Nanometer: kung ano sila at kung paano nakakaapekto sa aming cpu

Narinig mo na ba ang tungkol sa mga nanometer ng processor ? Buweno, sa artikulong ito ay sasabihin namin sa iyo ang lahat tungkol sa panukalang ito. At ang pinakamahalaga, kung ano ang impluwensya ng mga nanometer sa elektronikong chips at iba't ibang mga elemento na tinutukoy namin sa mga pagsukat na ito.

Ano ang nanometer

Simulan natin nang tumpak sa pamamagitan ng pagtukoy kung ano ang mga nanometer, dahil ang simpleng katotohanang ito ay magbibigay ng maraming paglalaro hindi lamang para sa pag-compute, kundi pati na rin sa biology at iba pang mga agham na mahalaga sa pag-aaral.

Ang nanometer (nm) ay isang sukatan ng haba na bahagi ng International System (SI). Kung isasaalang-alang natin na ang metro ay ang pamantayan o pangunahing yunit sa sukat, ang isang nanometro ay isang bilyon-bilyong isang metro o kung ano ang magiging pareho:

Sa mga tuntunin naintindihan sa isang normal na tao, isang bagay na sumusukat sa isang nanometro, makikita lamang natin ito sa pamamagitan ng isang napakalakas na mikroskopyo ng elektron. Halimbawa, ang isang buhok ng tao ay maaaring magkaroon ng isang lapad na humigit-kumulang na 80, 000 nanometer, kaya isipin kung gaano maliit ang isang elektronikong sangkap na 14 nm lamang.

Ang panukalang ito ay palaging umiiral, ito ay malinaw, ngunit para sa komunidad ng hardware na ito ay nagkaroon ng isang espesyal na kaugnayan sa mga nakaraang taon. Dahil sa malakas na kumpetisyon ng mga tagagawa upang lumikha ng mga integrated circuit batay sa mas maliit na mga semiconductors o transistors.

Ang transistor

Transistor at elektronikong eskematiko

Marahil ay narinig mo ang pasibo at aktibong pag-uusap tungkol sa mga transistor ng isang processor. Masasabi natin na ang isang transistor ay ang pinakamaliit na elemento na maaaring matagpuan sa isang elektronikong circuit, siyempre, pag-iwas sa mga electron at elektrikal na enerhiya.

Ang mga transistor ay mga elemento na gawa sa materyal na semiconductor tulad ng Silicon o Germanium. Ito ay isang elemento na maaaring kumilos bilang isang conductor ng koryente o bilang isang insulator nito, depende sa pisikal na mga kondisyon na kung saan ito ay sumailalim. Halimbawa, isang magnetic field, temperatura, radiation, atbp. At syempre sa isang tiyak na boltahe, na ang kaso ng mga transistor ng isang CPU.

Ang transistor ay naroroon sa ganap na lahat ng mga integrated circuit na umiiral ngayon. Napakalaking kahalagahan nito ay nasa kung ano ang magagawa: gumawa ng isang output signal bilang tugon sa isang input signal, iyon ay, payagan o hindi ang pagpasa ng kasalukuyang bago ng isang pampasigla, kaya lumilikha ng binary code (1 kasalukuyang, 0 hindi kasalukuyang).

Mga pintuang lohika at mga integrated circuit

Mga port ng NAND

Sa pamamagitan ng isang proseso ng lithography, posible na lumikha ng mga circuit na may isang tiyak na istraktura na binubuo ng ilang mga transistor upang mabuo ang mga lohika na pintuang-bayan. Ang isang logic gate ay ang susunod na yunit sa likod ng transistor, isang elektronikong aparato na may kakayahang magsagawa ng isang tiyak na lohikal o boolean function. Na may ilang mga transistor na naka-link sa isang paraan o sa iba pa, maaari kaming magdagdag, ibawas, at lumikha ng SI, AT, NAND, O, HINDI, atbp. Ito ay kung paano ibinigay ang lohika sa isang elektronikong sangkap.

Ito ay kung paano nilikha ang mga integrated circuit, na may sunud-sunod na transistor, resistors at capacitor na may kakayahang bumuo ng tinatawag na electronic chips.

Lithograpiya o photolithography

Silicon wafer

Ang Lithography ay ang paraan upang mabuo ang napakaliit na elektronikong chips, partikular na nagmula ito sa pangalan ng photolithography at pagkatapos ay nanolithography, dahil ang diskarteng ito sa mga simula ay ginamit upang maitala ang nilalaman sa mga bato o metal.

Ang ginagawa ngayon ay ang paggamit ng isang katulad na pamamaraan upang lumikha ng mga semiconductors at integrated circuit. Upang gawin ito, ginagamit ang nanometer-makapal na mga wafer ng silikon na, sa pamamagitan ng mga proseso batay sa pagkakalantad sa ilaw ng ilang mga sangkap at paggamit ng iba pang mga compound ng kemikal, ay may kakayahang lumikha ng mga circuit ng mikroskopikong sukat. Kaugnay nito, ang mga wafer ay nakasalansan hanggang sa makakuha sila ng impiyerno ng isang kumplikadong 3D chip.

Gaano karaming mga nanometer ang mayroon ng kasalukuyang mga transistor?

Ang unang mga prosesong nakabase sa semiconductor na nakabase ay lumitaw noong 1971 ni Intel kasama ang makabagong 4004. Ang tagagawa ay pinamamahalaang lumikha ng 10, 000 nm transistors, o 10 micrometer, sa gayon pagkakaroon ng hanggang sa 2, 300 transistors sa isang chip.

Sa gayon nagsimula ang lahi para sa kataas-taasang sa microtechnology, na kasalukuyang kilala sa nanotechnology. Noong 2019, mayroon kaming mga elektronikong chips na may isang 14nm na proseso ng pagmamanupaktura na dumating sa arkitektura ng Broadwel ng Intel, 7nm, kasama ang arkitektura ng AMD ng Zen 2, at kahit na ang mga pagsubok sa 5nm ay isinasagawa ng IBM at iba pang mga tagagawa. Para mailagay natin ang ating sarili sa isang sitwasyon, ang isang 5nm transistor ay magiging 50 beses lamang na mas malaki kaysa sa electron cloud ng isang atom. Ilang taon na ang nakalilipas, posible na lumikha ng isang 1 nm transistor, bagaman ito ay purong eksperimentong proseso.

Sa palagay mo ba ang lahat ng mga tagagawa ay gumawa ng kanilang sariling mga chips? Sa totoo lang, ang katotohanan ay hindi, at sa mundo, makakahanap kami ng apat na mahusay na kapangyarihan na nakatuon sa paggawa ng mga electronic chips.

• TSMC: Ang kumpanyang micro-technology na ito ay isa sa nangungunang mga nagpupulong ng chip sa buong mundo. Sa katunayan, ginagawa nito ang mga processors mula sa mga tatak tulad ng AMD (ang pangunahing bahagi), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei o Texas Instrument. Ito ang pangunahing tagagawa sa 7nm transistors. Global Foundries - Iyon ay isa pa sa mga tagagawa ng wafer ng silikon na may pinakamaraming mga customer, kabilang ang AMD, Qualcomm, at iba pa. Ngunit sa kasong ito na may 12 at 14 nm transistors bukod sa iba pa. Intel: Ang asul na higante ay may sariling pabrika ng processor, kaya hindi ito nakasalalay sa iba pang mga tagagawa upang lumikha ng mga produkto nito. Marahil ito ang dahilan kung bakit ang mahabang arkitektura ng 10nm ay tumatagal nang matagal upang makabuo laban sa mga kakumpitensya nitong 7nm. Ngunit panigurado na ang mga CPU na ito ay magiging brutal. Samsung: Ang kumpanya ng Korea ay mayroon ding sariling pabrika ng silikon, kaya kami ay nasa parehong mga termino tulad ng Intel. Lumilikha ng iyong sariling mga processor para sa smartphone at iba pang mga aparato.

Batas ni Moore at ang pisikal na limitasyon

Graphene transistor

Sinasabi sa amin ng tanyag na Batas ng Moore na sa bawat dalawang taon ang pagdodoble ng bilang ng mga electron sa microprocessors, at ang katotohanan ay ito ay naging totoo mula pa noong simula ng mga semiconductors. Sa kasalukuyan, ang mga chis ay ipinagbibili ng mga 7nm transistors, partikular na ang AMD ay may mga processors sa lithography na ito para sa mga desktop, ang AMD Ryzen 3000 kasama ang arkitektura ng Zen 2. Katulad nito, ang mga tagagawa tulad ng Qualcomm, Samsung o Apple, ay mayroon ding 7nm processors para sa mga mobile device.

Ang 5 nm nanometer ay nakatakda bilang pisikal na limitasyon upang makagawa ng isang Silistikong transistor batay. Dapat nating malaman na ang mga elemento ay binubuo ng mga atomo, at ang mga ito ay may isang tiyak na sukat. Ang pinakamaliit na eksperimentong transistor sa mundo ay sumusukat sa 1nm, at gawa sa graphene, isang materyal batay sa mas maliit na mga carbon atoms kaysa sa silikon.

Modelong Intel Tick-Tock

Modelong Intel Tick Tock

Ito ang modelo na ginawa ng tagagawa ng Intel mula 2007 upang lumikha at magbago ng arkitektura ng mga processors nito. Ang modelong ito ay nahahati sa dalawang hakbang na batay sa pagbabawas ng proseso ng pagmamanupaktura, at pagkatapos ay ma-optimize ang arkitektura.

Ang hakbang na Tick ay nangyayari kapag bumababa ang proseso ng pagmamanupaktura, halimbawa mula 22nm hanggang 14nm. Habang ang hakbang na Tock kung ano ang ginagawa nito ay mapanatili ang parehong proseso ng pagmamanupaktura at mai-optimize ito sa susunod na pag-iilaw sa halip na karagdagang pagbawas sa mga nanometer. Halimbawa, ang arkitektura ng Sandy Bridge sa 2011 ay ang Tock (isang pagpapabuti mula sa 32nm) ni Nehalem, habang ang Ivy Bridge ay ang Tick noong 2012 (nabawasan sa 22nm).

Ang isang priori, ang plano na ito kung ano ang inilaan niya ay gumawa ng isang taon Tick at ipinagpapatuloy niya ang Tock, ngunit alam na natin na ang asul na higante ay pinabayaan ang diskarte na ito mula sa 2013 kasama ang pagpapatuloy ng 22 nm sa Haswell at ang paglipat ng 14 nm sa 2014. Mula noon, ang buong hakbang ay naging Tock, iyon ay, ang 14 nm ay patuloy na na-optimize hanggang sa maabot ang ika-9 na henerasyon ng Intel Core sa 2019. Inaasahan na sa parehong taon o unang bahagi ng 2020 ay magkakaroon ng bagong Tick na hakbang sa pagdating ng 10 nm.

Ang susunod na hakbang: ang kabuuan ng computer?

Posibleng ang sagot sa mga limitasyon ng arkitekturang batay sa semiconductor ay namamalagi sa kabuuan ng computing. Ang paradigma na ito ay ganap na nagbabago sa pilosopiya ng computing mula sa simula ng mga computer, palaging batay sa makina ng Turing.

Ang isang computer ng kabuuan ay hindi batay sa mga transistor, o sa mga bits. Sila ay magiging mga molekula at particle at Qbits (dami ng mga piraso). Sinusubukan ng teknolohiyang ito na kontrolin ang estado at ang relasyon ng mga molekula sa bagay sa pamamagitan ng mga elektron upang makakuha ng isang operasyon na katulad ng isang transistor. Siyempre, ang 1 Qbit ay hindi katumbas ng 1 bit sa lahat, dahil ang mga molekulang ito ay maaaring lumikha ng hindi dalawa, ngunit tatlo o higit pang magkakaibang mga estado, sa gayon pinarami ang pagiging kumplikado, ngunit din ang kakayahang magsagawa ng mga operasyon.

Ngunit para sa lahat ng ito mayroon kaming ilang maliit na mga limitasyon, tulad ng nangangailangan ng mga temperatura na malapit sa ganap na zero (-273 ^o C) upang makontrol ang estado ng mga particle, o ang pagkakaroon ng system na naka-mount sa ilalim ng vacuum.

• Para sa higit pang impormasyon tungkol sa lahat, bisitahin ang artikulong ito na pinag-aralan namin nang matagal tungkol sa kung ano ang processor ng quantum.

Ano ang nakakaimpluwensya sa mga processors ng nanometer?

Iniiwan namin ang kapana-panabik at kumplikadong mundo ng mga electronics kung saan ang mga tagagawa at kanilang mga inhinyero talaga ang nakakaalam kung ano ang kanilang ginagawa. Ngayon makikita natin kung ano ang mga pakinabang nito upang bawasan ang mga nanometer ng isang transistor para sa isang electronic chip.

5nm transistors

Mas mataas na density ng transistor

Ang susi ay transistor, natutukoy nila ang bilang ng mga lohikal na port at circuit na maaaring mailagay sa loob ng isang silikon na lamang ng ilang square square. Pinag-uusapan namin ang halos 3 bilyong transistor sa isang 174 mm ² matrix tulad ng 14nm Intel i9-9900K. Sa kaso ng AMD Ryzen 3000, humigit-kumulang 3.9 bilyon na transistor sa isang 74mm ^{2 na} may 7nm.

Mas mataas na bilis

Ang ginagawa nito ay nagbibigay ng chip na may higit na lakas sa pagproseso, dahil may kakayahang i-lock ang maraming mga estado sa isang chip na may mas mataas na density ng semiconductors. Sa ganitong paraan, maraming mga tagubilin sa bawat cycle ay nakamit, o ano ang pareho, pinalaki namin ang IPC ng processor, tulad ng halimbawa kung ihahambing namin ang mga processors ng Zen + at Zen 2. Sa katunayan, inaangkin ng AMD na ang mga bagong CPU nito ay nadagdagan ang kanilang Ang core CPI hanggang sa 15% kumpara sa nakaraang henerasyon.

Mas mataas na kahusayan ng enerhiya

Sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mga transistor na may mas kaunting mga nanometer, ang halaga ng mga electron na dumadaan sa mga ito ay mas mababa. Dahil dito, nagbabago ang estado ng transistor na may isang mas mababang suplay ng kuryente, kaya't lubos itong nagpapabuti ng kahusayan ng enerhiya. Kaya sabihin nating maaari nating gawin ang parehong trabaho na may mas kaunting lakas, kaya bumubuo tayo ng mas maraming kapangyarihan sa pagproseso bawat natupok na wat wat.

Napakahalaga nito para sa kagamitan na pinapagana ng baterya, tulad ng mga laptop, Smartphone, atbp. Ang bentahe ng pagkakaroon ng 7 nm processors, ay gumawa sa amin ng mga telepono na may hindi kapani-paniwalang mga awtonomiya, at kamangha-manghang pagganap sa bagong Snapdragon 855, ang bagong A13 Bionic mula sa Apple at ang Kirin 990 mula sa Huawei.

Mas maliit at mas fresher chips

Huling ngunit hindi bababa sa, mayroon kaming miniaturization kakayahan. Sa parehong paraan na maaari naming maglagay ng higit pang mga transistor bawat lugar ng yunit, maaari rin nating bawasan ito upang magkaroon ng mas maliit na chips na makabuo ng mas kaunting init. Tinatawag namin ang TDP na ito, at ang init na maaaring makabuo ng isang silikon na may pinakamataas na singil nito, mag-ingat, hindi ito ang de-koryenteng lakas na natupok nito. Salamat sa ito, maaari naming gawing mas maliit ang mga aparato at na magpapainit ng mas kaunting pagkakaroon ng parehong lakas ng pagproseso.

Mayroon ding mga kawalan

Ang bawat malaking hakbang pasulong ay may mga panganib, at ang parehong maaaring masabi sa nanotechnology. Ang pagkakaroon ng mga transistor ng mas kaunting mga nanometer, ay ginagawang mas mahirap gawin ang proseso ng pagmamanupaktura. Kailangan namin ng mas advanced o mamahaling paraan ng teknikal, at ang bilang ng mga pagkabigo ay tumataas nang malaki. Ang isang malinaw na halimbawa ay ang pagganap ng bawat wafer ng tamang chips ay nabawasan sa bagong Ryzen 3000. Habang sa Zen + 12 nm mayroon kaming halos 80% ng perpektong functional chips bawat wafer, sa Zen 2 ang porsyento na ito ay bababa sa 70%.

Katulad nito, ang integridad ng mga processors ay nakompromiso din, kaya nangangailangan ng mas matatag na mga sistema ng kuryente, at may mas mahusay na kalidad ng signal. Iyon ang dahilan kung bakit ang mga tagagawa sa bagong AMD X570 chipset boards ay kumuha ng espesyal na pangangalaga sa paglikha ng isang kalidad na VRM.

Mga konklusyon tungkol sa mga nanometer

Tulad ng nakikita natin, ang teknolohiya ay sumulong sa pamamagitan ng mga leaps at hangganan, kahit na sa ilang taon ay makikita namin ang mga proseso ng pagmamanupaktura na magiging sa pisikal na limitasyon ng mga materyales na ginamit sa mga transistor kahit na 3 o 1 nanometer. Ano ang susunod? Well hindi namin tiyak na hindi alam, dahil ang teknolohiya ng quantum ay napaka berde at halos imposible na magtayo ng tulad ng isang computer sa labas ng isang kapaligiran sa laboratoryo.

Ang makukuha natin para sa ngayon ay upang makita kung sa kasong ito ang bilang ng mga cores ay nadagdagan kahit na higit pa, o mga materyales tulad ng graphene na umamin ng isang mas mataas na density ng mga transistor para sa mga electronic circuit ay nagsisimulang gamitin.

Nang walang karagdagang ado, iniwan ka namin ng iba pang mga kagiliw-giliw na artikulo:

Sa palagay mo makakakita ba tayo ng mga prosesong 1nm? Anong processor ang mayroon ka? Inaasahan namin na ang artikulo ay kawili-wili, sabihin sa amin kung ano ang sa tingin mo.