Nanometer: vad de är och hur de påverkar vår cpu

Har du någonsin hört talas om en processors nanometer ? Tja, i den här artikeln kommer vi att berätta allt om denna åtgärd. Och viktigast av allt, vilket inflytande har nanometrar på elektroniska chips och de olika elementen som vi refererar till med dessa mätningar.

Vad är nanometern

Låt oss börja exakt med att definiera vad nanometer är, eftersom detta enkla faktum kommer att ge mycket spel inte bara för datoranvändning, utan också inom biologi och andra vetenskaper som är viktiga studier.

Nanometern (nm) är ett mått på längd som ingår i det internationella systemet (SI). Om vi ​​anser att mätaren är standard- eller basenheten på skalan, är en nanometer en miljarddels meter eller vad skulle vara detsamma:

I termer som är förståelig för en normal människa, något som mäter en nanometer, kan vi bara se den genom ett högdrivet elektronmikroskop. Till exempel kan ett mänskligt hår ha en diameter på cirka 80 000 nanometer, så föreställ dig hur liten en elektronisk komponent är som bara är 14 nm.

Denna åtgärd har alltid funnits, det är uppenbart, men för hårdvarusamhället har det haft en speciell relevans under de senaste åren. På grund av tillverkarens starka konkurrens om att skapa integrerade kretsar baserade på allt mindre halvledare eller transistorer.

Transistorn

Transistor och elektronisk schemat

Du har förmodligen hört passivt och aktivt samtal om transistorerna till en processor. Vi kan säga att en transistor är det minsta elementet som finns i en elektronisk krets, naturligtvis, genom att undvika elektroner och elektrisk energi.

Transistorer är element tillverkade av halvledarmaterial som kisel eller Germanium. Det är ett element som kan bete sig som en elektrisk ledare eller som en isolator därav, beroende på de fysiska förhållanden som den utsätts för. Till exempel ett magnetfält, temperatur, strålning etc. Och naturligtvis med en viss spänning, som är fallet med transistorerna till en CPU.

Transistorn finns i absolut alla integrerade kretsar som finns idag. Dess enorma betydelse ligger i vad den kan göra: generera en utsignal som svar på en insignal, det vill säga tillåta eller inte passera ström före en stimulans, och därmed skapa den binära koden (1 ström, 0 inte aktuell).

Logiska grindar och integrerade kretsar

NAND-portar

Genom en litografiprocess är det möjligt att skapa kretsar med en viss struktur bestående av flera transistorer för att bilda logiska grindar. En logisk grind är nästa enhet bakom transistorn, en elektronisk enhet som kan utföra en viss logisk eller boolesk funktion. Med några få transistorer länkade på ett eller annat sätt kan vi lägga till, subtrahera och skapa SI, AND, NAND, OR, NOT, etc. grindar. Så här ges logik till en elektronisk komponent.

Så här skapas integrerade kretsar, med en följd av transistorer, motstånd och kondensatorer som kan bilda det som nu kallas elektroniska chips.

Litografi eller fotolitografi

Kiselskiva

Litografi är sättet att bygga dessa extremt små elektroniska chips, specifikt har det härstammat i namnet fotolitografi och sedan nanolitografi, eftersom denna teknik i början användes för att spela in innehåll i stenar eller metaller.

Det som för närvarande görs är att använda en liknande teknik för att skapa halvledare och integrerade kretsar. För att göra detta används nanometertunna kiselskivor som genom processer baserade på exponering för ljus från vissa komponenter och användningen av andra kemiska föreningar kan skapa kretsar av mikroskopiska storlekar. I sin tur staplas dessa skivor tills de får ett helvete av ett komplext 3D-chip.

Hur många nanometer har nuvarande transistorer?

De första halvledarbaserade processorerna dök upp 1971 av Intel med sina innovativa 4004. Tillverkaren lyckades skapa 10 000 nm transistorer, eller 10 mikrometer, och därmed ha upp till 2 300 transistorer på ett chip.

Således började loppet för överhöghet inom mikroteknologi, för närvarande känt för nanoteknologi. År 2019 har vi elektroniska chips med en 14nm tillverkningsprocess som levererades med Intels Broadwel-arkitektur, 7nm, med AMDs Zen 2-arkitektur, och till och med 5nm-tester utförs av IBM och andra tillverkare. För att vi ska sätta oss i en situation skulle en 5nm-transistor bara vara 50 gånger större än en atoms elektronmoln. För några år sedan var det redan möjligt att skapa en 1 nm transistor, även om det är en rent experimentell process.

Tror du att alla tillverkare tillverkar sina egna marker? Sanningen är att nej, och i världen kan vi hitta fyra stora krafter som är avsedda för tillverkning av elektroniska chips.

• TSMC: Detta mikroteknologiföretag är ett av världens ledande chipmonterare. Faktum är att det gör processorerna från märken som AMD (kärndelen), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei eller Texas Instrument. Det är nyckeltillverkaren i 7nm-transistorer. Global Foundries - Det är en annan av silikonplasttillverkarna med flest kunder, inklusive AMD, Qualcomm och andra. Men i detta fall med 12 och 14 nm transistorer bland andra. Intel: Den blå jätten har en egen processorfabrik, så det är inte beroende av andra tillverkare att skapa sina produkter. Kanske är det därför som 10nm-arkitekturen tar så lång tid att utvecklas mot sina konkurrenter på 7 nm. Men vara säker på att dessa CPU: er kommer att vara brutala. Samsung: Det koreanska företaget har också en egen kiselfabrik, så vi är på samma villkor som Intel. Skapa dina egna processorer för smartphone och andra enheter.

Moores lag och den fysiska gränsen

Graftransistor

Den berömda Moore's Law berättar för oss att vartannat år fördubblar antalet elektroner i mikroprocessorer, och sanningen är att detta har varit sant sedan början av halvledare. För närvarande säljs chis med 7nm-transistorer, specifikt AMD har processorer i denna litografi för stationära datorer, AMD Ryzen 3000 med Zen 2. Arkitekturen har också tillverkare som Qualcomm, Samsung eller Apple. 7nm-processorer för mobila enheter.

5 nm nanometern är inställd som den fysiska gränsen för att göra en silikonbaserad transistor. Vi måste veta att elementen består av atomer och att dessa har en viss storlek. Världens minsta experimentella transistorer mäter 1 nm och är gjorda av grafen, ett material baserat på mycket mindre kolatomer än kisel.

Intel Tick-Tock-modell

Intel Tick Tock-modell

Detta är den modell som tillverkaren Intel har antagit sedan 2007 för att skapa och utveckla sina processors arkitektur. Denna modell är indelad i två steg som bygger på att minska tillverkningsprocessen och sedan optimera arkitekturen.

Tick-steget inträffar när tillverkningsprocessen minskar, till exempel från 22nm till 14nm. Medan Tock-steget vad det gör är att upprätthålla samma tillverkningsprocess och optimera den i nästa iteration istället för att ytterligare minska nanometern. Till exempel var Sandy Bridge-arkitekturen 2011 Tocken (en förbättring från Nehalems 32nm), medan Ivy Bridge var Ticken 2012 (minskade till 22nm).

I priori, den här planen vad han tänkt var att göra ett år Tick och han fortsätter Tock, men vi vet redan att den blå jätten har övergett denna strategi från 2013 med fortsättningen på 22 nm i Haswell och flytten till 14 nm i 2014. Sedan dess har hela steget varit Tock, det vill säga 14 nm har fortsatt att optimeras tills de nådde 9: e Intel Core 2019. Det förväntas att samma år eller i början av 2020 kommer det att finnas ett nytt Tick-steg med ankomsten av 10 nm.

Nästa steg: kvantdatorn?

Möjligen ligger svaret på begränsningarna i halvledarbaserad arkitektur i kvantberäkning. Detta paradigm förändrar datorfilosofin helt från början av datorer, alltid baserad på Turing-maskinen.

En kvantdator skulle inte baseras på transistorer eller på bitar. De skulle bli molekyler och partiklar och Qbits (kvantbitar). Denna teknik försöker kontrollera tillståndet och förhållandena mellan molekylerna i ämnet med hjälp av elektroner för att få en operation liknande den för en transistor. Naturligtvis är 1 Qbit inte lika med 1 bit alls, eftersom dessa molekyler inte kan skapa två, utan tre eller flera olika tillstånd och därmed multiplicera komplexiteten, men också förmågan att utföra operationer.

Men för allt detta har vi några små begränsningar, såsom att behöva temperaturer nära absolut noll (-273 ^o C) för att kontrollera partiklarnas tillstånd, eller att ha systemet monterat under vakuum.

• För mer information om allt detta, besök den här artikeln som vi studerade för ett tag sedan om vad som är kvantprocessorn.

Vad påverkar nanometrar processorer?

Vi lämnar efter denna spännande och komplexa värld av elektronik där bara tillverkare och deras ingenjörer verkligen vet vad de gör. Nu kommer vi att se vilka fördelar det har att minska nanometern för en transistor för ett elektroniskt chip.

5nm transistorer

Högre transistortäthet

Nyckeln är transistorer, de bestämmer antalet logiska portar och kretsar som kan placeras i ett kisel på bara några få kvadratmillimeter. Vi pratar om nästan 3 miljarder transistorer i en 174 mm ^2- matris som 14nm Intel i9-9900K. När det gäller AMD Ryzen 3000, cirka 3, 9 miljarder transistorer i en 74 mm ^2- grupp med 7nm.

Högre hastighet

Vad detta gör är att ge chipet mycket mer processorkraft, eftersom det kan låsas med många fler tillstånd på ett chip med en högre densitet halvledare. På detta sätt uppnås fler instruktioner per cykel, eller vad är detsamma, vi höjer processorns IPC, som till exempel om vi jämför Zen + och Zen 2. Processorer hävdar faktiskt att dess nya CPU: er har ökat sin Core CPI upp till 15% jämfört med föregående generation.

Ökad energieffektivitet

Genom att ha transistorer med färre nanometer är mängden elektroner som passerar genom dem mindre. Följaktligen ändrar transistorn tillstånd med en lägre strömförsörjning, så detta förbättrar energieffektiviteten kraftigt. Så låt oss säga att vi kan göra samma jobb med mindre ström, så vi genererar mer processorkraft per konsumerat watt.

Detta är mycket viktigt för batteridriven utrustning, t.ex. bärbara datorer, Smartphone, etc. Fördelen med att ha 7 nm-processorer har gjort att vi har telefoner med otroliga autonomier och spektakulära prestanda med den nya Snapdragon 855, den nya A13 Bionic från Apple och Kirin 990 från Huawei.

Mindre och färskare chips

Sist men inte minst har vi miniatyriseringsförmågan. På samma sätt som vi kan sätta fler transistorer per enhetsarea, kan vi också minska detta för att ha mindre chips som genererar mindre värme. Vi kallar detta TDP, och det är värmen som ett kisel kan generera med sin maximala laddning, se upp, det är inte den elektriska kraften den förbrukar. Tack vare detta kan vi göra enheter mindre och som värms upp mycket mindre med samma processorkraft.

Det finns också nackdelar

Varje stort steg framåt har sina risker, och detsamma kan sägas i nanoteknologi. Med transistorer på mindre nanometer gör tillverkningsprocessen mycket svårare att utföra. Vi behöver mycket mer avancerade eller dyra tekniska medel, och antalet fel ökar kraftigt. Ett tydligt exempel är att prestanda per skiva av korrekta chips har minskat i den nya Ryzen 3000. Medan vi i Zen + 12 nm hade vi cirka 80% av perfekt funktionella chips per skiva, i Zen 2 skulle denna procentandel ha minskat till 70%.

På liknande sätt komprometteras också processorns integritet, vilket kräver mer stabila kraftsystem och med bättre signalkvalitet. Därför har tillverkarna i de nya AMD X570-chipsetkorten tagit särskild försiktighet för att skapa en kvalitets VRM.

Slutsatser om nanometer

Som vi kan se fortskrider tekniken snabbt, även om vi inom några år kommer att hitta tillverkningsprocesser som redan kommer att ligga vid den fysiska gränsen för materialen som används med transistorer med ens 3 eller 1 nanometer. Vad kommer att bli nästa? Vi vet väl inte, för kvanttekniken är väldigt grön och det är praktiskt taget omöjligt att bygga en sådan dator utanför en laboratoriemiljö.

Det vi kommer att ha för tillfället är att se om i ett sådant fall antalet kärnor ökas ännu mer, eller material som grafen som medger en högre täthet av transistorer för elektroniska kretsar börjar användas.

Utan vidare lämnar vi dig med andra intressanta artiklar:

Tror du att vi får se 1nm-processorer? Vilken processor har du? Vi hoppas att artikeln var intressant, berätta vad du tycker.