Νανόμετρα: τι είναι και πώς επηρεάζουν την CPU μας

Έχετε ακούσει ποτέ τα νανομέτρων ενός επεξεργαστή; Λοιπόν, σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε όλα σχετικά με αυτό το μέτρο. Και το πιο σημαντικό, τι επιρροή έχουν νανομετρικά σε ηλεκτρονικά τσιπ και τα διάφορα στοιχεία που αναφέρουμε σε αυτές τις μετρήσεις.

Τι είναι το νανόμετρο

Ας ξεκινήσουμε ακριβώς με τον ορισμό των νανομέτρων, διότι αυτό το απλό γεγονός θα δώσει ένα μεγάλο κομμάτι όχι μόνο για τον υπολογισμό, αλλά και στη βιολογία και στις άλλες επιστήμες που έχουν σπουδαίες σπουδές.

Το νανομέτρο (nm) είναι ένα μέτρο μήκους που αποτελεί μέρος του Διεθνούς Συστήματος (SI). Εάν θεωρήσουμε ότι ο μετρητής είναι η βασική ή βασική μονάδα στην κλίμακα, ένα νανόμετρο είναι ένα δισεκατομμύριο του μέτρου ή ποιο θα είναι το ίδιο:

Με όρους κατανοητούς για έναν κανονικό άνθρωπο, κάτι που μετρά ένα νανομέτρο, μπορούμε να το δούμε μόνο μέσω ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου υψηλής ισχύος. Για παράδειγμα, μια ανθρώπινη τρίχα μπορεί να έχει διάμετρο περίπου 80.000 νανόμετρα, οπότε φανταστείτε πόσο μικρό είναι ένα ηλεκτρονικό στοιχείο που είναι μόνο 14 nm.

Αυτό το μέτρο υπήρξε πάντοτε, είναι προφανές, αλλά για την κοινότητα υλικού είχε ιδιαίτερη σημασία τα τελευταία χρόνια. Λόγω του έντονου ανταγωνισμού των κατασκευαστών να δημιουργήσουν ολοκληρωμένα κυκλώματα με βάση όλο και μικρότερους ημιαγωγούς ή τρανζίστορ.

Το τρανζίστορ

Τρανζίστορ και ηλεκτρονικά σχηματικά

Έχετε πιθανώς ακούσει παθητική και ενεργή συζήτηση για τα τρανζίστορ ενός επεξεργαστή. Μπορούμε να πούμε ότι ένα τρανζίστορ είναι το μικρότερο στοιχείο που μπορεί να βρεθεί σε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα, φυσικά, αποφεύγοντας τα ηλεκτρόνια και την ηλεκτρική ενέργεια.

Τα τρανζίστορ είναι στοιχεία κατασκευασμένα από υλικό ημιαγωγού όπως το πυρίτιο ή το γερμάνιο. Είναι ένα στοιχείο που μπορεί να συμπεριφέρεται ως αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας ή ως μονωτής αυτού, ανάλογα με τις φυσικές συνθήκες στις οποίες υποβάλλεται. Για παράδειγμα, ένα μαγνητικό πεδίο, θερμοκρασία, ακτινοβολία κ.λπ. Και φυσικά με μια ορισμένη τάση, που είναι η περίπτωση των τρανζίστορ μιας CPU.

Το τρανζίστορ υπάρχει στα απολύτως όλα τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που υπάρχουν σήμερα. Η τεράστια σημασία του έγκειται σε αυτό που είναι ικανό: να παράγει ένα σήμα εξόδου σε απόκριση ενός σήματος εισόδου, δηλαδή να επιτρέπει ή όχι τη διέλευση του ρεύματος πριν από ένα ερέθισμα, δημιουργώντας έτσι τον δυαδικό κώδικα (1 ρεύμα, 0 όχι τρέχουσα).

Πύλες λογικής και ολοκληρωμένα κυκλώματα

Θύρες NAND

Μέσω μιας διαδικασίας λιθογραφίας, είναι δυνατόν να δημιουργηθούν κυκλώματα με μια συγκεκριμένη δομή αποτελούμενη από διάφορα τρανζίστορ για να σχηματίσουν τις λογικές πύλες. Μια λογική πύλη είναι η επόμενη μονάδα πίσω από το τρανζίστορ, μια ηλεκτρονική συσκευή που είναι σε θέση να εκτελέσει μια ορισμένη λογική ή boolean λειτουργία. Με μερικά τρανζίστορ που συνδέονται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, μπορούμε να προσθέσουμε, να αφαιρέσουμε και να δημιουργήσουμε πύλες SI, AND, NAND, OR, NOT, κλπ. Έτσι δίνεται η λογική σε ένα ηλεκτρονικό στοιχείο.

Έτσι δημιουργούνται ολοκληρωμένα κυκλώματα, με διαδοχή τρανζίστορ, αντιστάσεων και πυκνωτών που είναι ικανά να σχηματίσουν αυτά που ονομάζονται τώρα ηλεκτρονικά μάρκες.

Λιθογραφία ή φωτολιθογραφία

Πιπέρι πυριτίου

Η λιθογραφία είναι ο τρόπος να κατασκευαστούν αυτά τα εξαιρετικά μικρά ηλεκτρονικά τσιπ, και συγκεκριμένα προέρχεται από το όνομα της φωτολιθογραφίας και στη συνέχεια από τη νανολιθογραφία, καθώς αυτή η τεχνική στις αρχές της χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή περιεχομένου σε πέτρες ή μέταλλα.

Αυτό που γίνεται τώρα είναι η χρήση μιας παρόμοιας τεχνικής για τη δημιουργία ημιαγωγών και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούνται γκοφρέτες πυριτίου με πυκνότητα νανόμετρου οι οποίοι, μέσω διαδικασιών που βασίζονται στην έκθεση σε φως ορισμένων συστατικών και τη χρήση άλλων χημικών ενώσεων, είναι ικανές να δημιουργούν κυκλώματα μικροσκοπικών μεγεθών. Με τη σειρά τους, αυτά τα γκοφρέτα στοιβάζονται μέχρι να πάρουν μια κόλαση ενός πολύπλοκου τρισδιάστατου τσιπ.

Πόσες νανομέτρες έχουν τα τρέχοντα τρανζίστορ;

Οι πρώτοι επεξεργαστές με ημιαγωγούς εμφανίστηκαν το 1971 από την Intel με το πρωτοποριακό 4004. Ο κατασκευαστής κατάφερε να δημιουργήσει τρανζίστορ 10, 000 nm, ή 10 μικρομέτρων, έχοντας έτσι μέχρι 2.300 τρανζίστορ σε ένα τσιπ.

Έτσι ξεκίνησε ο αγώνας υπέρ της υπεροχής στη μικροτεχνία, που σήμερα είναι γνωστός για τη νανοτεχνολογία. Το 2019 διαθέτουμε ηλεκτρονικές μάρκες με διαδικασία κατασκευής 14nm που συνοδεύει την αρχιτεκτονική Broadwell της Intel, 7nm, με την αρχιτεκτονική Zen 2 της AMD, ενώ ακόμη και δοκιμές 5nm εκτελούνται από την IBM και άλλους κατασκευαστές. Για να βρεθούμε σε μια κατάσταση, ένα τρανζίστορ 5nm θα είναι μόνο 50 φορές μεγαλύτερο από το σύννεφο ηλεκτρονίων ενός ατόμου. Πριν από μερικά χρόνια, ήταν ήδη δυνατή η δημιουργία ενός τρανζίστορ 1 nm, αν και είναι μια καθαρά πειραματική διαδικασία.

Πιστεύετε ότι όλοι οι κατασκευαστές κάνουν τις δικές τους μάρκες; Λοιπόν, η αλήθεια είναι ότι όχι, και στον κόσμο, μπορούμε να βρούμε τέσσερις μεγάλες δυνάμεις που είναι αφιερωμένες στην κατασκευή ηλεκτρονικών μαρκών.

• TSMC: Αυτή η εταιρεία μικρο-τεχνολογίας είναι ένας από τους κορυφαίους κατασκευαστές τσιπ παγκοσμίως. Στην πραγματικότητα, κάνει τους επεξεργαστές από μάρκες όπως η AMD (το βασικό τμήμα), η Apple, η Qualcomm, η Nvidia, η Huawei ή το Texas Instrument. Είναι ο βασικός κατασκευαστής σε τρανζίστορ 7nm. Global Foundries - Αυτός είναι ένας άλλος κατασκευαστής πλακών πυριτίου με τους περισσότερους πελάτες, συμπεριλαμβανομένων των AMD, Qualcomm και άλλων. Αλλά σε αυτή την περίπτωση με τρανζίστορ 12 και 14 nm μεταξύ άλλων. Intel: Ο μπλε γίγαντας έχει το δικό του εργοστάσιο επεξεργασίας, οπότε δεν εξαρτάται από άλλους κατασκευαστές να δημιουργούν τα προϊόντα του. Ίσως αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η αρχιτεκτονική 10nm έχει τόσο πολύ χρόνο για να αναπτυχθεί έναντι των 7nm ανταγωνιστών της. Αλλά να είστε σίγουροι ότι αυτές οι CPU θα είναι βάναυση. Samsung: Η κορεατική εταιρεία έχει επίσης το δικό της εργοστάσιο πυριτίου, έτσι είμαστε με τους ίδιους όρους με την Intel. Δημιουργία δικών σας επεξεργαστών για smartphone και άλλες συσκευές.

Το νόμο του Moore και το φυσικό όριο

Τρανζίστορ Graphene

Ο περίφημος νόμος του Moore μας λέει ότι κάθε δύο χρόνια ο αριθμός των ηλεκτρονίων στους μικροεπεξεργαστές διπλασιάζεται και η αλήθεια είναι ότι αυτό ήταν αληθινό από την αρχή των ημιαγωγών. Επί του παρόντος, τα chis πωλούνται με τρανζίστορ 7nm, ειδικά η AMD διαθέτει επεξεργαστές σε αυτή τη λιθογραφία για επιτραπέζιους υπολογιστές, το AMD Ryzen 3000 με την αρχιτεκτονική Zen 2. Ομοίως, κατασκευαστές όπως η Qualcomm, η Samsung ή η Apple Επεξεργαστές 7nm για φορητές συσκευές.

Το νανόμετρο των 5 nm ορίζεται ως το φυσικό όριο για την κατασκευή ενός τρανζίστορ με βάση το πυρίτιο. Πρέπει να γνωρίζουμε ότι τα στοιχεία αποτελούνται από άτομα, και αυτά έχουν ένα συγκεκριμένο μέγεθος. Τα μικρότερα πειραματικά τρανζίστορ στον κόσμο μετρούν το 1nm και είναι κατασκευασμένα από γραφένιο, ένα υλικό που βασίζεται σε πολύ μικρότερα άτομα άνθρακα από το πυρίτιο.

Μοντέλο Tick-Tock της Intel

Μοντέλο Tick Tock Model Intel

Αυτό είναι το μοντέλο που ο κατασκευαστής που υιοθέτησε η Intel από το 2007 για να δημιουργήσει και να εξελίξει την αρχιτεκτονική των επεξεργαστών της. Αυτό το μοντέλο χωρίζεται σε δύο βήματα, τα οποία βασίζονται στη μείωση της παραγωγικής διαδικασίας και στη βελτιστοποίηση της αρχιτεκτονικής.

Το βήμα Tick εμφανίζεται όταν μειώνεται η διαδικασία παραγωγής, για παράδειγμα από 22nm έως 14nm. Ενώ το Tock βήμα αυτό που κάνει είναι να διατηρήσει την ίδια διαδικασία κατασκευής και να το βελτιστοποιήσει στην επόμενη επανάληψη αντί για περαιτέρω μείωση των νανομέτρων. Για παράδειγμα, η αρχιτεκτονική Sandy Bridge του 2011 ήταν η Tock (μια βελτίωση από το 32nm της Nehalem), ενώ η γέφυρα Ivy ήταν η Tick το 2012 (μειωμένη στα 22nm).

A priori, αυτό το σχέδιο αυτό που σκόπευε ήταν να κάνει ένα χρόνο Tick και συνεχίζει τον Tock, αλλά ήδη γνωρίζουμε ότι ο μπλε γίγαντας έχει εγκαταλείψει αυτή τη στρατηγική από το 2013 με τη συνέχιση των 22 nm στο Haswell και τη μετάβαση σε 14 nm 2014. Από τότε, το όλο βήμα ήταν το Tock, δηλαδή τα 14 nm συνεχίζουν να βελτιστοποιούνται μέχρι να φτάσουν στην 9η γενιά του Intel Core το 2019. Αναμένεται ότι το ίδιο έτος ή στις αρχές του 2020 θα υπάρξει ένα νέο βήμα Tick με την άφιξη των 10 nm.

Το επόμενο βήμα: ο κβαντικός υπολογιστής;

Ενδεχομένως η απάντηση στους περιορισμούς της αρχιτεκτονικής ημιαγωγών βρίσκεται στον κβαντικό υπολογισμό. Αυτό το παράδειγμα αλλάζει εντελώς τη φιλοσοφία της πληροφορικής από την αρχή των υπολογιστών, πάντα με βάση τη μηχανή Turing.

Ο κβαντικός υπολογιστής δεν θα βασιζόταν σε τρανζίστορ ούτε σε κομμάτια. Θα γίνουν μόρια και σωματίδια και Qbits (κβαντικά κομμάτια). Αυτή η τεχνολογία προσπαθεί να ελέγξει την κατάσταση και τις σχέσεις των μορίων στην ύλη μέσω ηλεκτρονίων για να επιτύχει μια λειτουργία παρόμοια με αυτή ενός τρανζίστορ. Φυσικά, 1 Qbit δεν είναι ίση με 1 bit καθόλου, δεδομένου ότι αυτά τα μόρια μπορούν να δημιουργήσουν όχι δύο, αλλά τρεις ή περισσότερες διαφορετικές καταστάσεις, πολλαπλασιάζοντας έτσι την πολυπλοκότητα αλλά και την ικανότητα εκτέλεσης λειτουργιών.

Αλλά για όλα αυτά έχουμε κάποιους μικρούς περιορισμούς, όπως η ανάγκη θερμοκρασιών κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 ^o C) για τον έλεγχο της κατάστασης των σωματιδίων ή το να έχουμε το σύστημα τοποθετημένο υπό κενό.

• Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με όλα αυτά, επισκεφθείτε αυτό το άρθρο που μελετήσαμε πριν από λίγο καιρό για το τι είναι ο κβαντικός επεξεργαστής.

Τι επηρεάζουν οι νανομετρητές τους επεξεργαστές;

Αφήνουμε πίσω αυτόν τον συναρπαστικό και σύνθετο κόσμο των ηλεκτρονικών, στον οποίο μόνο οι κατασκευαστές και οι μηχανικοί τους ξέρουν πραγματικά τι κάνουν. Τώρα θα δούμε τι πλεονεκτήματα έχει να μειώσει τα νανόμετρα ενός τρανζίστορ για ένα ηλεκτρονικό τσιπ.

Τρανζίστορ 5nm

Μεγαλύτερη πυκνότητα τρανζίστορ

Το κλειδί είναι τα τρανζίστορ, καθορίζουν τον αριθμό των λογικών θυρών και κυκλωμάτων που μπορούν να τοποθετηθούν μέσα σε ένα πυρίτιο μόνο λίγων τετραγωνικών χιλιοστών. Μιλάμε για σχεδόν 3 δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε μήτρα μήκους 174 χιλ. ², όπως το 14nm Intel i9-9900K. Στην περίπτωση του AMD Ryzen 3000, περίπου 3, 9 δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε μια συστοιχία 74mm ² με 7nm.

Μεγαλύτερη ταχύτητα

Αυτό που κάνει αυτό είναι να παράσχει το τσιπ με πολύ περισσότερη ισχύ επεξεργασίας, αφού είναι ικανό να κλειδώνει με πολλές περισσότερες καταστάσεις σε ένα τσιπ με μεγαλύτερη πυκνότητα ημιαγωγών. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνονται περισσότερες οδηγίες ανά κύκλο ή ό, τι είναι το ίδιο, αυξάνουμε την IPC του επεξεργαστή, όπως για παράδειγμα αν συγκρίνουμε τους επεξεργαστές Zen + και Zen 2. Στην πραγματικότητα, η AMD ισχυρίζεται ότι οι νέες CPU της αύξησαν Βασικός CPI έως 15% σε σύγκριση με την προηγούμενη γενιά.

Μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση

Με την ύπαρξη τρανζίστορ με λιγότερα νανόμετρα, η ποσότητα ηλεκτρονίων που περνούν μέσα από αυτά είναι μικρότερη. Κατά συνέπεια, το τρανζίστορ αλλάζει κατάσταση με χαμηλότερη παροχή ρεύματος, έτσι βελτιώνει σημαντικά την ενεργειακή απόδοση. Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι μπορούμε να κάνουμε την ίδια δουλειά με λιγότερη ενέργεια, έτσι δημιουργούμε περισσότερη ισχύ επεξεργασίας ανά watt που καταναλώνεται.

Αυτό είναι πολύ σημαντικό για εξοπλισμό που τροφοδοτείται με μπαταρίες, όπως φορητοί υπολογιστές, Smartphone κ.λπ. Το πλεονέκτημα της ύπαρξης επεξεργαστών 7 nm μας έκανε να έχουμε τηλέφωνα με απίστευτες αυτονομίες και εντυπωσιακή απόδοση με το νέο Snapdragon 855, το νέο A13 Bionic από την Apple και το Kirin 990 από την Huawei.

Μικρότερα και πιο φρέσκα μάρκες

Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό, έχουμε τη δυνατότητα μικρογράφησης. Με τον ίδιο τρόπο που μπορούμε να βάλουμε περισσότερα τρανζίστορ ανά μονάδα επιφάνειας, μπορούμε επίσης να μειώσουμε αυτό ώστε να έχουμε μικρότερα τσιπ που παράγουν λιγότερη θερμότητα. Ονομάζουμε αυτό το TDP, και είναι η θερμότητα που μπορεί να δημιουργήσει ένα πυρίτιο με τη μέγιστη φόρτιση του, προσέξτε, δεν είναι η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει. Χάρη σε αυτό, μπορούμε να κάνουμε τις συσκευές μικρότερες και να ζεσταίνουν πολύ λιγότερο με την ίδια ισχύ επεξεργασίας.

Υπάρχουν επίσης μειονεκτήματα

Κάθε μεγάλο βήμα προς τα εμπρός έχει τους κινδύνους του, και το ίδιο μπορεί να λεχθεί και στη νανοτεχνολογία. Έχοντας τρανζίστορ λιγότερων νανομέτρων, καθιστά πολύ δύσκολη την εκτέλεση της διαδικασίας κατασκευής. Χρειαζόμαστε πολύ πιο προηγμένα ή δαπανηρά τεχνικά μέσα και ο αριθμός των αποτυχιών αυξάνεται σημαντικά. Ένα ξεκάθαρο παράδειγμα είναι ότι η απόδοση ανά δίσκο ορθών τσιπ έχει μειωθεί στο νέο Ryzen 3000. Ενώ στο Zen + 12 nm είχαμε περίπου 80% τέλεια λειτουργικές μάρκες ανά δίσκο, στο Zen 2 αυτό το ποσοστό θα μειωνόταν στο 70%.

Ομοίως, διακυβεύεται επίσης η ακεραιότητα των επεξεργαστών, απαιτώντας έτσι πιο σταθερά συστήματα ισχύος και με καλύτερη ποιότητα σήματος. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι κατασκευαστές στις νέες πλακέτες chipset AMD X570 έδωσαν ιδιαίτερη προσοχή στη δημιουργία ενός VRM ποιότητας.

Συμπεράσματα σχετικά με τα νανομέτρων

Όπως μπορούμε να διαπιστώσουμε, η τεχνολογία προχωρά με αλματώδη πρόοδο, αν και σε μερικά χρόνια θα βρούμε διαδικασίες παραγωγής που θα βρίσκονται ήδη στο φυσικό όριο των υλικών που χρησιμοποιούνται με τρανζίστορ ακόμη και 3 ή 1 νανομέτρων. Τι θα ακολουθήσει; Λοιπόν, σίγουρα δεν γνωρίζουμε, γιατί η κβαντική τεχνολογία είναι πολύ πράσινη και είναι πρακτικά αδύνατο να οικοδομήσουμε έναν τέτοιο υπολογιστή έξω από εργαστηριακό περιβάλλον.

Αυτό που θα έχουμε τώρα είναι να δούμε αν σε μια τέτοια περίπτωση ο αριθμός των πυρήνων αυξάνεται ακόμη περισσότερο ή αρχίζουν να χρησιμοποιούνται υλικά όπως το graphene που δέχονται μεγαλύτερη πυκνότητα τρανζίστορ για ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Χωρίς άλλο λόγο, σας αφήνουμε με άλλα ενδιαφέροντα άρθρα:

Πιστεύετε ότι θα δούμε να δούμε 1nm επεξεργαστές; Τι επεξεργαστή έχετε; Ελπίζουμε ότι το άρθρο ήταν ενδιαφέρον, πείτε μας τι νομίζετε.