamas į įvesties signalą, tai yra leisti ar neleisti srovei praeiti prieš stimulą, tokiu būdu sukuriant dvejetainį kodą (1 srovė, 0 ne dabartinis).

Loginiai vartai ir integriniai grandynai

NAND uostai

Litografijos proceso metu galima sukurti grandines, turinčias tam tikrą struktūrą, sudarytą iš kelių tranzistorių, kad būtų suformuoti loginiai vartai. Loginiai vartai yra kitas vienetas, esantis už tranzistoriaus, elektroninis įtaisas, galintis atlikti tam tikrą loginę ar loginę funkciją. Turėdami keletą tranzistorių, sujungtų vienaip ar kitaip, galime sudėti, atimti ir sukurti vartus, skirtus SI, IR, NAND, OR, NOT ir tt. Taip logika suteikiama elektroniniam komponentui.

Taip sukuriamos integruotos grandinės su tranzistoriais, rezistoriais ir kondensatoriais, kurie sugeba suformuoti tai, kas dabar vadinama elektroninėmis mikroschemomis.

Litografija arba fotolitografija

Silicio vaflis

Litografija yra būdas sukurti šias ypač mažas elektronines mikroschemas, būtent jas išvesdamas fotolitografijos, o vėliau ir nanolitografijos vardu, nes ši technika savo ištakose buvo naudojama graviruoti akmenis ar metalus.

Šiuo metu daroma panaši technika, norint sukurti puslaidininkius ir integruotas grandines. Tam naudojami nanometrų storio silicio plokštelės, kurių procesai, pagrįsti tam tikrų komponentų ekspozicija šviesai ir naudojant kitus cheminius junginius, gali sukurti mikroskopinių dydžių grandines. Savo ruožtu šie vafliai sudedami, kol gaus pragarą sudėtingos 3D lusto.

Kiek nanometrų turi dabartiniai tranzistoriai?

Pirmuosius puslaidininkinius procesorius 1971 m. Pasirodė „Intel“ su savo novatorišku 4004. Gamintojui pavyko sukurti 10 000 nm tranzistorius arba 10 mikrometrų, taigi luste turėjo iki 2300 tranzistorių.

Taip prasidėjo mikrotechnologijų, šiuo metu garsių nanotechnologijomis, viršenybės varžybos. 2019 m. Mes turime elektroninių lustų, kurių gamybos procesas yra 14 nm, ir kurie atsirado kartu su „Intel“ „Broadwel“ architektūra, 7 nm, su AMD „Zen 2“ architektūra, o IBM ir kiti gamintojai atlieka net 5 nm bandymus. Norėdami atsidurti tokioje situacijoje, 5 nm tranzistorius būtų tik 50 kartų didesnis nei atomo elektronų debesis. Prieš kelerius metus jau buvo įmanoma sukurti 1 nm tranzistorių, nors tai yra tik eksperimentinis procesas.

Ar manote, kad visi gamintojai gamina savo lustus? Na, tiesa ta, kad ne, ir pasaulyje galime rasti keturias didžiules jėgas, kurios yra skirtos elektroninių lustų gamybai.

• TSMC: Ši mikrotechnologijų įmonė yra viena iš pirmaujančių mikroschemų surinkėjų pasaulyje. Tiesą sakant, tai daro procesorius iš tokių prekių ženklų kaip AMD (pagrindinė dalis), „ Apple“, „Qualcomm“, „Nvidia“, „Huawei“ ar „Texas Instrument“. Tai yra pagrindinis 7 nm tranzistorių gamintojas. Pasaulinės liejyklos - tai dar vienas iš daugiausiai klientų turinčių silicio plokštelių gamintojų, įskaitant AMD, „Qualcomm“ ir kitus. Bet šiuo atveju tarp 12 ir 14 nm tranzistorių. „Intel“: mėlynasis milžinas turi savo procesorių gamyklą, todėl jo gaminių kūrimas nepriklauso nuo kitų gamintojų. Galbūt dėl ​​to 10 nm architektūra taip ilgai plėtojasi prieš savo 7 nm konkurentus. Tačiau būkite tikri, kad šie procesoriai bus žiaurūs. „Samsung“: Korėjos įmonė taip pat turi savo silicio gamyklą, todėl mes dirbame tomis pačiomis sąlygomis kaip „Intel“. Savo išmaniųjų telefonų ir kitų įrenginių procesorių kūrimas.

Moore'io dėsnis ir fizinė riba

Grafeno tranzistorius

Garsusis Moore'o įstatymas mums sako, kad kas dveji metai elektronų skaičius mikroprocesoriuose padvigubėja, ir tiesa ta, kad tai buvo tiesa nuo puslaidininkių pradžios. Šiuo metu „ chis“ parduodami su 7 nm tranzistoriais, būtent „AMD“ turi procesorius šioje stalinių kompiuterių litografijoje, „ AMD Ryzen 3000“ su „Zen 2“ architektūra. Panašiai turi ir tokie gamintojai kaip „ Qualcomm“, „ Samsung“ ar „Apple“. 7 nm procesoriai mobiliesiems įrenginiams.

5 nm nanometras yra nustatytas kaip fizinis silicio tranzistoriaus ribas. Turime žinoti, kad elementus sudaro atomai, ir jie turi tam tikrą dydį. Mažiausių pasaulyje eksperimentinių tranzistorių matmenys yra 1 nm, jie yra pagaminti iš grafeno, medžiagos, kurios pagrindą sudaro daug mažesni anglies atomai nei silicio.

„Intel Tick-Tock“ modelis

„Intel Tick Tock“ modelis

Tai yra modelis, kurį gamintojas „Intel“ pradėjo naudoti nuo 2007 m., Norėdamas sukurti ir tobulinti savo procesorių architektūrą. Šis modelis yra padalintas į du etapus, pagrįstus gamybos proceso sumažinimu, o vėliau architektūros optimizavimu.

Žymavimo žingsnis įvyksta, kai gamybos procesas sumažėja, pavyzdžiui, nuo 22 nm iki 14 nm. Nors Tock žingsnis, kurį jis daro, yra išlaikyti tą patį gamybos procesą ir optimizuoti jį kitoje iteracijoje, užuot dar labiau sumažinęs nanometrus. Pavyzdžiui, 2011 m. „Sandy Bridge“ architektūra buvo „Tock“ (pagerėjimas nuo Nehalemo 32 nm), o „Ivy“ tiltas buvo „Tick“ 2012 m. (Sumažėjo iki 22 nm).

A priori šis sumanytas planas buvo padaryti metus pažymint „Tick“ ir jis tęsia Tocką, tačiau mes jau žinome, kad mėlynasis milžinas atsisakė šios strategijos nuo 2013 m., Tęsdamas 22 nm ilgį Hasvele ir pereidamas prie 14 nm. 2014 metai. Nuo to laiko visas žingsnis buvo „Tock“, tai yra, 14 nm bangos buvo toliau tobulinamos, kol 2019 m. Pasieks 9-osios kartos „Intel Core“. Tikimasi, kad tais pačiais metais arba 2020 m. Pradžioje bus naujas „Tick“ žingsnis, atėjus 10 nm bangos ilgiui.

Kitas žingsnis: kvantinis kompiuteris?

Galbūt atsakymas į puslaidininkių architektūros apribojimus slypi kvantiniame skaičiavime. Ši paradigma visiškai keičia skaičiavimo filosofiją nuo kompiuterių pradžios, visada paremtą Turingo mašina.

Kvantinis kompiuteris negali būti pagrįstas nei tranzistoriais, nei bitais. Jie taptų molekulėmis ir dalelėmis bei Qbitais (kvantiniais bitais). Ši technologija bando elektronuose kontroliuoti materijos molekulių būseną ir ryšius, kad būtų galima atlikti operaciją, panašią į tranzistoriaus operaciją. Be abejo, 1 Qbit nėra lygus 1 bitui, nes šios molekulės gali sukurti ne dvi, o tris ar daugiau skirtingų būsenų, taip padaugindamos sudėtingumą, bet ir galimybę atlikti operacijas.

Tačiau tam reikia nedidelių apribojimų, pvz., Norint kontroliuoti dalelių būklę, kai reikia beveik absoliučios nulio (-273 ^o C) temperatūros, arba sistemos montavimą vakuume.

• Norėdami gauti daugiau informacijos apie visa tai, apsilankykite šiame straipsnyje, kurį prieš kurį laiką studijavome apie tai, kas yra kvantinis procesorius.

Ką nanometrai daro įtaką procesoriams?

Mes paliekame šį įdomų ir sudėtingą elektronikos pasaulį, kuriame tik gamintojai ir jų inžinieriai tikrai žino, ką jie daro. Dabar pamatysime, kokią naudą ji turi sumažinti elektroninio lusto tranzistoriaus nanometrus.

5 nm tranzistoriai

Didesnis tranzistoriaus tankis

Svarbiausia yra tranzistoriai, jie nustato tik kelių kvadratinių milimetrų silicio viduje esančių loginių jungčių ir grandinių skaičių. Mes kalbame apie beveik 3 milijardus tranzistorių 174 mm ² matricoje, pavyzdžiui, 14 nm Intel i9-9900K. „AMD Ryzen 3000“ atveju apie 3, 9 milijardo tranzistorių yra 74 mm ² masyve su 7 nm.

Didesnis greitis

Tai suteikia lustui daug daugiau apdorojimo galios, nes jis gali užrakinti daug daugiau būtybių lustuose, kurių puslaidininkių tankis yra didesnis. Tokiu būdu gaunama daugiau instrukcijų per ciklą arba kas yra tas pats, mes padidiname procesoriaus IPC, pavyzdžiui, jei lygintume „Zen +“ ir „Zen 2.“ procesorius. Tiesą sakant, AMD teigia, kad jos nauji procesoriai padidino jų Pagrindinis VKI iki 15%, palyginti su ankstesne karta.

Didesnis energijos vartojimo efektyvumas

Turėdami tranzistorius, turinčius mažiau nanometrų, per juos praeinančių elektronų yra mažiau. Taigi tranzistorius keičia būseną, kai maitinimo šaltinis yra mažesnis, taigi tai žymiai pagerina energijos efektyvumą. Tarkime, kad tą patį darbą galime atlikti ir turėdami mažiau energijos, taigi mes sugeneruojame daugiau perdirbimo galios vienam sunaudotam vatui.

Tai labai svarbu akumuliatorių turinčiai įrangai, tokiai kaip nešiojamieji kompiuteriai, išmanusis telefonas ir kt. Turėdami 7 nm procesorių pranašumą, mes turėjome telefonus su neįtikėtinomis autonomijomis ir įspūdingą našumą su naujuoju „ Snapdragon 855“, naujuoju „Apple A13 Bionic“ iš „Apple“ ir „ Kirin 990“ iš „Huawei“.

Mažesni ir gaivesni traškučiai

Galiausiai turime miniatiūrizavimo galimybių. Tuo pačiu būdu, kai mes galime įdėti daugiau tranzistorių vienam ploto vienetui, mes taip pat galime tai sumažinti, kad turėtume mažesnius lustus, kurie generuoja mažiau šilumos. Mes tai vadiname TDP, ir tai yra šiluma, kurią silicis gali generuoti su maksimaliu įkrovimu, saugokitės, tai nėra sunaudojama elektros energija. Dėl to mes galime padaryti įrenginius mažesnius ir šilti daug mažiau, turėdami tą pačią apdorojimo galią.

Taip pat yra trūkumų

Kiekvienas didelis žingsnis į priekį turi savo riziką, ir tą patį galima pasakyti ir apie nanotechnologijas. Turėdami mažiau nanometrų tranzistorių, gamybos procesą atlikti daug sunkiau. Mums reikia daug modernesnių ar brangesnių techninių priemonių, o gedimų skaičius žymiai padidėja. Aiškus pavyzdys yra tai, kad naujame „Ryzen 3000“ sumažėjo tinkamų lustų našumas. Kai „Zen + 12 nm“ banke mes turėjome apie 80% puikiai funkcionuojančių lustų viename vaflyje, „Zen 2“ šis procentas būtų sumažėjęs iki 70%..

Taip pat yra pažeistas procesorių vientisumas, todėl reikia stabilesnių maitinimo sistemų ir geresnės signalo kokybės. Štai kodėl naujųjų AMD X570 mikroschemų rinkinių plokščių gamintojai ypač rūpinosi kurdami kokybišką VRM.

Išvados apie nanometrus

Kaip matome, technologija progresuoja labai sparčiai, nors po kelerių metų mes surasime gamybos procesus, kurie jau bus fiziškai riboti medžiagas, naudojamas tranzistoriuose, kurių net 3 ar 1 nanometrai. Kas bus toliau? Na, mes tikrai nežinome, nes kvantinė technologija yra labai žalia, o statyti tokį kompiuterį ne laboratorinėje aplinkoje praktiškai neįmanoma.

Dabar turėsime išsiaiškinti, ar tokiu atveju šerdžių skaičius dar labiau padidėja, ar pradedamos naudoti tokios medžiagos kaip grafenas, kurios lemia didesnį tranzistorių tankį elektroninėms grandinėms.

Be papildomo patarimo, paliekame jums kitus įdomius straipsnius:

Ar manote, kad mes pamatysime 1 nm procesorius? Kokį procesorių turite? Tikimės, kad straipsnis buvo įdomus, papasakokite, ką manote.