Nanometre: hvad de er, og hvordan de påvirker vores cpu

Har du nogensinde hørt om en processors nanometer ? I denne artikel skal vi fortælle alt om denne foranstaltning. Og vigtigst af alt, hvilken indflydelse har nanometre på elektroniske chips og de forskellige elementer, som vi refererer til ved disse målinger.

Hvad er nanometeret

Lad os starte præcist med at definere, hvad nanometre er, fordi denne enkle kendsgerning vil give meget spil ikke kun til computing, men også inden for biologi og de andre videnskaber, der betyder spørgsmål til studier.

Nanometeret (nm) er et mål på længden, der er en del af det internationale system (SI). Hvis vi overvejer, at måleren er standard- eller basisenheden på skalaen, er en nanometer en milliarddel af en meter, eller hvad ville det være det samme:

Når det gælder et normalt menneske, hvad der måler et nanometer, kan vi kun se det gennem et højdrevet elektronmikroskop. For eksempel kan et menneskehår have en diameter på cirka 80.000 nanometer, så forestil dig, hvor lille en elektronisk komponent er, der kun er 14 nm.

Denne foranstaltning har altid eksisteret, det er indlysende, men for hardwarefællesskabet har det haft en særlig relevans i de senere år. På grund af den stærke konkurrence fra producenterne om at skabe integrerede kredsløb baseret på stadig mindre halvledere eller transistorer.

Transistoren

Transistor og elektronisk skematisk

Du har sandsynligvis hørt passiv og aktiv tale om transistorer fra en processor. Vi kan sige, at en transistor er det mindste element, der findes i et elektronisk kredsløb, selvfølgelig ved at undgå elektroner og elektrisk energi.

Transistorer er elementer lavet af halvledermateriale såsom Silicon eller Germanium. Det er et element, der kan opføre sig som en leder af elektricitet eller som en isolator deraf, afhængigt af de fysiske forhold, som den udsættes for. For eksempel et magnetfelt, temperatur, stråling osv. Og selvfølgelig med en bestemt spænding, hvilket er tilfældet med transistorer på en CPU.

Transistoren er til stede i absolut alle de integrerede kredsløb, der findes i dag. Dets enorme betydning ligger i, hvad det er i stand til: at generere et udgangssignal som svar på et indgangssignal, det vil sige, tillade eller ikke passering af strøm før en stimulus, og dermed oprette den binære kode (1 strøm, 0 ikke aktuelt).

Logiske porte og integrerede kredsløb

NAND-porte

Gennem en litografiproces er det muligt at skabe kredsløb med en bestemt struktur, der består af flere transistorer til dannelse af logiske porte. En logisk gate er den næste enhed bag transistoren, en elektronisk enhed, der er i stand til at udføre en bestemt logisk eller boolesk funktion. Med et par transistorer forbundet på en eller anden måde, kan vi tilføje, subtrahere og oprette SI-, AND-, NAND-, ELLER, NOT-, osv. Porte. Sådan logik gives en elektronisk komponent.

Sådan skabes integrerede kredsløb med en række transistorer, modstande og kondensatorer, der er i stand til at danne det, der nu kaldes elektroniske chips.

Litografi eller fotolitografi

Siliciumskive

Litografi er måden at opbygge disse ekstremt små elektroniske chips, specifikt er den afledt i navnet fotolitografi og derefter nanolithography, da denne teknik i begyndelsen blev brugt til at registrere indhold i sten eller metaller.

Hvad der i øjeblikket gøres, bruger en lignende teknik til at oprette halvledere og integrerede kredsløb. For at gøre dette bruges nanometertykke siliciumskiver, der gennem processer, der er baseret på eksponering for lys fra bestemte komponenter og anvendelse af andre kemiske forbindelser, er i stand til at skabe kredsløb i mikroskopiske størrelser. Til gengæld stables disse skiver, indtil de får et helvede af en kompleks 3D-chip.

Hvor mange nanometer har de nuværende transistorer?

De første halvlederbaserede processorer blev vist i 1971 af Intel med dens innovative 4004. Fabrikanten formåede at skabe 10.000 nm transistorer eller 10 mikrometer og dermed have op til 2.300 transistorer på en chip.

Dermed begyndte løbet om overherredømme inden for mikroteknologi, der i øjeblikket er kendt for nanoteknologi. I 2019 har vi elektroniske chips med en 14nm produktionsproces, der fulgte med Intels Broadwel-arkitektur, 7nm, med AMDs Zen 2-arkitektur, og endda 5nm-test udføres af IBM og andre producenter. For at vi kan sætte os selv i en situation, ville en 5nm transistor kun være 50 gange større end et atoms elektronsky. For et par år siden var det allerede muligt at oprette en 1 nm transistor, selvom det er en rent eksperimentel proces.

Tror du, at alle producenter laver deres egne chips? Sandheden er, at nej, og i verden kan vi finde fire store kræfter, der er dedikeret til fremstilling af elektroniske chips.

• TSMC: Denne mikroteknologiselskab er en af ​​verdens førende chipmontere. Faktisk gør det processorer fra mærker som AMD (kernedelen), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei eller Texas Instrument. Det er nøgleproducenten i 7nm transistorer. Globale støberier - Det er en anden af ​​siliciumskiveproducenterne med flest kunder, inklusive AMD, Qualcomm og andre. Men i dette tilfælde med 12 og 14 nm transistorer blandt andre. Intel: Den blå kæmpe har sin egen processorfabrik, så den er ikke afhængig af andre producenter til at oprette sine produkter. Måske er det derfor, at 10nm-arkitekturen tager så lang tid at udvikle sig mod sine 7nm-konkurrenter. Men vær sikker på, at disse CPU'er vil være brutale. Samsung: Det koreanske selskab har også sin egen siliciumfabrik, så vi er på samme vilkår som Intel. Oprettelse af dine egne processorer til smartphone og andre enheder.

Moores lov og den fysiske grænse

Grafen transistor

Den berømte Moore's lov fortæller os, at antallet af elektroner i mikroprocessorer hvert andet år fordobles, og sandheden er, at dette har været sandt siden begyndelsen af ​​halvledere. I øjeblikket sælges chis med 7nm transistorer, specifikt har AMD processorer i denne litografi til desktops, AMD Ryzen 3000 med Zen 2. Arkitekturen har ligeledes producenter som Qualcomm, Samsung eller Apple også 7nm processorer til mobile enheder.

5 nm nanometeret er indstillet som den fysiske grænse for at fremstille en siliciumbaseret transistor. Vi må vide, at elementerne består af atomer, og at disse har en bestemt størrelse. Verdens mindste eksperimentelle transistorer måler 1 nm og er lavet af grafen, et materiale baseret på meget mindre carbonatomer end silicium.

Intel Tick-Tock-model

Intel Tick Tock-model

Dette er den model, som producenten Intel har vedtaget siden 2007 for at skabe og udvikle arkitekturen for sine processorer. Denne model er opdelt i to trin, der er baseret på at reducere fremstillingsprocessen og derefter optimere arkitekturen.

Tick-trinnet opstår, når fremstillingsprocessen falder, for eksempel fra 22nm til 14nm. Mens Tock-trinnet, hvad det gør, er at opretholde den samme fremstillingsproces og optimere den i den næste iteration i stedet for yderligere at reducere nanometrene. For eksempel var Sandy Bridge-arkitekturen i 2011 Tock (en forbedring fra Nehalems 32nm), mens Ivy Bridge var Tick i 2012 (faldt til 22nm).

Først og fremmest denne plan, hvad han havde til hensigt var at lave et år Tick, og han fortsætter Tock, men vi ved allerede allerede, at den blå kæmpe har forladt denne strategi fra 2013 med fortsættelsen af ​​22 nm i Haswell og skiftet til 14 nm i 2014. Siden da har hele trinet været Tock, det vil sige, at 14 nm er fortsat optimeret, indtil den nåede 9. generation Intel Core i 2019. Det forventes, at det samme år eller begyndelsen af ​​2020 vil der komme et nyt Tick-trin med ankomsten af 10 nm.

Det næste trin: kvantecomputeren?

Svaret på begrænsningerne i halvlederbaseret arkitektur ligger muligvis i kvanteberegning. Dette paradigme ændrer computerfilosofien helt fra begyndelsen af ​​computere, altid baseret på Turing-maskinen.

En kvantecomputer vil ikke være baseret på transistorer eller på bits. De ville blive molekyler og partikler og Qbits (kvantebits). Denne teknologi forsøger at kontrollere tilstanden og forbindelserne mellem molekylerne i sagen ved hjælp af elektroner for at få en operation, der ligner en transistor. Naturligvis er 1 Qbit ikke lig med 1 bit overhovedet, da disse molekyler ikke kan skabe to, men tre eller flere forskellige tilstande, hvilket således multiplicerer kompleksiteten, men også evnen til at udføre operationer.

Men for alt dette har vi nogle små begrænsninger, såsom at vi har behov for temperaturer tæt på absolut nul (-273 ^o C) for at kontrollere partiklenes tilstand, eller at have systemet monteret under vakuum.

• For mere information om alt dette, kan du besøge denne artikel, som vi undersøgte for et stykke tid siden om, hvad der er kvanteprocessoren.

Hvad påvirker nanometre processorer?

Vi efterlader denne spændende og komplekse verden af ​​elektronik, hvor kun producenter og deres ingeniører virkelig ved, hvad de laver. Nu vil vi se, hvilke fordele det har at reducere nanometre af en transistor for en elektronisk chip.

5nm transistorer

Højere transistortæthed

Nøglen er transistorer, de bestemmer antallet af logiske porte og kredsløb, der kun kan anbringes i et silicium på kun et par kvadratmillimeter. Vi taler om næsten 3 milliarder transistorer i en 174 mm ² matrix såsom 14nm Intel i9-9900K. I tilfælde af AMD Ryzen 3000, omkring 3, 9 milliarder transistorer i en 74 mm ² array med 7nm.

Højere hastighed

Hvad dette gør er at give chippen meget mere behandlingskraft, da den er i stand til at låse med mange flere tilstande på en chip med en højere massefylde af halvledere. På denne måde opnås flere instruktioner pr. Cyklus, eller hvad er det samme, hæver vi processorens IPC, som for eksempel hvis vi sammenligner Zen + og Zen 2. Processorer hævder faktisk AMD, at dens nye CPU'er har øget deres Core CPI op til 15% sammenlignet med den foregående generation.

Større energieffektivitet

Ved at have transistorer med færre nanometer er mængden af ​​elektroner, der passerer gennem dem, mindre. Følgelig ændrer transistoren tilstand med en lavere strømforsyning, så dette forbedrer energieffektiviteten i høj grad. Så lad os sige, at vi kan udføre det samme job med mindre strøm, så vi genererer mere processorkraft pr. Forbruget watt.

Dette er meget vigtigt for batteridrevet udstyr, såsom bærbare computere, Smartphone osv. Fordelen ved at have 7 nm processorer har gjort, at vi har telefoner med utrolige autonomier og spektakulær ydelse med den nye Snapdragon 855, den nye A13 Bionic fra Apple og Kirin 990 fra Huawei.

Mindre og friskere chips

Sidst men ikke mindst har vi miniaturiseringsevnen. På samme måde som vi kan placere flere transistorer pr. Enhedsareal, kan vi også reducere dette for at have mindre chips, der genererer mindre varme. Vi kalder dette TDP, og det er den varme, et silicium kan generere med sin maksimale ladning, pas på, det er ikke den elektriske strøm, den forbruger. Takket være dette kan vi gøre enheder mindre, og der opvarmes meget mindre med den samme processorkraft.

Der er også ulemper

Hvert stort skridt fremad har sine risici, og det samme kan siges i nanoteknologi. At have transistorer på mindre nanometer gør fremstillingsprocessen meget vanskeligere at udføre. Vi har brug for meget mere avancerede eller dyre tekniske midler, og antallet af fejl stiger markant. Et klart eksempel er, at ydelsen pr. Wafer af korrekte chips er faldet i den nye Ryzen 3000. Mens vi i Zen + 12 nm havde omkring 80% af perfekt funktionelle chips pr. Skive, ville denne procentdel i Zen 2 være faldet til 70%.

Tilsvarende kompromitteres processorenes integritet, hvilket kræver mere stabile kraftsystemer og med bedre signalkvalitet. Derfor har producenterne af de nye AMD X570-chipsetplader taget særlig hensyn til at skabe en kvalitet VRM.

Konklusioner om nanometre

Som vi kan se, fremskridt teknologien med spring og grænser, skønt vi i løbet af få år finder fremstillingsprocesser, der allerede er ved den fysiske grænse for materialerne, der bruges med transistorer på endda 3 eller 1 nanometer. Hvad bliver der næste? Det ved vi bestemt ikke, for kvanteteknologi er meget grønt, og det er praktisk talt umuligt at bygge en sådan computer uden for et laboratoriemiljø.

Hvad vi vil have for nu, er at se, om antallet af kerner i et sådant tilfælde øges endnu mere, eller materialer som grafen, der indrømmer en højere densitet af transistorer til elektroniske kredsløb begynder at blive brugt.

Uden yderligere fjendtlighed forlader vi dig med andre interessante artikler:

Tror du, at vi får at se 1nm-processorer? Hvilken processor har du? Vi håber, artiklen var interessant, fortæl os, hvad du synes.