Нм: что это такое и как они влияют на наш процессор

Вы когда-нибудь слышали о нанометрах процессора ? Что ж, в этой статье мы расскажем вам все об этой мере. И самое главное, какое влияние нанометры оказывают на электронные чипы и различные элементы, на которые мы ссылаемся при этих измерениях.

Что такое нанометр

Давайте начнем с точного определения нанометров, потому что этот простой факт даст большую пользу не только для вычислений, но и для биологии и других наук, которые имеют значение для изучения.

Нанометр (нм) - это мера длины, которая является частью Международной системы (СИ). Если мы считаем, что метр является стандартной или базовой единицей на шкале, нанометр равен одной миллиардной части метра или что будет таким же:

В терминах, понятных обычному человеку, измеряющих нанометр, мы можем видеть это только через мощный электронный микроскоп. Например, человеческий волос может иметь диаметр около 80000 нанометров, поэтому представьте, насколько мал электронный компонент, который составляет всего 14 нм.

Эта мера существовала всегда, это очевидно, но для аппаратного сообщества она имела особое значение в последние годы. Из-за сильной конкуренции производителей для создания интегральных схем на основе все более мелких полупроводников или транзисторов.

Транзистор

Транзистор и электронная схема

Возможно, вы слышали пассивные и активные разговоры о транзисторах процессора. Можно сказать, что транзистор - это самый маленький элемент, который можно найти в электронной схеме, конечно, избегая электронов и электрической энергии.

Транзисторы - это элементы из полупроводникового материала, такого как кремний или германий. Это элемент, который может вести себя как проводник электричества или как его изолятор, в зависимости от физических условий, которым он подвергается. Например, магнитное поле, температура, излучение и т. Д. И, конечно же, с определенным напряжением, будучи корпусом транзисторов процессора.

Транзистор присутствует абсолютно во всех интегральных схемах, которые существуют сегодня. Его огромная важность заключается в том, что он может сделать: генерировать выходной сигнал в ответ на входной сигнал, то есть разрешать или не пропускать ток перед стимулом, создавая , таким образом, двоичный код (1 ток, 0 не актуально).

Логические ворота и интегральные схемы

NAND порты

С помощью процесса литографии можно создавать схемы с определенной структурой, состоящей из нескольких транзисторов, для формирования логических элементов. Логический элемент - это следующий блок за транзистором, электронное устройство, способное выполнять определенную логическую или логическую функцию. Имея несколько транзисторов, так или иначе связанных между собой, мы можем добавлять, вычитать и создавать вентили SI, AND, NAND, OR, NOT и т. Д. Вот как логика дается электронному компоненту.

Так создаются интегральные схемы с последовательностью транзисторов, резисторов и конденсаторов, которые способны формировать так называемые электронные микросхемы.

Литография или фотолитография

Кремниевая пластина

Литография - это способ создания этих чрезвычайно маленьких электронных чипов, в частности, она получила название от фотолитографии, а затем от нанолитографии, поскольку этот метод вначале использовался для гравировки содержимого на камнях или металлах.

В настоящее время делается аналогичная технология для создания полупроводников и интегральных схем. Для этого используются кремниевые пластины нанометрового размера, которые благодаря процессам, основанным на воздействии света определенных компонентов и использовании других химических соединений, способны создавать цепи микроскопических размеров. В свою очередь, эти вафли сложены, пока они не получат адский сложный 3D-чип.

Сколько нанометров у текущих транзисторов?

Первые полупроводниковые процессоры появились в 1971 году Intel с ее инновационным 4004. Производителю удалось создать 10 000 нм транзисторов или 10 микрометров, таким образом, имея на чипе до 2300 транзисторов.

Так началась гонка за превосходство в микротехнологии, известной в настоящее время нанотехнологиями. В 2019 году у нас появились электронные чипы с 14-нм технологическим процессом, который шел с архитектурой Intel Broadwel, 7-нм, с архитектурой AMD Zen 2, и даже 5-нм тесты проводятся IBM и другими производителями. Для нас, чтобы поставить себя в такую ​​ситуацию, 5-нм транзистор будет только в 50 раз больше электронного облака атома. Несколько лет назад уже было возможно создать 1 нм транзистор, хотя это чисто экспериментальный процесс.

Вы думаете, что все производители делают свои чипы? Ну, правда в том, что нет, и в мире мы можем найти четыре великих державы, которые посвящены производству электронных чипов.

• TSMC: Эта микротехнологическая компания является одним из ведущих мировых производителей сборщиков микросхем. Фактически, это делают процессоры от таких брендов, как AMD (основная часть), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei или Texas Instrument. Это ключевой производитель 7-нм транзисторов. Global Foundries - это еще один производитель кремниевых пластин с наибольшим количеством клиентов, включая AMD, Qualcomm и других. Но в этом случае с 12 и 14 нм транзисторами среди прочих. Intel: у голубого гиганта есть собственная фабрика процессоров, поэтому она не зависит от других производителей в создании своих продуктов. Возможно, именно поэтому 10-нм архитектура так долго развивается против своих 7-нм конкурентов. Но будьте уверены, что эти процессоры будут жестокими. Samsung: Корейская компания также имеет свой собственный кремниевый завод, поэтому мы на тех же условиях, что и Intel. Создание собственных процессоров для смартфона и других устройств.

Закон Мура и физический предел

Графеновый транзистор

Знаменитый закон Мура говорит нам, что каждые два года число электронов в микропроцессорах удваивается, и правда заключается в том, что это было верно с самого начала полупроводников. В настоящее время чипы продаются с 7-нм транзисторами, в частности, у AMD есть процессоры с этой литографией для настольных компьютеров, AMD Ryzen 3000 с архитектурой Zen 2. Аналогично, производители, такие как Qualcomm, Samsung или Apple, также имеют 7 нм процессоры для мобильных устройств.

Нанометр 5 нм установлен как физический предел для создания кремниевого транзистора. Мы должны знать, что элементы состоят из атомов, и они имеют определенный размер. Самые маленькие в мире экспериментальные транзисторы имеют размер 1 нм и изготовлены из графена, материала, основанного на гораздо меньших атомах углерода, чем кремний.

Модель Intel Tick-Tock

Модель Intel Tick Tock

Это модель, которую производитель Intel использует с 2007 года для создания и развития архитектуры своих процессоров. Эта модель разделена на два этапа, в основе которых лежит сокращение производственного процесса, а затем оптимизация архитектуры.

Шаг Тика происходит, когда производственный процесс уменьшается, например, с 22 нм до 14 нм. В то время как шаг Тока, он делает то же самое производственный процесс и оптимизирует его на следующей итерации вместо дальнейшего уменьшения нанометров. Например, архитектура Sandy Bridge 2011 года была Tock (улучшение по сравнению с 32-нм Нехалемом), в то время как Ivy Bridge была Tick в 2012 году (снизилась до 22 нм).

Априори, этот план, который он намеревался сделать год, тик, и он продолжает Ток, но мы уже знаем, что синий гигант отказался от этой стратегии с 2013 года с продолжением 22 нм в Хасвелле и переходом на 14 нм в 2014 С тех пор весь шаг был сделан Tock, то есть 14 нм продолжали оптимизироваться до достижения Intel Core 9-го поколения в 2019 году. Ожидается, что в этом же году или в начале 2020 года произойдет новый шаг Тика с приходом 10 нм.

Следующий шаг: квантовый компьютер?

Возможно, ответ на ограничения полупроводниковой архитектуры лежит в квантовых вычислениях. Эта парадигма полностью меняет философию вычислений с самого начала компьютеров, всегда основанную на машине Тьюринга.

Квантовый компьютер не будет основан ни на транзисторах, ни на битах. Они станут молекулами, частицами и кубитами (квантовыми битами). Эта технология пытается контролировать состояние и отношения молекул в веществе с помощью электронов, чтобы получить операцию, аналогичную транзисторной. Конечно, 1 кубит вообще не равен 1 биту, поскольку эти молекулы могут создавать не два, а три или более различных состояния, что увеличивает сложность, но также и способность выполнять операции.

Но для всего этого у нас есть некоторые небольшие ограничения, такие как необходимость температур, близких к абсолютному нулю (-273 ^o C), чтобы контролировать состояние частиц, или установка системы под вакуумом.

• Для получения дополнительной информации обо всем этом, посетите эту статью, которую мы изучали некоторое время назад о том, что такое квантовый процессор.

Что нанометры влияют на процессоры?

Мы оставляем позади этот захватывающий и сложный мир электроники, в котором только производители и их инженеры действительно знают, что они делают. Теперь посмотрим, какие преимущества имеет уменьшение нанометров транзистора для электронного чипа.

5нм транзисторы

Более высокая плотность транзистора

Ключ - транзисторы, они определяют количество логических портов и цепей, которые могут быть помещены в кремний всего в несколько квадратных миллиметров. Речь идет о почти 3 миллиардах транзисторов в матрице 174 мм ^2, таких как 14-нм Intel i9-9900K. В случае AMD Ryzen 3000 около 3, 9 миллиардов транзисторов в массиве 74 мм ² с 7 нм.

Более высокая скорость

Это дает чипу гораздо большую вычислительную мощность, поскольку он способен блокировать гораздо большее число состояний чипа с более высокой плотностью полупроводников. Таким образом, достигается больше инструкций за цикл, или, что то же самое, мы повышаем IPC процессора, как, например, если мы сравниваем процессоры Zen + и Zen 2. Фактически, AMD утверждает, что ее новые процессоры увеличили свои Базовый ИПЦ до 15% по сравнению с предыдущим поколением.

Большая энергоэффективность

При наличии транзисторов с меньшим количеством нанометров количество проходящих через них электронов уменьшается. Следовательно, транзистор изменяет состояние с более низким источником питания, что значительно повышает эффективность использования энергии. Допустим, мы можем выполнять ту же работу с меньшим энергопотреблением, поэтому мы генерируем больше вычислительной мощности на потребляемый ватт.

Это очень важно для оборудования с питанием от батареи, такого как ноутбуки, смартфоны и т. Д. Благодаря наличию 7 нм процессоров у нас появились телефоны с невероятной автономностью и впечатляющей производительностью благодаря новому Snapdragon 855, новому A13 Bionic от Apple и Kirin 990 от Huawei.

Меньшие и свежие чипсы

И последнее, но не менее важное: у нас есть возможность миниатюризации. Таким же образом, как мы можем разместить больше транзисторов на единицу площади, мы также можем уменьшить это, чтобы иметь меньшие кристаллы, которые генерируют меньше тепла. Мы называем это TDP, и это тепло, которое кремний может генерировать при максимальном заряде, будьте осторожны, это не электроэнергия, которую он потребляет. Благодаря этому мы можем сделать устройства меньше и нагреваться намного меньше, имея одинаковую вычислительную мощность.

Есть и недостатки

Каждый большой шаг вперед имеет свои риски, и то же самое можно сказать о нанотехнологиях. Наличие транзисторов с меньшим количеством нанометров значительно усложняет процесс производства. Нам нужны гораздо более продвинутые или дорогие технические средства, а количество отказов существенно возрастает. Наглядным примером является то, что производительность на каждой пластине правильных чипов снизилась в новом Ryzen 3000. В то время как в Zen + 12 нм у нас было около 80% идеально функциональных чипов на пластину, в Zen 2 этот процент снизился бы до 70%., Аналогичным образом нарушается целостность процессоров, что требует более стабильных энергосистем и лучшего качества сигнала. Именно поэтому производители новых чипсетов AMD X570 уделили особое внимание созданию качественного VRM.

Выводы о нанометрах

Как мы видим, технология развивается стремительными темпами, хотя через несколько лет мы обнаружим производственные процессы, которые уже будут на физическом пределе для материалов, используемых с транзисторами даже 3 или 1 нм. Что будет дальше? Ну, мы, конечно, не знаем, потому что квантовая технология очень экологична, и практически невозможно создать такой компьютер вне лабораторной среды.

На данный момент мы увидим, увеличится ли количество ядер в таком случае еще больше, или начнут использоваться такие материалы, как графен, которые допускают более высокую плотность транзисторов для электронных схем.

Без лишних слов, мы оставляем вас с другими интересными статьями:

Как вы думаете, мы увидим 1 нм процессоры? Какой процессор у вас есть? Мы надеемся, что статья была интересной, расскажите нам, что вы думаете.