Nanometers: apa yang mereka dan bagaimana mereka mempengaruhi cpu kami

Pernahkah anda mendengar tentang nanometer pemproses ? Nah, dalam artikel ini kita akan memberitahu anda tentang langkah ini. Dan yang paling penting, pengaruh nanometer pada cip elektronik dan unsur-unsur yang berbeza yang kita rujuk dengan pengukuran ini.

Apakah nanometer itu?

Mari kita mulailah tepat dengan mendefinisikan nanometer apa, kerana fakta mudah ini akan memberikan banyak permainan bukan sahaja untuk pengkomputeran, tetapi juga dalam biologi dan sains lain yang penting pelajaran.

Nanometer (nm) adalah ukuran panjang yang merupakan sebahagian daripada Sistem Antarabangsa (SI). Jika kita menganggap bahawa meter adalah unit standard atau asas pada skala, nanometer adalah satu bilion meter atau apa yang akan sama:

Dari segi yang boleh difahami kepada manusia biasa, sesuatu yang mengukur nanometer, kita hanya dapat melihatnya melalui mikroskop elektron bertenaga tinggi. Sebagai contoh, rambut manusia boleh mempunyai diameter kira-kira 80, 000 nanometer, jadi bayangkan betapa kecilnya komponen elektronik yang hanya 14 nm.

Langkah ini selalu wujud, jelas, tetapi untuk komuniti perkakasan ia mempunyai kaitan khusus dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Oleh kerana persaingan yang kukuh pengeluar untuk mewujudkan litar bersepadu berdasarkan semikonduktor yang semakin kecil atau transistor.

Transistor

Transistor dan skematik elektronik

Anda mungkin pernah mendengar perbualan pasif dan aktif mengenai transistor pemproses. Kita boleh mengatakan bahawa transistor adalah elemen terkecil yang boleh didapati dalam litar elektronik, tentu saja, mengelakkan elektron dan tenaga elektrik.

Transistor adalah unsur yang diperbuat daripada bahan semikonduktor seperti Silicon atau Germanium. Ia adalah satu elemen yang boleh bertindak sebagai konduktor elektrik atau sebagai penebatnya, bergantung kepada keadaan fizikal yang mana ia tertakluk. Sebagai contoh, medan magnet, suhu, radiasi, dan lain-lain Dan tentu saja dengan voltan tertentu, menjadi kes transistor dari CPU.

Transistor hadir dengan sepenuhnya semua litar bersepadu yang wujud hari ini. Kepentingan yang sangat besar terletak pada apa yang dapat dilakukannya: menghasilkan isyarat output sebagai tindak balas kepada isyarat masukan, iaitu, membenarkan atau tidak peralihan arus sebelum rangsangan, dengan itu mewujudkan kod binari (1 arus, 0 tidak semasa).

Pintu logik dan litar bersepadu

Pelabuhan NAND

Melalui proses litografi, adalah mungkin untuk mencipta litar dengan struktur tertentu yang terdiri daripada beberapa transistor untuk membentuk pintu masuk logik. Pintu logik ialah unit seterusnya di belakang transistor, peranti elektronik yang mampu melaksanakan fungsi logik atau boolean tertentu. Dengan beberapa transistor yang dihubungkan dalam satu cara atau lain, kita boleh menambah, menolak, dan membuat SI, DAN, NAND, ATAU, TIDAK, dan lain-lain pintu. Inilah bagaimana logik diberikan kepada komponen elektronik.

Ini adalah bagaimana litar bersepadu dicipta, dengan berturut-turut transistor, perintang dan kapasitor yang mampu membentuk apa yang sekarang disebut cip elektronik.

Litografi atau fotolitografi

Wafer silikon

Litografi adalah cara untuk membina cip elektronik yang sangat kecil ini, khususnya ia telah diperolehi dalam nama fotolitografi dan kemudian nanolitografi, kerana teknik ini dalam permulaannya digunakan untuk mengukir kandungan pada batu atau logam.

Apa yang sedang dilakukan sedang menggunakan teknik yang sama untuk mewujudkan semikonduktor dan litar bersepadu. Untuk melakukan ini, wafer silika wafer tebal digunakan, melalui proses berdasarkan pendedahan kepada cahaya komponen tertentu dan penggunaan sebatian kimia lain, mampu menghasilkan litar saiz mikroskopik. Sebaliknya, wafer ini disusun sehingga mereka mendapat cip 3D kompleks.

Berapa banyak nanometer yang ada transistor semasa?

Pemproses berasaskan semikonduktor pertama muncul pada tahun 1971 oleh Intel dengan inovatifnya 4004. Pengilang berjaya membuat 10.000 nm transistor, atau 10 mikrometer, dengan itu mempunyai sehingga 2, 300 transistor pada cip.

Oleh itu, memulakan perlumbaan supremasi dalam microtechnology, yang kini terkenal dengan nanoteknologi. Pada tahun 2019, kami mempunyai cip elektronik dengan proses pembuatan 14nm yang datang dengan seni bina Intel Broadwel, 7nm, dengan seni bina AMD Zen 2, dan walaupun ujian 5nm sedang dijalankan oleh IBM dan pengeluar lain. Bagi kita untuk meletakkan diri kita dalam situasi, transistor 5nm hanya akan 50 kali lebih besar daripada awan elektron atom. Beberapa tahun yang lalu, sudah ada kemungkinan untuk mencipta transistor 1 nm, walaupun ia merupakan proses eksperimen semata-mata.

Adakah anda berfikir bahawa semua pengeluar membuat cip sendiri? Baiklah, sebenarnya adalah tidak, dan di dunia, kita dapat menemui empat kuasa besar yang didedikasikan untuk pembuatan cip elektronik.

• TSMC: Syarikat teknologi mikro ini adalah salah satu pemasang cip terkemuka di dunia. Malah, ia menjadikan pemproses daripada jenama seperti AMD (bahagian teras), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei atau Texas Instrument. Ia adalah pengeluar utama dalam transistor 7nm. Global Foundries - Itu satu lagi pengeluar wafer silikon dengan kebanyakan pelanggan, termasuk AMD, Qualcomm, dan lain-lain. Tetapi dalam kes ini dengan 12 dan 14 nm transistor antara lain. Intel: Gergasi biru mempunyai kilang pemproses sendiri, jadi ia tidak bergantung kepada pengeluar lain untuk menghasilkan produknya. Mungkin ini sebabnya seni bina 10nm mengambil masa yang lama untuk membangunkan berbanding pesaingnya yang 7nm. Tetapi yakinlah bahawa CPU ini akan menjadi kejam. Samsung: Syarikat Korea juga mempunyai kilang silikon sendiri, jadi kami mempunyai istilah yang sama seperti Intel. Mewujudkan pemproses anda sendiri untuk telefon pintar dan peranti lain.

Undang-undang Moore dan had fizikal

Transistor graphene

Undang-undang Moore yang terkenal memberitahu kita bahawa setiap dua tahun bilangan elektron dalam mikropemproses beregu, dan kebenarannya adalah bahawa ini telah benar sejak permulaan semikonduktor. Pada masa ini, chis dijual dengan transistor 7nm, khususnya AMD mempunyai pemproses dalam litografi ini untuk desktop, AMD Ryzen 3000 dengan seni bina Zen 2. Begitu juga dengan pengeluar seperti Qualcomm, Samsung atau Apple, juga mempunyai Pemproses 7nm untuk peranti mudah alih.

Nanometer 5 nm ditetapkan sebagai had fizikal untuk membuat transistor berasaskan Silicon. Kita mesti tahu bahawa unsur-unsur terdiri daripada atom, dan ini mempunyai saiz tertentu. Transistor eksperimen terkecil di dunia mengukur 1nm, dan terbuat dari graphene, bahan berdasarkan atom karbon yang lebih kecil daripada silikon.

Intel Tick-Tock Model

Intel Tick Tock Model

Ini adalah model yang pengilang Intel telah mengadopsi sejak tahun 2007 untuk mencipta dan mengembangkan arsitektur pemprosesnya. Model ini dibahagikan kepada dua langkah yang didasarkan pada mengurangkan proses pembuatan, dan kemudian mengoptimumkan seni bina.

Langkah Tick berlaku apabila proses pengilangan berkurangan, contohnya dari 22nm hingga 14nm. Walaupun langkah Tock apa yang dilakukannya adalah mengekalkan proses pembuatan yang sama dan mengoptimumkannya dalam lelaran seterusnya dan bukan lagi mengurangkan nanometer. Sebagai contoh, seni bina Sandy Bridge 2011 adalah Tock (peningkatan daripada 32nm Nehalem), manakala Ivy Bridge adalah Tick pada 2012 (berkurangan hingga 22nm).

Pelan ini, apa yang dia maksudkan adalah untuk membuat satu tahun Tick dan dia terus Tock, tetapi kita sudah tahu bahawa gergasi biru telah meninggalkan strategi ini dari 2013 dengan penerusan 22 nm di Haswell dan bergerak ke 14 nm di 2014. Sejak itu, keseluruhan langkah itu adalah Tock, iaitu, 14 nm terus dioptimumkan sehingga sampai ke generasi ke-9 Intel Core pada tahun 2019. Ia dijangka pada tahun yang sama atau awal tahun 2020 akan ada langkah Tick baru dengan kedatangan 10 nm.

Langkah seterusnya: komputer kuantum?

Mungkin jawapan kepada keterbatasan seni bina semikonduktor terletak pada pengkomputeran kuantum. Paradigma ini sepenuhnya mengubah falsafah pengkomputeran dari awal komputer, selalu berdasarkan mesin Turing.

Komputer kuantum tidak akan berdasarkan kepada transistor, atau pada bit. Mereka akan menjadi molekul dan zarah dan Qbits (bit kuantum). Teknologi ini cuba untuk mengawal keadaan dan hubungan molekul dalam perkara dengan cara elektron untuk mendapatkan operasi yang serupa dengan transistor. Sudah tentu, 1 Qbit tidak sama dengan 1 bit sama sekali, kerana molekul-molekul ini boleh menghasilkan tidak dua, tetapi tiga atau lebih keadaan berbeza, dengan itu mengalikan kerumitan, tetapi juga keupayaan untuk melakukan operasi.

Tetapi untuk semua ini kita mempunyai beberapa batasan kecil, seperti memerlukan suhu yang dekat dengan sifar mutlak (-273 ^o C) untuk mengawal keadaan zarah, atau mempunyai sistem yang dipasang di bawah vakum.

• Untuk mendapatkan maklumat lanjut mengenai semua ini, lawati artikel ini yang kami pelajari seketika dahulu tentang apa yang pemproses kuantum.

Apa yang mempengaruhi nanometer pemproses?

Kami meninggalkan dunia elektronik yang menarik dan kompleks ini di mana pengeluar dan jurutera mereka benar-benar tahu apa yang mereka lakukan. Sekarang kita akan melihat apa manfaatnya untuk mengurangkan nanometer transistor untuk cip elektronik.

5nm transistor

Ketumpatan transistor yang tinggi

Kuncinya adalah transistor, mereka menentukan bilangan port logik dan litar yang boleh dimasukkan ke dalam silikon hanya beberapa milimeter persegi. Kami bercakap tentang hampir 3 bilion transistor dalam matriks 174 mm ² seperti 14nm Intel i9-9900K. Dalam kes AMD Ryzen 3000, kira-kira 3.9 bilion transistor dalam susunan 74mm ² dengan 7nm.

Kelajuan tinggi

Apa yang dilakukannya ialah menyediakan cip dengan kuasa pemprosesan yang lebih banyak, kerana ia mampu mengunci dengan banyak lagi keadaan pada cip dengan kepadatan semikonduktor yang lebih tinggi. Dengan cara ini, lebih banyak arahan setiap kitaran dicapai, atau yang sama, kita meningkatkan IPC pemproses, contohnya jika kita membandingkan prosesor Zen + dan Zen 2. Malah, AMD mendakwa bahawa CPU barunya telah meningkat CPI Teras sehingga 15% berbanding dengan generasi terdahulu.

Kecekapan tenaga yang lebih besar

Dengan mempunyai transistor dengan nanometer yang lebih sedikit, jumlah elektron yang melepasi mereka adalah kurang. Akibatnya, transistor mengubah keadaan dengan bekalan kuasa yang lebih rendah, jadi ini dapat meningkatkan kecekapan tenaga. Oleh itu, katakan kami boleh melakukan kerja yang sama dengan kuasa kurang, jadi kami menjana lebih banyak kuasa pemprosesan setiap watt yang digunakan.

Ini sangat penting untuk peralatan berkuasa bateri, seperti komputer riba, telefon pintar, dan sebagainya. Kelebihan mempunyai pemproses 7nm, menjadikan kami mempunyai telefon dengan autonomi yang luar biasa, dan prestasi hebat dengan Snapdragon 855 yang baru, Bionic A13 yang baru dari Apple dan Kirin 990 dari Huawei.

Cip kecil dan segar

Akhir sekali, kami mempunyai keupayaan pengecilan. Dengan cara yang sama yang kita boleh meletakkan lebih banyak transistor per unit kawasan, kita juga boleh mengurangkan ini untuk mempunyai lebih kecil cip yang menjana kurang haba. Kami memanggil TDP ini, dan ia adalah haba yang silikon boleh menghasilkan dengan caj maksimum, berhati-hati, ia bukan kuasa elektrik yang digunakan. Terima kasih kepada ini, kita boleh membuat peranti lebih kecil dan memanaskan lebih kurang mempunyai kuasa pemprosesan yang sama.

Terdapat juga keburukan

Setiap langkah besar ke depan mempunyai risiko, dan yang sama boleh dikatakan dalam nanoteknologi. Mempunyai transistor kurang nanometer, menjadikan proses pembuatan jauh lebih sukar untuk dilakukan. Kami memerlukan cara teknikal yang lebih maju atau mahal, dan jumlah kegagalan meningkat dengan ketara. Satu contoh yang jelas ialah prestasi setiap wafer cip yang betul telah menurun dalam Ryzen 3000 baru. Walaupun dalam Zen + 12 nm kita mempunyai sekitar 80% cip berfungsi sempurna setiap wafer, dalam Zen 2 peratusan ini akan menurun hingga 70%.

Begitu juga, integriti pemproses juga dikompromi, dengan itu memerlukan sistem kuasa yang lebih stabil, dan dengan kualiti isyarat yang lebih baik. Itulah sebabnya pengeluar dalam papan chipset AMD X570 yang baru telah mengambil perhatian khusus dalam mencipta VRM yang berkualiti.

Kesimpulan tentang nanometer

Seperti yang dapat kita lihat, kemajuan teknologi dengan pesat, walaupun dalam beberapa tahun, kita akan menemui proses pembuatan yang akan berada pada had fizikal bahan-bahan yang digunakan dengan transistor walaupun 3 atau 1 nanometer. Apa yang akan berlaku? Baiklah, kita pasti tidak tahu, kerana teknologi kuantum sangat hijau dan praktikal tidak mungkin untuk membina komputer seperti di luar persekitaran makmal.

Apa yang akan kita peroleh sekarang ialah untuk melihat sama ada dalam keadaan sedemikian bilangan teras meningkat lebih banyak, atau bahan-bahan seperti graphene yang mengakui ketumpatan transistor yang lebih tinggi bagi litar elektronik mula digunakan.

Tanpa berlengah lagi, kami akan meninggalkan anda dengan artikel lain yang menarik:

Adakah anda fikir kita akan dapat melihat 1nm pemproses? Apa pemproses yang anda ada? Kami berharap artikel itu menarik, beritahu kami apa yang anda fikirkan.