Nanometers: što su oni i kako utječu na naš procesor

Jeste li ikad čuli za nanometre procesora ? Pa, u ovom ćemo vam članku reći sve o ovoj mjeri. I najvažnije, koliki utjecaj imaju nanometri na elektroničke čipove i različite elemente koje nazivamo ovim mjerenjima.

Što je nanometar

Započnimo precizno definiranjem što su nanometri, jer će ova jednostavna činjenica dati puno igranja ne samo za računarstvo, već i za biologiju i druge znanosti koje su važne za studije.

Nanometar (nm) je mjera duljine koja je dio Međunarodnog sustava (SI). Ako uzmemo u obzir da je brojilo standardna ili osnovna jedinica na skali, nanometar je jedna milijarda metra ili što bi bilo isto:

U terminima razumljivim normalnom čovjeku, nečemu što mjeri nanometar, možemo ga vidjeti samo pomoću elektronskog mikroskopa velike snage. Na primjer, ljudska kosa može imati promjer od oko 80.000 nanometara, pa zamislite koliko je mala elektronička komponenta to samo 14 nm.

Ta je mjera oduvijek postojala, očito je, ali je za hardversku zajednicu posljednjih godina imalo posebnu važnost. Zbog jake konkurencije proizvođača za stvaranje integriranih krugova zasnovanih na sve manjim poluvodičima ili tranzistorima.

Tranzistor

Tranzistorska i elektronička šema

Vjerojatno ste čuli pasivno i aktivno govoriti o tranzistorima procesora. Možemo reći da je tranzistor najmanji element koji se može naći u elektroničkom krugu, dakako izbjegavajući elektrone i električnu energiju.

Tranzistori su elementi izrađeni od poluvodičkih materijala poput silicija ili germanija. To je element koji se može ponašati kao provodnik električne energije ili kao njegov izolator, ovisno o fizičkim uvjetima kojima je podvrgnut. Na primjer, magnetsko polje, temperatura, zračenje itd. I naravno s određenim naponom, što je slučaj i s tranzistorima procesora.

Tranzistor je prisutan u apsolutno svim integriranim krugovima koji danas postoje. Njegova ogromna važnost leži u onome što je u stanju učiniti: generirati izlazni signal kao odgovor na ulazni signal, odnosno omogućiti ili ne prolazak struje prije podražaja, stvarajući tako binarni kod (1 struja, 0 nije trenutno).

Logička vrata i integrirani sklopovi

NAND priključci

Kroz postupak litografije moguće je stvoriti sklopove s određenom strukturom sastavljenom od nekoliko tranzistora kako bi se formirali logički otvori. Logička vrata sljedeća su jedinica iza tranzistora, elektronički uređaj koji može obavljati određenu logičku ili logičku funkciju. Uz nekoliko tranzistora povezanih na ovaj ili onaj način, možemo dodavati, oduzimati i stvarati vrata SI, AND, NAND, ILI, NE itd. Ovako se logika daje elektroničkoj komponenti.

Tako nastaju integrirani sklopovi s nizom tranzistora, otpornika i kondenzatora koji mogu formirati ono što se danas naziva elektroničkim čipovima.

Litografija ili fotolitografija

Silicijska rezina

Litografija je način za izgradnju ovih izuzetno malih elektroničkih čipova, posebno ona koja je izvedena u ime fotolitografije, a zatim i nanolithografije, budući da se ova tehnika u svojim počecima koristila za urezivanje sadržaja na kamenju ili metalu.

Ono što se trenutno radi je upotreba slične tehnike za stvaranje poluvodiča i integriranih krugova. Da bi se to postiglo, koriste se silicijski slojevi debljine nanometra koji su pomoću procesa utemeljenih na izlaganju svjetlosti određenih komponenti i upotrebi drugih kemijskih spojeva sposobni stvoriti krugove mikroskopske veličine. Zauzvrat, ti se vafli slažu dok ne dobiju pakao složeni 3D čip.

Koliko nanometara imaju trenutni tranzistori?

Prvi procesori temeljeni na poluvodičima Intel se pojavio 1971. godine sa svojim inovativnim 4004. Proizvođač je uspio stvoriti tranzistore od 10 000 nm, odnosno 10 mikrometara, čime je imao do 2.300 tranzistora na čipu.

Tako je započela utrka za nadmoć u mikrotehnologiji, koja je trenutno poznata po nanotehnologiji. U 2019. godini imamo elektroničke čipove s 14nm proizvodnim postupkom koji su dolazili s Intelovom arhitekturom Broadwel, 7nm, AMD-ovom Zen 2 arhitekturom, a čak 5nm testovi provode IBM i drugi proizvođači. Da bismo se postavili u situaciju, 5nm tranzistor bio bi samo 50 puta veći od elektronskog oblaka atoma. Prije nekoliko godina već je bilo moguće stvoriti 1 nm tranzistor, iako je to čisto eksperimentalni postupak.

Mislite li da svi proizvođači prave svoje čipove? Pa, istina je da ne, i u svijetu možemo pronaći četiri velike sile koje su posvećene proizvodnji elektroničkih čipova.

• TSMC: Ova tvrtka za mikrotehnologiju jedan je od vodećih svjetskih montera čipova. U stvari, to čine procesori od marki kao što su AMD (temeljni dio), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei ili Texas Instrument. Ključni je proizvođač u 7nm tranzistorima. Globalne livnice - to je još jedan od proizvođača silicijskih sifona s većinom kupaca, uključujući AMD, Qualcomm i druge. Ali u ovom slučaju s 12 i 14 nm tranzistorima između ostalih. Intel: Plavi div ima svoju tvornicu procesora, tako da ne ovisi o drugim proizvođačima koji će stvarati svoje proizvode. Možda je to razlog zašto se arhitekturi od 10 nm treba toliko vremena da razvije za razliku od svojih 7 nm konkurenata. Ali budite sigurni da će ti procesori biti brutalni. Samsung: Korejska tvrtka ima i vlastitu tvornicu silicija, tako da smo pod istim uvjetima kao i Intel. Izrada vlastitih procesora za pametne telefone i druge uređaje.

Mooreov zakon i fizička granica

Grafen tranzistor

Čuveni Mooreov zakon govori nam da se svake dvije godine broj elektrona u mikroprocesorima udvostručuje, a istina je da je to istina od početka poluvodiča. Trenutno se chis prodaje s 7nm tranzistorima, konkretno AMD ima procesore u ovoj litografiji za radne površine, AMD Ryzen 3000 s arhitekturom Zen 2. Isto tako, proizvođači poput Qualcomm, Samsung ili Apple, također 7nm procesori za mobilne uređaje.

Nanometar od 5 nm postavljen je kao fizička granica za izradu tranzistora na bazi silicija. Moramo znati da su elementi sastavljeni od atoma, a oni imaju određenu veličinu. Najmanji svjetski eksperimentalni tranzistori mjere 1 nm, a izrađeni su od grafena, materijala koji se temelji na mnogo manjim ugljikovim atomima od silicija.

Intel Tick-Tock model

Intel Tick Tock Model

Ovo je model koji je proizvođač Intel usvojio od 2007. kako bi stvorio i evoluirao arhitekturu svojih procesora. Ovaj je model podijeljen u dva koraka koji se temelji na smanjenju proizvodnog procesa, a zatim optimizaciji arhitekture.

Korak Tick se događa kada se proizvodni proces smanji, na primjer s 22 nm na 14 nm. Dok Tock korak čini, održava taj isti postupak izrade i optimizira ga u sljedećoj iteraciji, umjesto daljnjeg smanjenja nanometara. Na primjer, arhitektura Sandy Bridge iz 2011. bila je Tock (poboljšanje od Nehalemovih 32nm), dok je Ivy Bridge 2012. bio Tick (smanjen na 22 nm).

A priori, ovaj plan planirao je napraviti godinu Ticka i on nastavi Tock, ali već znamo da je plavi div napustio ovu strategiju iz 2013. godine s nastavkom od 22 nm u Haswellu i prelaskom na 14 nm u 2014. god. Od tada čitav korak bio je Tock, odnosno 14 nm nastavljeno je optimizirati sve do postizanja Intel Core 9. generacije 2019. godine. Očekuje se da će iste godine ili početkom 2020. godine postojati novi korak Tick s dolaskom 10 nm.

Sljedeći korak: kvantno računalo?

Možda je odgovor na ograničenja arhitekture utemeljene na poluvodičima u kvantnom računanju. Ova paradigma u potpunosti mijenja filozofiju računanja od početka računala, koja se uvijek temelji na Turingovom stroju.

Kvantno računalo ne bi se temeljilo na tranzistorima, niti na bitovima. Oni bi postali molekule i čestice i Qbits (kvantni bitovi). Ovom se tehnologijom pokušava kontrolirati stanje i odnosi molekula u materiji pomoću elektrona za dobivanje operacije slične onoj u tranzistoru. Naravno, 1 Qbit uopće nije jednak, jer te molekule mogu stvoriti ne dva, već tri ili više različitih stanja, povećavajući tako složenost, ali i sposobnost obavljanja operacija.

Ali zbog svega toga imamo i mala ograničenja, poput zahtijevanja temperature blizu apsolutne nule (-273 ^o C) za kontrolu stanja čestica ili instaliranja sustava pod vakuumom.

• Za više informacija o svemu tome posjetite ovaj članak koji smo prije malo proučavali o tome što je kvantni procesor.

Što nanometri utječu na procesore?

Ostavljamo iza sebe uzbudljiv i složen svijet elektronike u kojem samo proizvođači i njihovi inženjeri stvarno znaju što rade. Sada ćemo vidjeti kakve koristi ima smanjenje nanometara tranzistora za elektronički čip.

5nm tranzistori

Veća gustoća tranzistora

Ključ su tranzistori, oni određuju broj logičkih ulaza i sklopova koji se mogu staviti u silikon od samo nekoliko kvadratnih milimetara. Govorimo o gotovo 3 milijarde tranzistora u 174 mm ² matrici kao što je 14nm Intel i9-9900K. U slučaju AMD Ryzen 3000, oko 3, 9 milijardi tranzistora u rasponu od 74 mm ² sa 7 nm.

Veća brzina

Ono što čini ovo je pružanje čipu puno više procesijske snage jer je sposoban zaključati s puno više stanja na čipu s većom gustoćom poluvodiča. Na taj način dobivamo više uputa po ciklusu, ili ono što je isto, podižemo IPC procesora, na primjer, ako usporedimo procesore Zen + i Zen 2. U stvari, AMD tvrdi da su njegovi novi CPU-i povećali Temeljni CPI do 15% u odnosu na prethodnu generaciju.

Veća energetska učinkovitost

Imajući tranzistore s manje nanometara, količina elektrona koja prolazi kroz njih je manja. Slijedom toga, tranzistor mijenja stanje s manjim napajanjem, tako da to znatno poboljšava energetsku učinkovitost. Recimo da možemo raditi isti posao s manje energije, tako da stvaramo više procesne snage po utrošenoj vati.

To je vrlo važno za opremu koja se napaja iz baterije, kao što su prijenosna računala, pametni telefon itd. Prednost u tome što imamo 7nm procesore, učinili su nam telefoni nevjerojatnom autonomijom i spektakularnim performansama s novim Snapdragonom 855, novim A13 Bionic iz Applea i Kirin 990 iz Huaweija.

Manji i svježiji čips

Posljednje, ali ne najmanje bitno, imamo mogućnost minijaturizacije. Na isti način na koji možemo staviti više tranzistora po jedinici površine, to također možemo smanjiti kako bismo imali manje čipove koji stvaraju manje topline. To nazivamo TDP-om, a toplina koju silikon može stvoriti svojim maksimalnim nabojem, pazite, nije električna snaga koju troši. Zahvaljujući tome možemo učiniti uređaje manje i zagrijavati se puno manje imaju istu procesorsku snagu.

Postoje i nedostaci

Svaki veliki korak naprijed ima svoje rizike, a isto se može reći i u nanotehnologiji. Imajući tranzistore manje nanometara, proces proizvodnje mnogo je teži za izvedbu. Potrebna su nam mnogo naprednija ili skuplja tehnička sredstva, a broj kvarova znatno se povećava. Jasan primjer je da su se performanse po rezidbi ispravnih čipsa smanjile u novom Ryzen 3000. Dok smo u Zen + 12 nm imali oko 80% savršeno funkcionalnih čipova po rezidbi, u Zen 2 ovaj postotak bi se smanjio na 70%, Slično je, ugrožen je i integritet procesora, pa su potrebni stabilniji elektroenergetski sustavi i bolja kvaliteta signala. Zato su se proizvođači na novim AMD X570 čipset pločama posebno pobrinuli u kreiranju kvalitetnog VRM-a.

Zaključci o nanometrima

Kao što vidimo, tehnologija napreduje skokom i granicom, iako ćemo za nekoliko godina pronaći proizvodne procese koji će već biti na fizičkoj granici materijala koji se koriste kod tranzistora od čak 3 ili 1 nanometara. Što će biti sljedeće? Pa, sigurno ne znamo, jer je kvantna tehnologija vrlo zelena i praktično je nemoguće izgraditi takvo računalo izvan laboratorijskog okruženja.

Ono što ćemo za sada imati jest vidjeti hoćemo li u tom slučaju broj jezgara još više povećati ili se počinju upotrebljavati materijali poput grafena koji prihvaćaju veću gustoću tranzistora za elektroničke sklopove.

Bez dodatnog divljenja, ostavljamo vam ostale zanimljive članke:

Mislite li da ćemo vidjeti 1nm procesore? Koji procesor imate? Nadamo se da je članak bio zanimljiv, recite nam što mislite.