Нанометри: какви са те и как влияят на нашето CPU

Чували ли сте някога за нанометри на процесор ? Е, в тази статия ще ви разкажем всичко за тази мярка. И най-важното - какво влияние оказват нанометрите върху електронните чипове и различните елементи, към които се отнасяме с тези измервания.

Какъв е нанометърът

Нека започнем точно с дефинирането на това какви са нанометрите, защото този прост факт ще даде много игра не само за изчислителната техника, но и за биологията и другите науки, които имат значение за изследванията.

Нанометърът (nm) е мярка за дължина, която е част от Международната система (SI). Ако считаме, че измервателният апарат е стандартната или основна единица в скалата, нанометърът е една милиардна част от метър или какво би било същото:

По отношение на разбираемо за нормално човешко същество, нещо, което измерва нанометър, можем да го видим само чрез мощен електронен микроскоп. Например, човешката коса може да има диаметър приблизително 80 000 нанометра, така че си представете колко малък е електронен компонент, който е само 14 nm.

Тази мярка винаги е съществувала, очевидно е, но за хардуерната общност тя има особено значение през последните години. Поради силната конкуренция на производителите за създаване на интегрални схеми на базата на все по-малки полупроводници или транзистори.

Транзисторът

Транзисторна и електронна схема

Вероятно сте чували пасивни и активни разговори за транзисторите на процесор. Можем да кажем, че транзисторът е най-малкият елемент, който може да се намери в електронна верига, разбира се, като се избягват електрони и електрическа енергия.

Транзисторите са елементи, изработени от полупроводников материал като силиций или германий. Това е елемент, който може да се държи като проводник на електричество или като негов изолатор, в зависимост от физическите условия, на които е подложен. Например магнитно поле, температура, радиация и т.н. И разбира се с определено напрежение, което е случаят с транзисторите на процесор.

Транзисторът присъства в абсолютно всички интегрални схеми, които съществуват днес. Огромното му значение се състои в това, което е в състояние да направи: да генерира изходен сигнал в отговор на входен сигнал, тоест да позволи или не преминаване на ток преди стимул, като по този начин създава двоичен код (1 ток, 0 не е актуален).

Логически порти и интегрални схеми

NAND портове

Чрез процеса на литография е възможно да се създадат схеми с определена структура, съставена от няколко транзистора, които да формират логическите порти. Логическият портал е следващото звено зад транзистора, електронно устройство, което е в състояние да изпълнява определена логическа или булева функция. С няколко транзистора, свързани по един или друг начин, можем да добавяме, изваждаме и създаваме порти SI, AND, NAND, OR, NOT и т.н. Така се дава логика на електронен компонент.

Така се създават интегрални схеми с последователност от транзистори, резистори и кондензатори, които са в състояние да образуват онова, което сега се нарича електронни чипове.

Литография или фотолитография

Силиконова вафла

Литографията е начинът за изграждане на тези изключително малки електронни чипове, по-специално тя е получена от името на фотолитографията и след това нанолитографията, тъй като тази техника в началото си е използвана за гравиране на съдържание върху камъни или метали.

В момента се прави подобна техника за създаване на полупроводници и интегрални схеми. За целта се използват силиконови пластини с дебелина на нанометъра, които чрез процеси, базирани на излагане на светлина на определени компоненти и използване на други химически съединения, са способни да създават схеми с микроскопични размери. От своя страна тези вафли се подреждат, докато не получат адски сложен 3D чип.

Колко нанометра имат настоящите транзистори?

Първите полупроводникови процесори се появяват през 1971 г. от Intel със своите иновативни 4004. Производителят успя да създаде 10 000 nm транзистори или 10 микрометра, като по този начин има до 2300 транзистора на чип.

Така започна надпреварата за надмощие в микротехнологиите, известна в момента с нанотехнологиите. През 2019 г. имаме електронни чипове с 14 nm производствен процес, който се предлага с архитектурата на Broadwel на Intel, 7 nm, с архитектурата на Zen 2 на AMD и дори 5nm тестове се извършват от IBM и други производители. За да се поставим в ситуация, 5nm транзистор би бил само 50 пъти по-голям от електронния облак на атом. Преди няколко години вече беше възможно да се създаде 1 nm транзистор, въпреки че това е чисто експериментален процес.

Мислите ли, че всички производители правят свои чипове? Е, истината е, че не и в света можем да намерим четири големи сили, които са посветени на производството на електронни чипове.

• TSMC: Тази компания за микротехнологии е един от водещите световни асемблери. Всъщност, това прави процесорите от марки като AMD (основната част), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei или Texas Instrument. Той е ключов производител в 7nm транзистори. Global Foundries - Това е друг от производителите на силиконови вафли с най-много клиенти, включително AMD, Qualcomm и други. Но в случая с 12 и 14 nm транзистори, между другото. Intel: Синият гигант има собствена фабрика за процесори, така че не зависи от другите производители да създават своите продукти. Може би затова 10nm архитектурата отнема толкова време, за да се развие спрямо своите 7nm конкуренти. Но бъдете сигурни, че тези процесори ще бъдат брутални. Samsung: Корейската компания също има собствена фабрика за силиций, така че сме на същите условия като Intel. Създаване на собствени процесори за смартфон и други устройства.

Законът на Мур и физическата граница

Графенов транзистор

Известният закон на Мур ни казва, че на всеки две години броят на електроните в микропроцесорите се удвоява, а истината е, че това е вярно от началото на полупроводниците. Понастоящем читите се продават със 7nm транзистори, по-специално AMD има процесори в тази литография за настолни компютри, AMD Ryzen 3000 с архитектурата Zen 2. По същия начин производителите като Qualcomm, Samsung или Apple също имат 7nm процесори за мобилни устройства.

5 nm нанометър е зададен като физическа граница за направата на силициев транзистор. Трябва да знаем, че елементите са изградени от атоми и те имат определен размер. Най-малките експериментални транзистори в света измерват 1 nm и са изработени от графен, материал на базата на много по-малки въглеродни атоми от силиция.

Модел Intel Tick-Tock

Intel Tick Tock Model

Това е моделът, който производителят Intel е приел от 2007 г., за да създаде и развие архитектурата на своите процесори. Този модел е разделен на два етапа, който се основава на намаляване на производствения процес и след това оптимизиране на архитектурата.

Етапът на отметка се случва, когато производственият процес намалее, например от 22 nm до 14 nm. Докато стъпката на Tock прави това, поддържа същия този производствен процес и го оптимизира в следващата итерация, вместо допълнително намаляване на нанометрите. Например архитектурата на Sandy Bridge от 2011 г. беше Tock (подобрение от 32nm на Nehalem), докато Ivy Bridge беше Tick през 2012 г. (намален до 22 nm).

Априори, този план това, което той възнамеряваше, беше да направи година Tick и той продължава Ток, но вече знаем, че синият гигант е изоставил тази стратегия от 2013 г. с продължаването на 22 nm в Хасуел и преминаването към 14 nm в 2014 г. Оттогава цялата стъпка е Tock, тоест 14 nm продължават да бъдат оптимизирани до достигане на 9-то поколение Intel Core през 2019 година. Очаква се същата година или началото на 2020 г. да има нова стъпка на Tick с пристигането на 10 nm.

Следващата стъпка: квантовият компютър?

Вероятно отговорът на ограниченията на полупроводниковата архитектура се крие в квантовите изчисления. Тази парадигма напълно променя философията на изчисляването от началото на компютрите, винаги базирана на машината на Тюринг.

Квантовият компютър не би се основавал на транзистори, нито на битове. Те биха се превърнали в молекули и частици и Qbits (квантови битове). Тази технология се опитва да контролира състоянието и връзките на молекулите в материята с помощта на електрони, за да получи операция, подобна на тази на транзистор. Разбира се, 1 Qbit изобщо не е равен на 1 бит, тъй като тези молекули могат да създадат не две, а три или повече различни състояния, като по този начин умножат сложността, но и способността за извършване на операции.

Но за всичко това имаме някои малки ограничения, като например нужда от температури, близки до абсолютна нула (-273 ^o C), за да се контролира състоянието на частиците, или да се монтира системата под вакуум.

• За повече информация за всичко това, посетете тази статия, която проучихме преди малко за това какво е квантовият процесор.

Какво влияят на нанометрите на процесорите?

Оставяме след себе си този вълнуващ и сложен свят на електрониката, в който само производителите и техните инженери наистина знаят какво правят. Сега ще видим какви ползи има за намаляване на нанометрите на транзистор за електронен чип.

5nm транзистори

По-висока плътност на транзистора

Ключът е транзисторите, те определят броя на логическите портове и вериги, които могат да бъдат поставени вътре в силиций само на няколко квадратни милиметра. Говорим за почти 3 милиарда транзистора в 174 мм ² матрица като 14 nm Intel i9-9900K. В случая на AMD Ryzen 3000, около 3, 9 милиарда транзистори в 74 мм ² масив със 7 nm.

По-висока скорост

Това е, което осигурява на чипа много по-голяма мощност на обработка, тъй като той е в състояние да заключи с много повече състояния на чип с по-голяма плътност на полупроводници. По този начин се получават повече инструкции на цикъл или какво е същото, ние повишаваме IPC на процесора, например, ако сравняваме процесорите Zen + и Zen 2. Всъщност AMD твърди, че новите му процесори са увеличили своите Основна CPI до 15% в сравнение с предишното поколение.

По-голяма енергийна ефективност

При наличието на транзистори с по-малко нанометри, количеството електрони, които преминават през тях, е по-малко. Следователно транзисторът променя състоянието с по-ниско захранване, така че това значително подобрява енергийната ефективност. Така че нека да кажем, че можем да свършим същата работа с по-малко мощност, така че генерираме повече преработваща мощност на ват консумирана.

Това е много важно за оборудване, захранвано от батерии, като лаптопи, смартфон и т.н. Предимството да разполагаме със 7 nm процесори, ни накара да имаме телефони с невероятна автономия и ефектно изпълнение с новия Snapdragon 855, новия A13 Bionic от Apple и Kirin 990 от Huawei.

По-малки и свежи чипове

Не на последно място, ние разполагаме с възможност за миниатюризация. По същия начин, по който можем да поставим повече транзистори на единица площ, можем също да намалим това, за да имаме по-малки чипове, които генерират по-малко топлина. Ние наричаме това TDP и топлината, която силицият може да генерира с максималния си заряд, внимавайте, това не е електрическата енергия, която консумира. Благодарение на това можем да направим устройствата по-малки и които се загряват много по-малко с една и съща мощност на обработка.

Има и недостатъци

Всяка голяма стъпка напред има своите рискове и същото може да се каже в нанотехнологиите. Наличието на транзистори с по-малко нанометри прави производствения процес много по-труден за изпълнение. Нуждаем се от много по-модерни или скъпи технически средства и броят на повредите значително се увеличава. Ясен пример е, че производителността на една вафла с правилни чипове е намаляла в новия Ryzen 3000. Докато в Zen + 12 nm имахме около 80% от перфектно функционални чипове на вафла, в Zen 2 този процент би намален до 70%, По подобен начин е нарушена и целостта на процесорите, което изисква по-стабилни захранващи системи и по-добро качество на сигнала. Ето защо производителите в новите AMD X570 чипсет плочи полагат специално внимание при създаването на качествен VRM.

Изводи за нанометрите

Както виждаме, технологията напредва с подскоци, въпреки че след няколко години ще открием производствени процеси, които вече ще бъдат на физическата граница на използваните материали с транзистори от дори 3 или 1 нанометър. Какво ще бъде следващото? Е, ние със сигурност не знаем, тъй като квантовата технология е много зелена и е практически невъзможно да се изгради такъв компютър извън лабораторна среда.

Това, което ще имаме за сега, е да видим, ако в такъв случай броят на ядрата се увеличи още повече или започнат да се използват материали като графен, които допускат по-голяма плътност на транзисторите за електронни схеми.

Без допълнително обожание, оставяме ви с други интересни статии:

Мислите ли, че ще видим 1nm процесори? Какъв процесор имате? Надяваме се статията да е била интересна, кажете ни какво мислите.