Nanometreler: ne oldukları ve CPU'yu nasıl etkiledikleri

Hiç bir işlemcinin nanometresini duydunuz mu? Bu yazıda size bu önlem hakkında her şeyi anlatacağız. Ve en önemlisi, nanometrelerin elektronik çipler ve bu ölçümlerle bahsettiğimiz farklı unsurlar üzerindeki etkisi nedir.

Nanometre nedir

Tam olarak nanometrelerin ne olduğunu tanımlayarak başlayalım, çünkü bu basit gerçek sadece bilgi işlem için değil, aynı zamanda biyoloji ve çalışmalar için önemli olan diğer bilimlerde de çok fazla oyun verecektir.

Nanometre (nm) , Uluslararası Sistemin (SI) bir parçası olan bir uzunluk ölçüsüdür. Ölçüm aletinin terazideki standart veya temel birim olduğunu düşünürsek, nanometre metrenin milyarda biri veya aynı şey olur:

Bir nanometreyi ölçen normal bir insanın anlayabileceği açıdan, onu sadece yüksek güçlü bir elektron mikroskobu ile görebiliriz. Örneğin, bir insan saçı yaklaşık 80.000 nanometre çapında olabilir, bu nedenle elektronik bir bileşenin ne kadar küçük olduğunu hayal edin, sadece 14 nm.

Bu önlem her zaman var olmuştur, açıktır, ancak donanım topluluğu için son yıllarda özel bir ilgisi olmuştur. Giderek daha küçük yarı iletkenler veya transistörlere dayalı entegre devreler oluşturmak için üreticilerin güçlü rekabeti nedeniyle.

Transistör

Transistör ve elektronik şematik

Muhtemelen bir işlemcinin transistörleri hakkında pasif ve aktif bir konuşma duydunuz . Bir transistörün , elektronik bir devrede bulunabilen en küçük eleman olduğunu söyleyebiliriz, elbette elektronlardan ve elektrik enerjisinden kaçınmak.

Transistörler, Silikon veya Germanyum gibi yarı iletken malzemeden yapılmış elemanlardır. Maruz kaldığı fiziksel koşullara bağlı olarak, bir elektrik iletkeni veya bir yalıtkanı olarak davranabilen bir elementtir. Örneğin, bir manyetik alan, sıcaklık, radyasyon vb. Ve tabii ki belli bir voltajla, bir CPU'nun transistörlerinde olduğu gibi.

Transistör , bugün var olan tüm entegre devrelerde kesinlikle mevcuttur. Muazzam önemi, yapabileceği şeyde yatmaktadır: bir giriş sinyaline yanıt olarak bir çıkış sinyali üretmek, yani, bir uyarıcıdan önce akımın geçişine izin vermek veya vermemek, böylece ikili kod oluşturmak (1 akım, 0 güncel değil).

Mantık kapıları ve entegre devreler

NAND bağlantı noktaları

Bir litografi işlemiyle , mantık kapılarını oluşturmak için birkaç transistörden oluşan belirli bir yapıya sahip devreler oluşturmak mümkündür. Bir mantık kapısı, belirli bir mantıksal veya boole işlevini gerçekleştirebilen bir elektronik cihaz olan transistörün arkasındaki bir sonraki birimdir . Bir şekilde birbirine bağlı birkaç transistörle , SI, AND, NAND, OR, NOT, vb. Kapıları ekleyebilir, çıkarabilir ve oluşturabiliriz. Elektronik bir bileşene mantık bu şekilde verilir.

Elektronik devreler olarak adlandırılanları oluşturabilen bir dizi transistör, direnç ve kapasitör ile entegre devreler bu şekilde oluşturulur.

Taş baskı veya fotolitografi

Silikon gofret

Litografi, özellikle fotolitografi ve sonra nanotografi adına türetilmiş bu son derece küçük elektronik çipleri oluşturmanın yoludur, çünkü başlangıçta bu teknik taş veya metallerde içerik kaydetmek için kullanıldı.

Şu anda yapılanlar, yarı iletkenler ve entegre devreler oluşturmak için benzer bir teknik kullanmaktır. Bunu yapmak için, belirli bileşenlerin ışığına maruz kalma ve diğer kimyasal bileşiklerin kullanımına dayanan işlemler yoluyla mikroskopik boyutlarda devreler oluşturabilen nanometre kalınlığında silikon gofretler kullanılır. Buna karşılık, bu gofretler karmaşık bir 3D çip cehennemi elde edinceye kadar istiflenir.

Akım transistörlerinde kaç nanometre var?

İlk yarı iletken tabanlı işlemciler, yenilikçi 4004 ile 1971 yılında Intel tarafından ortaya çıktı. Üretici 10.000 nm transistör veya 10 mikrometre oluşturmayı başardı, böylece bir çip üzerinde 2.300 transistöre sahip oldu.

Böylece, şu anda nanoteknoloji ile tanınan mikroteknolojide üstünlük yarışı başladı. 2019'da Intel'in Broadwel mimarisi, 7nm, AMD'nin Zen 2 mimarisi ile gelen 14nm üretim sürecine sahip elektronik yongalarımız var ve hatta IBM ve diğer üreticiler tarafından 5nm testleri gerçekleştiriliyor. Kendimizi bir duruma sokmamız için, 5 nm'lik bir transistör, bir atomun elektron bulutundan sadece 50 kat daha büyük olurdu. Birkaç yıl önce, tamamen deneysel bir süreç olmasına rağmen , 1 nm'lik bir transistör oluşturmak zaten mümkün oldu.

Tüm üreticilerin kendi fişlerini yaptığını düşünüyor musunuz? Gerçek şu ki, hayır ve dünyada elektronik çiplerin üretimine adanmış dört büyük güç bulabiliriz.

• TSMC: Bu mikro teknoloji şirketi dünyanın önde gelen yonga montajcılarından biridir. Aslında, işlemcileri AMD (çekirdek kısım), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei veya Texas Instrument gibi markalardan yapıyor. 7nm transistörlerin anahtar üreticisidir. Global Dökümhaneler - Bu, AMD, Qualcomm ve diğerleri de dahil olmak üzere en fazla müşteriye sahip silikon gofret üreticilerinden biridir. Ancak bu durumda diğerleri arasında 12 ve 14 nm transistörler. Intel: Mavi devin kendi işlemci fabrikası var, bu yüzden ürünlerini oluşturmak için diğer üreticilere bağlı değil. Belki de bu yüzden 10nm mimarisinin 7nm rakiplerine karşı gelişmesi çok uzun sürüyor. Ancak bu CPU'ların acımasız olacağından emin olabilirsiniz. Samsung: Koreli şirketin kendi silikon fabrikası da var, bu yüzden Intel ile aynı şartlardayız. Akıllı telefon ve diğer cihazlar için kendi işlemcilerinizi oluşturma.

Moore kanunu ve fiziksel sınır

Grafen transistörü

Ünlü Moore Yasası bize her iki yılda bir mikroişlemcilerdeki elektron sayısının iki katına çıktığını ve bunun yarı iletkenlerin başlangıcından bu yana doğru olduğunu söylüyor. Şu anda, chis'ler 7nm transistörlerle satılmaktadır, özellikle AMD'nin masaüstü bilgisayarlar için bu litografide işlemcileri, Zen 2 mimarisine sahip AMD Ryzen 3000.Aynı şekilde Qualcomm, Samsung veya Apple gibi üreticiler de Mobil cihazlar için 7nm işlemciler.

5 nm nanometre, Silikon bazlı bir transistör yapmak için fiziksel sınır olarak ayarlanır. Elementlerin atomlardan oluştuğunu ve bunların belirli bir boyuta sahip olduğunu bilmeliyiz. Dünyanın en küçük deneysel transistörleri 1nm ölçülerindedir ve silikondan çok daha küçük karbon atomlarına dayanan bir grafendir.

Intel Tick-Tock Modeli

Intel Tick Tock Modeli

Bu, Intel'in işlemcilerinin mimarisini yaratmak ve geliştirmek için 2007'den beri benimsediği modeldir. Bu model, üretim sürecinin azaltılmasına ve ardından mimarinin optimize edilmesine dayanan iki adıma ayrılmıştır.

Kene adımı, imalat işlemi örneğin 22nm'den 14nm'ye düştüğünde gerçekleşir. Tock yaptığı adım aynı üretim sürecini sürdürmek ve nanometreleri daha da azaltmak yerine bir sonraki yinelemede optimize etmektir. Örneğin, 2011 Sandy Bridge mimarisi Tock (Nehalem'in 32nm'sinden bir gelişme) iken, Ivy Bridge 2012'de Kene idi (22nm'ye düştü).

Bir a priori, amaçladığı bu plan bir yıl Tick yapmaktı ve Tock'a devam ediyor, ancak mavi devin Haswell'de 22 nm'nin devam etmesi ve 14 nm'ye taşınmasıyla bu stratejiyi terk ettiğini zaten biliyoruz . 2014. O zamandan beri, tüm adım Tock oldu, yani 14 nm , 2019'da 9. nesil Intel Core'a ulaşana kadar optimize edilmeye devam etti. Aynı yıl veya 2020 başlarında 10 nm'lik bir varış ile yeni bir Tick adımı olması bekleniyor.

Sonraki adım: kuantum bilgisayar?

Muhtemelen yarı iletken tabanlı mimarinin sınırlamalarının cevabı kuantum hesaplamada yatmaktadır. Bu paradigma, her zaman Turing makinesine dayanan bilgisayarların felsefesini tamamen değiştirir.

Bir kuantum bilgisayarı, transistörlere veya bitlere dayanmaz. Moleküller, parçacıklar ve Qbitler (kuantum bitleri) olacaklardı. Bu teknoloji, bir transistörünkine benzer bir işlem elde etmek için madde içindeki moleküllerin durumunu ve ilişkilerini elektronlar aracılığıyla kontrol etmeye çalışır. Tabii ki, 1 Qbit hiç 1 bit'e eşit değildir, çünkü bu moleküller iki değil, üç veya daha fazla farklı durum oluşturabilir, böylece karmaşıklığı çoğaltır, aynı zamanda işlemleri gerçekleştirme yeteneği de yaratır.

Ancak tüm bunlar için, parçacıkların durumunu kontrol etmek için mutlak sıfıra (-273 ^o C) yakın sıcaklıklara ihtiyaç duyulması veya sistemin vakum altında monte edilmesi gibi bazı küçük sınırlamalarımız var.

• Tüm bunlar hakkında daha fazla bilgi için, bir süre önce kuantum işlemcinin ne olduğu hakkında çalıştığımız bu makaleyi ziyaret edin.

Nanometreler işlemcileri ne etkiler?

Sadece üreticilerin ve mühendislerinin ne yaptıklarını gerçekten bildikleri bu heyecan verici ve karmaşık elektronik dünyasını geride bırakıyoruz. Şimdi bir elektronik çip için bir transistörün nanometresini azaltmanın ne gibi faydaları olduğunu göreceğiz.

5nm transistörler

Daha yüksek transistör yoğunluğu

Anahtar transistörlerdir, sadece birkaç milimetrelik bir silikonun içine yerleştirilebilecek mantıksal bağlantı noktası ve devre sayısını belirlerler. 14nm Intel i9-9900K gibi 174 mm ^{2'lik bir} matriste yaklaşık 3 milyar transistörden bahsediyoruz. AMD Ryzen 3000 durumunda, 7nm ile 74mm ^{2'lik bir} dizide yaklaşık 3.9 milyar transistör.

Daha yüksek hız

Bunun yaptığı, çipe çok daha fazla işlem gücü sağlamaktır, çünkü daha yüksek yarı iletken yoğunluğuna sahip bir çip üzerinde çok daha fazla durumla kilitlenebilir. Bu şekilde, döngü başına daha fazla talimat elde edilir veya aynı şey, örneğin Zen + ve Zen 2 işlemcilerini karşılaştırırsak işlemcinin IPC'sini yükseltiriz.Aslında AMD, yeni CPU'larının Çekirdek TÜFE, önceki nesle kıyasla% 15'e kadar.

Daha fazla enerji verimliliği

Daha az nanometreye sahip transistörlere sahip olduklarından, içinden geçen elektronların miktarı daha azdır. Sonuç olarak, transistör daha düşük bir güç kaynağı ile durumu değiştirir, bu da enerji verimliliğini büyük ölçüde artırır. Diyelim ki aynı işi daha az güçle yapabiliriz, bu yüzden tüketilen watt başına daha fazla işlem gücü üretiyoruz .

Bu, dizüstü bilgisayarlar, akıllı telefon vb. Gibi pille çalışan ekipmanlar için çok önemlidir. 7 nm işlemcilere sahip olmanın avantajı, yeni Snapdragon 855, Apple'dan yeni A13 Bionic ve Huawei'den Kirin 990 ile inanılmaz özerkliğe sahip telefonlara ve muhteşem performansa sahip olmamızı sağladı.

Daha küçük ve daha taze cipsler

Son fakat en az değil, minyatürleştirme yeteneğine sahibiz. Birim alana daha fazla transistör koyabileceğimiz gibi, daha az ısı üreten daha küçük talaşlara sahip olmak için bunu azaltabiliriz. Buna TDP diyoruz ve bir silikonun maksimum şarjı ile üretebileceği ısıdır, dikkat edin, tükettiği elektrik gücü değildir. Bu sayede cihazları daha küçük yapabiliriz ve bu da aynı işlem gücüne sahip çok daha az ısınır.

Dezavantajları da var

İleriye doğru atılan her büyük adımın riskleri vardır ve aynı şey nanoteknolojide de söylenebilir. Daha az nanometreli transistörlere sahip olmak , üretim sürecinin gerçekleştirilmesini çok daha zor hale getirir. Çok daha gelişmiş veya pahalı teknik araçlara ihtiyacımız var ve arıza sayısı önemli ölçüde artıyor. Bunun net bir örneği, yeni Ryzen 3000'de doğru yonga plakası başına performansın azalmasıdır. Zen + 12 nm'de gofret başına mükemmel işlevsel yongaların yaklaşık% 80'ine sahipken Zen 2'de bu yüzde% 70'e düşecekti.

Benzer şekilde, işlemcilerin bütünlüğü de tehlikeye atılır, bu nedenle daha kararlı güç sistemleri ve daha iyi sinyal kalitesi gerektirir. Bu nedenle yeni AMD X570 yonga seti kartlarındaki üreticiler kaliteli bir VRM oluşturmak için özel dikkat gösterdiler.

Nanometre ile ilgili sonuçlar

Gördüğümüz gibi, teknoloji sıçrama ve sınırlarla ilerliyor, ancak birkaç yıl içinde 3 veya 1 nanometrelik transistörlerle kullanılan malzemelerin fiziksel sınırında olacak üretim süreçlerini bulacağız. Bundan sonra ne olacak? Kesinlikle bilmiyoruz, çünkü kuantum teknolojisi çok yeşil ve böyle bir bilgisayarı laboratuvar ortamının dışında yapmak neredeyse imkansız.

Şimdilik sahip olacağımız şey, böyle bir durumda çekirdek sayısının daha da artmış olup olmadığını veya elektronik devreler için daha yüksek bir transistör yoğunluğunu kabul eden grafen gibi malzemelerin kullanılmaya başlandığını görmektir.

Daha fazla uzatmadan, sizi diğer ilginç makalelerle bırakıyoruz:

Sizce 1nm işlemcileri göreceğiz? Hangi işlemciniz var? Makalenin ilginç olduğunu umuyoruz, bize ne düşündüğünüzü söyleyin.