Нанометерс: шта су они и како утичу на наш процесор

Јесте ли чули за нанометре процесора ? Па, у овом чланку ћемо вам рећи све о овој мери. И најважније, какав утицај имају нанометри на електронске чипове и различите елементе на које упућујемо овим мерењима.

Шта је нанометар

Започнимо прецизно дефинисањем шта су нанометри, јер ће ова једноставна чињеница дати много играња не само за рачунарство, већ и за биологију и друге науке које су важне за студије.

Нанометар (нм) је мера дужине која је део Међународног система (СИ). Ако узмемо у обзир да је бројило стандардна или основна јединица на скали, нанометар је једна милијарда метра или шта би било исто:

У терминима разумљивим за нормално људско биће, нешто што мери нанометром, то можемо видети само помоћу електронског микроскопа велике снаге. На пример, људска длака може имати пречник од око 80.000 нанометара, па замислите колико је мала електронска компонента то само 14 нм.

Ова мера је одувек постојала, очигледно је, али за хардверску заједницу је од посебног значаја последњих година. Због јаке конкуренције произвођача за стварање интегрисаних кола на основу све мањих полуводича или транзистора.

Транзистор

Транзисторска и електронска шема

Вероватно сте чули пасивно и активно говорити о транзисторима процесора. Можемо рећи да је транзистор најмањи елемент који се може наћи у електронском колу, наравно избегавајући електроне и електричну енергију.

Транзистори су елементи направљени од полуводичких материјала, као што су силицијум или германијум. То је елемент који се може понашати као проводник електричне енергије или као његов изолатор, зависно од физичких услова којима је изложен. На пример, магнетно поље, температура, зрачење итд. И наравно са одређеним напоном, што је случај и са транзисторима ЦПУ-а.

Транзистор је присутан у апсолутно свим интегрисаним круговима који данас постоје. Његова огромна важност лежи у ономе што је у стању да уради: генерисати излазни сигнал као одговор на улазни сигнал, односно дозволити или не пролазак струје пре подстицаја, стварајући тако бинарни код (1 струја, 0 није тренутно).

Логичке капије и интегрисана кола

НАНД портови

Кроз поступак литографије могуће је створити склопове са одређеном структуром састављеном од неколико транзистора како би се формирали логички пролази. Логичка капија је следећа јединица иза транзистора, електронски уређај који може да обавља одређену логичку или логичку функцију. Са неколико транзистора повезаних на овај или онај начин, можемо сабирати, одузимати и стварати капије СИ, АНД, НАНД, ИЛИ, НЕ итд. Овако се логика даје електронској компоненти.

Тако настају интегрисана кола са низом транзистора, отпорника и кондензатора који су у стању да формирају оно што се данас назива електронским чиповима.

Литографија или фотолитографија

Силицијум вафељ

Литографија је начин за изградњу ових изузетно малих електронских чипова, тачније она је изведена у име фотолитографије, а затим и нанолитхографије, пошто се ова техника у својим почецима користила за снимање садржаја у камењу или металу.

Оно што се тренутно ради је коришћење сличне технике за прављење полуводича и интегрисаних кола. Да би се то постигло, користе се силиконски резини дебљине нанометра који помоћу процеса заснованих на излагању светлости одређених компоненти и употреби других хемијских једињења могу створити склопове микроскопских величина. Заузврат, ови вафли се слажу док не добију пакао сложени 3Д чип.

Колико нанометара имају тренутни транзистори?

Први процесори базирани на полуводичима Интел се појавио 1971. године са својим иновативним 4004. Произвођач је успео да створи транзисторе од 10.000 нм или 10 микрометара, чиме је имао до 2.300 транзистора на чипу.

Тако је започела трка за превласт у микротехнологији, која је тренутно позната по нанотехнологији. У 2019. години имамо електронске чипове са 14нм производним процесом који је испоручен са Интеловом архитектуром Броадвел, 7нм, АМД-овом Зен 2 архитектуром, а чак 5нм тестови проводе ИБМ и други произвођачи. Да бисмо се ми поставили у ситуацију, 5нм транзистор био би само 50 пута већи од електронског облака атома. Пре неколико година већ је било могуће направити транзистор од 1 нм, мада је то чисто експериментални процес.

Мислите ли да сви произвођачи праве своје чипове? Па, истина је да не, и у свету можемо пронаћи четири велике силе које су посвећене производњи електронских чипова.

• ТСМЦ: Ова компанија за микро технологију је један од водећих свјетских монтера чипова. У ствари, процесори чине брендови попут АМД (основни део), Аппле, Куалцомм, Нвидиа, Хуавеи или Текас Инструмент. Кључни је произвођач у 7нм транзисторима. Глобалне ливнице - То је још један од произвођача силиконских плочица са највише купаца, укључујући АМД, Куалцомм и друге. Али у овом случају са 12 и 14 нм транзисторима, између осталих. Интел: Плави гигант има своју фабрику процесора, тако да не зависи од других произвођача да стварају своје производе. Можда је то разлог зашто 10-нм архитектури треба толико времена да се развије у односу на своје 7нм конкуренте. Али будите сигурни да ће ови процесори бити брутални. Самсунг: Корејска компанија такође има своју фабрику силицијума, па смо под истим условима као и Интел. Израда сопствених процесора за паметне телефоне и друге уређаје.

Моореов закон и физичка граница

Графен транзистор

Чувени Моореов закон говори нам да се сваке две године број електрона у микропроцесорима удвостручује, а истина је да је то тачно од почетка полуводича. Тренутно се диса продају са 7нм транзисторима, конкретно АМД има процесоре у овој литографији за радне површине, АМД Ризен 3000 са архитектуром Зен 2. Слично томе, имају и произвођачи попут Куалцомм, Самсунг или Аппле. 7нм процесори за мобилне уређаје.

Нанометар од 5 нм постављен је као физичка граница за прављење транзистора на бази силицијума. Морамо знати да су елементи састављени од атома и да имају одређену величину. Најмањи експериментални транзистори на свету мере 1 нм, а израђени су од графена, материјала који се заснива на много мањим атомима угљеника од силицијума.

Интел Тицк-Тоцк модел

Интел Тицк Тоцк Модел

Ово је модел који је произвођач Интел усвојио од 2007. године да би створио и развио архитектуру својих процесора. Овај модел је подељен у два корака који се заснива на смањењу производног процеса, а затим на оптимизацији архитектуре.

Корак Тицк се догађа када се процес производње смањи, на пример са 22 нм на 14 нм. Док Тоцк корак чини, одржава тај исти производни процес и оптимизује га у следећој итерацији, уместо да додатно смањује нанометар. На пример, архитектура Санди Бридге из 2011. била је Тоцк (побољшање од Нехалемових 32нм), док је Иви Бридге 2012. била Тицк (смањена на 22нм).

А приори, овај план је намеравао да направи годину Тицк и он настави Тоцк, али већ знамо да је плави див напустио ову стратегију из 2013. године, наставком од 22 нм у Хасвелл-у и премештањем на 14 нм у 2014. Од тада цео корак је био Тоцк, односно 14 нм је настављено да се оптимизује до достизања Интел Цоре 9. генерације 2019. године. Очекује се да ће исте године или почетком 2020. године постојати нови корак Тицк са доласком 10 нм.

Следећи корак: квантни рачунар?

Вероватно је одговор на ограничења архитектуре засноване на полуводичима у квантном рачунању. Ова парадигма потпуно мења филозофију рачунања од почетка рачунара, увек засновану на Туринговој машини.

Квантни рачунар не би се заснивао на транзисторима, нити на битовима. Они би постали молекули и честице и Кбитс (квантни битови). Ова технологија покушава да контролише стање и односе молекула у материји помоћу електрона за добијање операције сличне оној на транзистору. Наравно, 1 Кбит уопште није једнак, јер ови молекули могу да створе не два, већ три или више различитих стања, увећавајући тако сложеност, али и способност обављања операција.

Али због свега тога имамо и нека мала ограничења, попут потребе за температурама близу апсолутне нуле (-273 ^о Ц) за контролу стања честица или постављањем система под вакуум.

• За више информација о свему томе, посетите овај чланак који смо пре мало проучавали о томе шта је квантни процесор.

Шта нанометри утичу на процесоре?

Иза себе остављамо узбудљив и сложен свет електронике у коме само произвођачи и њихови инжењери заиста знају шта раде. Сада ћемо видети какве користи има за смањење нанометара транзистора за електронски чип.

5нм транзистори

Већа густина транзистора

Кључ су транзистори, они одређују број логичких портова и склопова који се могу ставити у силицијум од само неколико квадратних милиметара. Говоримо о скоро 3 милијарде транзистора у 174 мм ² матрици као што је 14нм Интел и9-9900К. У случају АМД Ризен 3000, око 3, 9 милијарди транзистора у низу од 74 мм ² са 7 нм.

Већа брзина

Оно што ово чини је да чипу пружа много више процесијске снаге, јер је способан да закључа са много више стања на чипу с већом густином полуводича. На овај начин се добија више упутстава по циклусу, или оно што је исто, ми подижемо ИПЦ процесора, на пример, ако упоредимо процесоре Зен + и Зен 2. У ствари, АМД тврди да су му нови ЦПУ повећали Цоре ЦПИ до 15% у поређењу са претходном генерацијом.

Већа енергетска ефикасност

Имајући транзисторе са мање нанометара, количина електрона која пролази кроз њих је мања. Сходно томе, транзистор мијења стање с нижим напајањем, тако да то значајно побољшава енергетску ефикасност. Рецимо да можемо радити исти посао с мање енергије, тако да стварамо више процесне снаге по утрошеној вати.

Ово је веома важно за опрему која се напаја из батерија, као што су лаптопи, паметни телефони, итд. Предност у томе што имамо 7 нм процесоре учинили су нам да телефони имају невероватне аутономије и спектакуларне перформансе са новим Снапдрагон 855, новим А13 Биониц из Апплеа и Кирин 990 из Хуавеија.

Мањи и свежи чипс

На крају, али не најмање битно, имамо могућност минијатурисања. На исти начин на који можемо ставити више транзистора по јединици површине, то можемо такође смањити да бисмо имали мање чипове који стварају мање топлоте. То називамо ТДП, а силиција може да ствара силикон својим максималним набојем, пазите, није електрична снага коју троши. Захваљујући томе можемо да направимо мање уређаје и да се греју много мање, имају исту моћ обраде.

Постоје и недостаци

Сваки велики корак напред има своје ризике, а исто се може рећи и у нанотехнологији. Имајући транзисторе мање нанометара, процес производње се знатно отежава. Потребна су нам много напреднија или скупља техничка средства, а број кварова знатно расте. Јасан пример је да су перформансе по табли исправних чипова смањене у новом Ризен 3000. Док смо у Зен + 12 нм имали око 80% савршено функционалних чипова по вафру, у Зен 2 овај проценат би се смањио на 70%.

Слично томе, угрожен је и интегритет процесора, па су потребни стабилнији електроенергетски системи и бољи квалитет сигнала. Зато су се произвођачи нових АМД Кс570 чипсет плоча посебно побринули у креирању квалитетног ВРМ-а.

Закључци о нанометарима

Као што видимо, технологија напредује скоком и границом, мада ћемо за неколико година пронаћи производне процесе који ће већ бити на физичкој граници материјала који се користе код транзистора од чак 3 или 1 нанометара. Шта ће бити следеће? Па, сигурно не знамо, јер је квантна технологија веома зелена и практично је немогуће изградити такав рачунар изван лабораторијског окружења.

Оно што ћемо за сада имати јесте да видимо да ли ће се у овом случају број језгара још више повећати или се почињу користити материјали попут графена који прихватају већу густину транзистора за електронске склопове.

Без додатног дивљења, остављамо вам остале занимљиве чланке:

Мислите ли да ћемо видети 1нм процесоре? Који процесор имате? Надамо се да је чланак био занимљив, кажите нам шта мислите.