Nanometre: hva de er og hvordan de påvirker cpu-en vår

Har du noen gang hørt om en prosessorens nanometer ? Vel, i denne artikkelen skal vi fortelle deg alt om dette tiltaket. Og viktigst av alt, hvilken innflytelse har nanometre på elektroniske brikker og de forskjellige elementene som vi refererer til med disse målingene.

Hva er nanometeret

La oss starte presist med å definere hva nanometre er, fordi dette enkle faktum vil gi mye spill, ikke bare for databehandling, men også innen biologi og andre vitenskaper som betyr studier.

Nanometeret (nm) er et mål på lengden som er en del av det internasjonale systemet (SI). Hvis vi vurderer at måleren er standard eller grunnleggende enhet på skalaen, er et nanometer en milliarddel meter, eller hva vil være det samme:

Når det gjelder et normalt menneske, noe som måler et nanometer, kan vi bare se det gjennom et høydrevet elektronmikroskop. For eksempel kan et menneskehår ha en diameter på omtrent 80 000 nanometer, så tenk hvor liten en elektronisk komponent er som bare er 14 nm.

Dette tiltaket har alltid eksistert, det er åpenbart, men for maskinvarefellesskapet har det hatt en spesiell relevans de siste årene. På grunn av produsentens sterke konkurranse om å lage integrerte kretsløp basert på stadig mindre halvledere eller transistorer.

Transistoren

Transistor og elektronisk skjema

Du har sikkert hørt passiv og aktiv snakk om transistorene til en prosessor. Vi kan si at en transistor er det minste elementet som finnes i en elektronisk krets, selvfølgelig, og unngår elektroner og elektrisk energi.

Transistorer er elementer laget av halvledermateriale som Silisium eller Germanium. Det er et element som kan oppføre seg som en leder av elektrisitet eller som en isolator derav, avhengig av de fysiske forholdene den blir utsatt for. For eksempel et magnetfelt, temperatur, stråling, etc. Og selvfølgelig med en viss spenning, for transistorer til en CPU.

Transistoren er til stede i absolutt alle de integrerte kretsløpene som finnes i dag. Den enorme viktigheten ligger i hva den er i stand til å gjøre: generere et utsignal som svar på et inngangssignal, det vil si tillate eller ikke passering av strøm før en stimulus, og dermed opprette den binære koden (1 strøm, 0 ikke aktuell).

Logiske porter og integrerte kretsløp

NAND-porter

Gjennom en litografiprosess er det mulig å lage kretsløp med en viss struktur sammensatt av flere transistorer for å danne logikkportene. En logisk port er den neste enheten bak transistoren, en elektronisk enhet som er i stand til å utføre en viss logisk eller boolsk funksjon. Med noen få transistorer koblet på en eller annen måte, kan vi legge til, trekke fra og lage SI-, AND-, NAND-, ELLER, NOT-, osv. Porter. Slik blir logikk gitt til en elektronisk komponent.

Slik skapes integrerte kretsløp, med en rekke transistorer, motstander og kondensatorer som er i stand til å danne det som nå kalles elektroniske brikker.

Litografi eller fotolitografi

Silisiumskive

Litografi er måten å bygge disse ekstremt små elektroniske brikkene på, spesielt har den avledet i navnet fotolitografi og deretter nanolitografi, siden denne teknikken i begynnelsen ble brukt til å registrere innhold i steiner eller metaller.

Det som nå gjøres er å bruke en lignende teknikk for å lage halvledere og integrerte kretsløp. For å gjøre dette, brukes nanometertykke silisiumskiver som gjennom prosesser basert på eksponering for lys fra visse komponenter og bruk av andre kjemiske forbindelser er i stand til å lage kretsløp i mikroskopiske størrelser. I sin tur blir disse platene stablet til de får et helvete av en kompleks 3D-brikke.

Hvor mange nanometer har nåværende transistorer?

De første halvlederbaserte prosessorene dukket opp i 1971 av Intel med sine innovative 4004. Produsenten klarte å lage 10 000 nm transistorer, eller 10 mikrometer, og dermed ha opptil 2300 transistorer på en brikke.

Dermed startet løpet om overherredømme innen mikroteknologi, for tiden kjent for nanoteknologi. I 2019 har vi elektroniske brikker med en 14nm produksjonsprosess som fulgte med Intels Broadwel-arkitektur, 7nm, med AMDs Zen 2-arkitektur, og til og med 5nm-tester blir utført av IBM og andre produsenter. For at vi skal sette oss i en situasjon, ville en 5nm transistor bare være 50 ganger større enn elektronets sky fra et atom. For noen år siden var det allerede mulig å lage en 1 nm transistor, selv om det er en rent eksperimentell prosess.

Tror du at alle produsenter lager sine egne brikker? Sannheten er at nei, og i verden kan vi finne fire stormakter som er dedikert til produksjon av elektroniske brikker.

• TSMC: Dette mikroteknologiselskapet er en av verdens ledende brikkesamlere. Faktisk lager det prosessorene fra merker som AMD (kjernedelen), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei eller Texas Instrument. Det er nøkkelprodusenten i 7nm transistorer. Global Foundries - Det er en annen av silisiumskiveprodusentene med flest kunder, inkludert AMD, Qualcomm og andre. Men i dette tilfellet med 12 og 14 nm transistorer blant andre. Intel: Den blå giganten har sin egen prosessorfabrikk, så den er ikke avhengig av andre produsenter for å lage sine produkter. Kanskje dette er grunnen til at 10nm-arkitekturen tar så lang tid å utvikle seg mot sine 7nm-konkurrenter. Men vær trygg på at disse prosessorene vil være brutale. Samsung: Det koreanske selskapet har også en egen silisiumfabrikk, så vi er på samme vilkår som Intel. Lage egne prosessorer for smarttelefon og andre enheter.

Moores lov og den fysiske grensen

Grafene transistor

Den berømte Moore's Law forteller oss at hvert andre år dobler antallet elektroner i mikroprosessorer, og sannheten er at dette har vært sant siden begynnelsen av halvledere. Foreløpig selges chis med 7nm transistorer, spesifikt har AMD prosessorer i denne litografien for stasjonære maskiner, AMD Ryzen 3000 med Zen 2. Arkitekturen har også produsenter som Qualcomm, Samsung eller Apple, 7nm prosessorer for mobile enheter.

Nanometeret på 5 nm er satt som den fysiske grensen for å lage en silisiumbasert transistor. Vi må vite at elementene består av atomer, og disse har en viss størrelse. Verdens minste eksperimentelle transistorer måler 1 nm, og er laget av grafen, et materiale basert på mye mindre karbonatomer enn silisium.

Intel Tick-Tock-modell

Intel Tick Tock-modell

Dette er modellen som produsenten Intel har tatt i bruk siden 2007 for å lage og utvikle arkitekturen til prosessorene. Denne modellen er delt inn i to trinn som er basert på å redusere produksjonsprosessen og deretter optimalisere arkitekturen.

Tick-trinnet oppstår når produksjonsprosessen avtar, for eksempel fra 22nm til 14nm. Mens Tock-trinnet det gjør, er å opprettholde den samme produksjonsprosessen og optimalisere den i neste iterasjon i stedet for å redusere nanometerene ytterligere. For eksempel var Sandy Bridge-arkitekturen fra 2011 Tock (en forbedring fra Nehalems 32nm), mens Ivy Bridge var Tick i 2012 (redusert til 22nm).

I forkant, denne planen hva han hadde til hensikt var å lage et år Tick og han fortsetter Tock, men vi vet allerede at den blå giganten har forlatt denne strategien fra 2013 med fortsettelsen av 22 nm i Haswell og flyttingen til 14 nm i 2014. Siden den gang har hele trinnet vært Tock, det vil si at 14 nm har fortsatt å være optimalisert til de nådde 9. generasjon Intel Core i 2019. Det forventes at det samme år eller tidlig i 2020 vil det komme et nytt Tick-trinn med ankomsten av 10 nm.

Neste trinn: kvantemaskinen?

Svaret på begrensningene i halvlederbasert arkitektur ligger muligens i kvanteberegning. Dette paradigmet endrer filosofien om databehandling helt fra begynnelsen av datamaskiner, alltid basert på Turing-maskinen.

En kvantecomputer vil ikke være basert på transistorer, og heller ikke på biter. De ville bli molekyler og partikler og Qbits (kvantebiter). Denne teknologien prøver å kontrollere tilstanden og forholdet mellom molekylene i saken ved hjelp av elektroner for å få en operasjon som ligner på en transistor. Selvfølgelig er 1 Qbit ikke lik 1 bit i det hele tatt, siden disse molekylene ikke kan skape to, men tre eller flere forskjellige tilstander, og dermed multiplisere kompleksiteten, men også muligheten til å utføre operasjoner.

Men for alt dette har vi noen små begrensninger, som for eksempel å trenge temperaturer nær absolutt null (-273 ^o C) for å kontrollere tilstanden til partiklene, eller å ha systemet montert under vakuum.

• For mer informasjon om alt dette, besøk denne artikkelen som vi studerte for en stund siden om hva som er kvanteprosessoren.

Hva påvirker nanometre prosessorer?

Vi etterlater oss denne spennende og komplekse verdenen av elektronikk der bare produsenter og ingeniører virkelig vet hva de gjør. Nå får vi se hvilke fordeler det har å redusere nanometerene til en transistor for en elektronisk brikke.

5nm transistorer

Høyere transistortetthet

Nøkkelen er transistorer, de bestemmer antall logiske porter og kretsløp som kan plasseres i et silisium på bare noen få kvadratmeter. Vi snakker om nesten 3 milliarder transistorer i en 174 mm ² matrise som 14nm Intel i9-9900K. Når det gjelder AMD Ryzen 3000, omtrent 3, 9 milliarder transistorer i en 74 mm ² matrise med 7nm.

Høyere hastighet

Det dette gjør er å gi brikken mye mer prosessorkraft, siden den er i stand til å låses med mange flere tilstander på en brikke med høyere tetthet av halvledere. På denne måten oppnås flere instruksjoner per syklus, eller hva er det samme, vi hever prosessorens IPC, som for eksempel hvis vi sammenligner Zen + og Zen 2. prosessorer. AMD hevder faktisk at de nye CPU-ene har økt sin Kjerne-KPI opptil 15% sammenlignet med forrige generasjon.

Større energieffektivitet

Ved å ha transistorer med færre nanometer, er mengden elektroner som passerer gjennom dem mindre. Følgelig endrer transistoren tilstand med en lavere strømforsyning, så dette forbedrer energieffektiviteten. Så la oss si at vi kan gjøre den samme jobben med mindre strøm, så vi genererer mer prosessorkraft per watt forbrukt.

Dette er veldig viktig for batteridrevet utstyr, som bærbare datamaskiner, Smartphone, etc. Fordelen med å ha 7 nm-prosessorer, har gjort at vi har telefoner med utrolige autonomier, og spektakulær ytelse med den nye Snapdragon 855, den nye A13 Bionic fra Apple og Kirin 990 fra Huawei.

Mindre og friskere chips

Sist, men ikke minst, har vi miniatyriseringsevnen. På samme måte som vi kan plassere flere transistorer per enhetsareal, kan vi også redusere dette for å ha mindre flis som genererer mindre varme. Vi kaller dette TDP, og det er varmen som et silisium kan generere med sin maksimale ladning, pass deg, det er ikke den elektriske kraften den bruker. Takket være dette kan vi gjøre enheter mindre og varme opp mye mindre med den samme prosessorkraften.

Det er også ulemper

Hvert stort skritt fremover har sine risikoer, og det samme kan sies i nanoteknologi. Å ha transistorer på mindre nanometer, gjør produksjonsprosessen mye vanskeligere å utføre. Vi trenger mye mer avanserte eller dyre tekniske midler, og antall feil øker betydelig. Et tydelig eksempel er at ytelsen per skive med riktige brikker har sunket i den nye Ryzen 3000. Mens vi i Zen + 12 nm hadde rundt 80% av perfekt funksjonelle brikker per skive, ville denne prosentandelen i Zen 2 ha sunket til 70%.

På samme måte kompromitteres også prosessorenes integritet, og krever dermed mer stabile kraftsystemer, og med bedre signalkvalitet. Det er grunnen til at produsentene i de nye AMD X570 brikkesettbrettene har tatt spesiell forsiktighet med å lage en kvalitet VRM.

Konklusjoner om nanometer

Som vi ser, er teknologien fremskritt med store sprang, selv om vi om noen år vil finne produksjonsprosesser som allerede vil være på den fysiske grensen for materialene som brukes med transistorer på til og med 3 eller 1 nanometer. Hva blir det neste? Vi vet absolutt ikke, for kvanteteknologi er veldig grønn og det er praktisk talt umulig å bygge en slik datamaskin utenfor et laboratoriemiljø.

Det vi vil ha for nå er å se om i dette tilfellet antall kjerner økes enda mer, eller materialer som grafen som innrømmer en høyere tetthet av transistorer for elektroniske kretsløp begynner å bli brukt.

Uten videre, overlater vi deg til andre interessante artikler:

Tror du at vi får se 1nm-prosessorer? Hvilken prosessor har du? Vi håper artikkelen var interessant, fortell oss hva du synes.