Nanometre: ce sunt și cum afectează cpu-ul nostru

Ați auzit vreodată despre nanometrele unui procesor ? Ei bine, în acest articol vă vom spune totul despre această măsură. Și cel mai important, ce influență au nanometrele asupra cipurilor electronice și a diferitelor elemente la care ne referim cu aceste măsurători.

Ce este nanometrul

Să începem tocmai prin a defini care sunt nanometrele, deoarece acest fapt simplu va da foarte mult joc nu numai pentru calcul, ci și pentru biologie și celelalte științe care contează studiile.

Nanometrul (nm) este o măsură a lungimii care face parte din Sistemul Internațional (SI). Dacă considerăm că contorul este unitatea standard sau de bază pe scară, un nanometru este de o miliardime de metru sau ceea ce ar fi același:

În termeni înțelegători pentru o ființă umană normală, ceva care măsoară un nanometru, îl putem vedea doar printr-un microscop electronic de mare putere. De exemplu, un păr uman poate avea un diametru de aproximativ 80.000 nanometri, deci imaginați-vă cât de mică este o componentă electronică care este de doar 14 nm.

Această măsură a existat întotdeauna, este evidentă, dar pentru comunitatea hardware a avut o relevanță specială în ultimii ani. Datorită concurenței puternice a producătorilor de a crea circuite integrate bazate pe semiconductori sau tranzistoare din ce în ce mai mici.

Tranzistorul

Tranzistor și schemă electronică

Probabil ați auzit vorbiri pasive și active despre tranzistoarele unui procesor. Putem spune că un tranzistor este cel mai mic element care poate fi găsit într-un circuit electronic, evitând desigur electronii și energia electrică.

Tranzistoarele sunt elemente realizate din material semiconductor, cum ar fi Silicon sau Germanium. Este un element care se poate comporta ca un conductor de electricitate sau ca un izolator al acestuia, în funcție de condițiile fizice la care este supus. De exemplu, un câmp magnetic, temperatură, radiații etc. Și desigur cu o anumită tensiune, fiind cazul tranzistoarelor unui procesor.

Tranzistorul este prezent în absolut toate circuitele integrate care există astăzi. Importanța sa enormă constă în ceea ce este capabil: generarea unui semnal de ieșire ca răspuns la un semnal de intrare, adică să permită sau nu trecerea curentului înainte de un stimul, creând astfel codul binar (1 curent, 0 nu curent).

Porți logice și circuite integrate

Porturi NAND

Printr-un proces de litografiere, este posibil să se creeze circuite cu o anumită structură formată din mai multe tranzistoare pentru a forma porțile logice. O poartă logică este următoarea unitate din spatele tranzistorului, un dispozitiv electronic care este capabil să îndeplinească o anumită funcție logică sau booleană. Cu câțiva tranzistori legați într-un fel sau altul, putem adăuga, scăpa și crea porti SI, ȘI, NAND, SAU NU, etc. Așa se dă logică unei componente electronice.

Așa se creează circuite integrate, cu o succesiune de tranzistoare, rezistențe și condensatoare care sunt capabile să formeze ceea ce acum se numesc cipuri electronice.

Litografie sau fotolitografie

Plafonă de silicon

Litografia este modalitatea de a construi aceste cipuri electronice extrem de mici, în special a derivat în numele fotolitografiei și apoi nanolitografiei, deoarece această tehnică, la începuturile sale, a fost utilizată pentru înregistrarea conținutului în pietre sau metale.

Ceea ce se face în prezent este folosirea unei tehnici similare pentru a crea semiconductori și circuite integrate. Pentru a face acest lucru, se folosesc napolitane de silicon cu grosime de nanometru care, prin procese bazate pe expunerea la lumină a anumitor componente și utilizarea altor compuși chimici, sunt capabili să creeze circuite de dimensiuni microscopice. La rândul lor, aceste napolitane sunt stivuite până obțin un chip 3D complex.

Câți nanometri au tranzistoarele actuale?

Primele procesoare bazate pe semiconductor au apărut în 1971 de către Intel cu inovatorul său 4004. Producătorul a reușit să creeze tranzistoare de 10.000 nm, sau 10 micrometri, având astfel până la 2.300 de tranzistoare pe un cip.

Astfel a început cursa pentru supremație în microtehnologie, renumită în prezent pentru nanotehnologie. În 2019, avem cipuri electronice cu un proces de fabricație de 14 nm, care a venit cu arhitectura Intel Broadwel, 7nm, cu arhitectura Zen 2 a AMD, ba chiar teste de 5 nm sunt realizate de IBM și alți producători. Pentru ca noi să ne punem într-o situație, un tranzistor de 5nm ar fi doar de 50 de ori mai mare decât norul de electroni al unui atom. Acum câțiva ani, era deja posibil să se creeze un tranzistor de 1 nm, deși este un proces pur experimental.

Crezi că toți producătorii își fac propriile jetoane? Ei bine, adevărul este că nu, și în lume, putem găsi patru mari puteri care sunt dedicate fabricării cipurilor electronice.

• TSMC: Această companie de micro-tehnologie este unul dintre cei mai importanți montatori de cipuri din lume. De fapt, face procesoare de la mărci precum AMD (partea de bază), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei sau Texas Instrument. Este producătorul cheie în tranzistoare 7nm. Global Foundries - Acesta este un alt dintre producătorii de placă de siliciu cu cei mai mulți clienți, inclusiv AMD, Qualcomm și alții. Dar în acest caz, cu tranzistoare de 12 și 14 nm, printre altele. Intel: Gigantul albastru are propria fabrică de procesoare, deci nu depinde de alți producători pentru a-și crea produsele. Poate din acest motiv arhitectura de 10 nm durează atât de mult pentru a se dezvolta împotriva concurenților săi de 7 nm. Dar fiți siguri că aceste procesoare vor fi brutale. Samsung: Compania coreeană are și propria sa fabrică de siliciu, așa că suntem în aceiași termeni ca Intel. Crearea propriilor procesoare pentru smartphone și alte dispozitive.

Legea lui Moore și limita fizică

Tranzistor grafen

Celebra lege a lui Moore ne spune că la fiecare doi ani numărul de electroni din microprocesoare se dublează, iar adevărul este că acest lucru a fost valabil încă de la începutul semiconductorilor. În prezent, chis-urile sunt vândute cu tranzistoare de 7nm, în special AMD are procesoare în această litografie pentru computere desktop, AMD Ryzen 3000 cu arhitectură Zen 2. În mod similar, producători precum Qualcomm, Samsung sau Apple au Procesoare 7nm pentru dispozitive mobile.

Nanometrul de 5 nm este setat ca limită fizică pentru a realiza un tranzistor pe bază de silicon. Trebuie să știm că elementele sunt formate din atomi, iar acestea au o anumită dimensiune. Cele mai mici tranzistoare experimentale din lume măsoară 1 nm și sunt fabricate din grafen, un material bazat pe atomi de carbon mult mai mici decât siliconul.

Modelul Intel Tick-Tock

Modelul Intel Tick Tock

Acesta este modelul pe care producătorul Intel l-a adoptat din 2007 pentru a crea și evolua arhitectura procesoarelor sale. Acest model este împărțit în două etape care se bazează pe reducerea procesului de fabricație și apoi optimizarea arhitecturii.

Etapa Tick are loc când procesul de fabricație scade, de exemplu de la 22 nm la 14 nm. În timp ce Tock face ceea ce face este să menținem același proces de fabricație și să-l optimizăm în următoarea iterație, în loc să scadă în continuare nanometrele. De exemplu, arhitectura Sandy Bridge din 2011 a fost Tock-ul (o îmbunătățire față de 32nm de Nehalem), în timp ce Ivy Bridge a fost Tick în 2012 (a scăzut la 22nm).

A priori, acest plan pe care și-l propunea era să-l facă un an Tick și el continuă Tock, dar știm deja că gigantul albastru a abandonat această strategie din 2013 cu continuarea a 22 nm în Haswell și trecerea la 14 nm în 2014. De atunci, întregul pas a fost Tock, adică cei 14 nm au continuat să fie optimizați până la atingerea celei de-a noua generații Intel Core în 2019. Se așteaptă ca în același an sau la începutul anului 2020 să existe un nou pas Tick cu sosirea a 10 nm.

Următorul pas: calculatorul cuantic?

Posibil răspunsul la limitările arhitecturii bazate pe semiconductor constă în calcularea cuantică. Această paradigmă schimbă complet filosofia de calcul de la începutul calculatoarelor, întotdeauna bazată pe mașina Turing.

Un computer cuantic nu ar fi bazat pe tranzistoare și nici pe biți. Ar deveni molecule și particule și Qbits (biți cuantici). Această tehnologie încearcă să controleze starea și relațiile moleculelor din materie cu ajutorul electronilor pentru a obține o operație similară cu cea a unui tranzistor. Desigur, 1 Qbit nu este deloc egal cu 1 bit, deoarece aceste molecule pot crea nu două, ci trei sau mai multe stări diferite, înmulțind astfel complexitatea, dar și capacitatea de a efectua operații.

Dar, pentru toate acestea, avem câteva mici limitări, cum ar fi nevoie de temperaturi apropiate de zero absolut (-273 ^o C) pentru a controla starea particulelor sau instalarea sistemului sub vid.

• Pentru mai multe informații despre toate acestea, vizitați acest articol pe care l-am studiat în urmă cu ceva timp despre ce este procesorul cuantic.

Ce influențează nanometre procesoare?

Lăsăm în urmă această lume captivantă și complexă a electronicelor în care doar producătorii și inginerii lor știu cu adevărat ce fac. Acum vom vedea ce avantaje are reducerea nanometrelor unui tranzistor pentru un cip electronic.

Tranzistoare 5nm

Densitate mai mare a tranzistorului

Cheia este tranzistorii, ei determină numărul de porturi și circuite logice care pot fi introduse într-un siliciu de doar câțiva milimetri pătrați. Vorbim despre aproape 3 miliarde de tranzistoare într-o matrice de 174 mm ², cum ar fi Intel i9-9900K de 14 nm. În cazul AMD Ryzen 3000, aproximativ 3, 9 miliarde de tranzistoare într-o matrice de 74 mm ² cu 7 nm.

Viteză mai mare

Acest lucru este acela de a oferi cipului o putere de procesare mult mai mare, deoarece este capabil să blocheze cu multe alte stări pe un cip cu o densitate mai mare de semiconductori. În acest fel, sunt obținute mai multe instrucțiuni pe ciclu, sau ceea ce este același lucru, ridicăm IPC-ul procesorului, de exemplu, dacă comparăm procesoarele Zen + și Zen 2. De fapt, AMD susține că noile sale CPU au crescut IPC de bază până la 15% în comparație cu generația anterioară.

Eficiență energetică mai mare

Având tranzistoare cu mai puțini nanometri, cantitatea de electroni care trece prin ei este mai mică. În consecință, tranzistorul își schimbă starea cu o sursă de alimentare mai mică, astfel încât aceasta îmbunătățește considerabil eficiența energetică. Deci, să zicem că putem face aceeași treabă cu mai puțină putere, deci generăm mai multă putere de procesare per watt consumat.

Acest lucru este foarte important pentru echipamentele cu baterie, cum ar fi laptopuri, Smartphone etc. Avantajul de a avea procesoare de 7 nm, ne-a făcut să avem telefoane cu autonomii incredibile și performanțe spectaculoase cu noul Snapdragon 855, noul A13 Bionic de la Apple și Kirin 990 de la Huawei.

Jetoane mai mici și mai proaspete

Nu în ultimul rând, avem capacitatea de miniaturizare. În același mod în care putem pune mai mulți tranzistori pe unitate de unitate, putem reduce, de asemenea, pentru a avea cipuri mai mici care generează mai puțină căldură. Numim acest TDP și este căldura pe care un siliciu o poate genera cu încărcarea sa maximă, atenție, nu este energia electrică pe care o consumă. Datorită acestui fapt, putem face ca dispozitivele să fie mai mici și care să se încălzească mult mai puțin având aceeași putere de procesare.

Există și dezavantaje

Fiecare mare pas înainte are riscurile sale și același lucru se poate spune și în nanotehnologie. Având tranzistoare cu mai puțini nanometri, face procesul de fabricație mult mai dificil de efectuat. Avem nevoie de mijloace tehnice mult mai avansate sau costisitoare, iar numărul de eșecuri crește substanțial. Un exemplu clar este faptul că performanța pe placă a jetoanelor corecte a scăzut în noul Ryzen 3000. În timp ce la Zen + 12 nm am avut în jur de 80% de cipuri perfect funcționale pe placă, în Zen 2 acest procent ar fi scăzut la 70%.

În mod similar, integritatea procesoarelor este de asemenea compromisă, necesitând astfel sisteme de alimentare mai stabile și cu o calitate mai bună a semnalului. De aceea, producătorii noilor plăci de chipset AMD X570 au avut grijă deosebită în crearea unui VRM de calitate.

Concluzii despre nanometre

După cum vedem, tehnologia avansează încet, deși în câțiva ani vom găsi procese de fabricație care vor fi deja la limita fizică a materialelor utilizate cu tranzistoare de chiar 3 sau 1 nanometri. Ce va fi în continuare? Ei bine, cu siguranță nu știm, pentru că tehnologia cuantică este foarte verde și este practic imposibil să construim un astfel de computer în afara unui mediu de laborator.

Ceea ce vom avea deocamdată este să vedem dacă într-un astfel de caz numărul de nuclee este crescut și mai mult sau încep să fie utilizate materiale precum grafenul care admite o densitate mai mare de tranzistoare pentru circuitele electronice.

Fără alte detalii, vă lăsăm cu alte articole interesante:

Crezi că vom vedea procesoare 1nm? Ce procesor aveți? Sperăm că articolul a fost interesant, spuneți-ne ce părere aveți.