ננומטרים: מה הם ואיך הם משפיעים על מעבד ה- CPU שלנו

האם שמעת פעם על ננומטרים של מעבד ? ובכן, במאמר זה אנו הולכים לספר לכם הכל על מדד זה. והכי חשוב, איזו השפעה יש לנו ננומטרים על שבבים אלקטרוניים ועל האלמנטים השונים אליהם אנו מתייחסים עם המדידות הללו.

מהו הננומטר

נתחיל במדויק בהגדרת מהם הננומטרים, מכיוון שעובדה פשוטה זו תעניק משחק רב לא רק למחשוב, אלא גם בביולוגיה ובשאר המדעים החשובים בלימודים.

הננומטר (nm) הוא מדד אורך שהוא חלק מהמערכת הבינלאומית (SI). אם ניקח בחשבון שהמד הוא היחידה הסטנדרטית או הבסיסית בסולם, ננומטר הוא מיליארדית המטר או מה יהיה זהה:

במונחים המובנים לאדם רגיל, דבר המודד ננומטר, אנו יכולים לראות אותו רק דרך מיקרוסקופ אלקטרונים בעל עוצמה גבוהה. לדוגמא, שיער אנושי יכול להיות בקוטר של כ 80, 000 ננומטר, אז דמיין עד כמה קטן רכיב אלקטרוני הוא 14 ננומטר בלבד.

מדד זה היה קיים תמיד, ברור מאליו, אך עבור קהילת החומרה הייתה לו רלוונטיות מיוחדת בשנים האחרונות. בשל התחרות העזה של היצרנים ליצור מעגלים משולבים המבוססים על מוליכים למחצה או טרנזיסטורים קטנים יותר ויותר.

הטרנזיסטור

טרנזיסטור סכמטי אלקטרוני

בטח שמעת דיבורים פסיביים ופעילים על טרנזיסטורים של מעבד. אנו יכולים לומר שטרנזיסטור הוא האלמנט הקטן ביותר שניתן למצוא במעגל אלקטרוני, כמובן הימנעות מאלקטרונים ואנרגיה חשמלית.

טרנזיסטורים הם אלמנטים העשויים מחומר מוליכים למחצה כמו סיליקון או גרמניום. זהו אלמנט שיכול להתנהג כמוליך חשמל או כמבודד שלו, תלוי בתנאים הפיזיים אליהם הוא נתון. לדוגמה, שדה מגנטי, טמפרטורה, קרינה וכו '. וכמובן עם מתח מסוים, שכן מדובר בטרנזיסטורים של מעבד.

הטרנזיסטור קיים כמעט בכל המעגלים המשולבים שקיימים כיום. החשיבות העצומה שלו טמונה במה שהיא מסוגלת לעשות: להפיק אות פלט בתגובה לאות קלט, כלומר לאפשר או לא לעבור זרם לפני גירוי, וכך ליצור את הקוד הבינארי (זרם 1, 0 לא נוכחי).

שערי לוגיקה ומעגלים משולבים

נמלי NAND

באמצעות תהליך ליטוגרפיה ניתן ליצור מעגלים עם מבנה מסוים המורכב מכמה טרנזיסטורים ליצירת שערי ההיגיון. שער לוגי הוא היחידה הבאה שמאחורי הטרנזיסטור, מכשיר אלקטרוני המסוגל לבצע פונקציה לוגית או בוליאנית מסוימת. עם כמה טרנזיסטורים המקושרים בצורה כזו או אחרת, אנו יכולים להוסיף, לחסר, וליצור שערים של SI, AND, NAND, OR, NOT וכו '. כך ניתן היגיון לרכיב אלקטרוני.

כך נוצרים מעגלים משולבים, עם רצף של טרנזיסטורים, נגדים וקבלים המסוגלים ליצור מה שמכונה כיום שבבים אלקטרוניים.

ליטוגרפיה או פוטוליתוגרפיה

רקיק סיליקון

ליטוגרפיה היא הדרך לבנות את השבבים האלקטרוניים הקטנים האלה במיוחד, ובאופן ספציפי היא נגזרת בשם פוטוליטוגרפיה ואז ננוניטוגרפיה, מאחר וטכניקה זו בתחילת דרכה שימשה כדי לחרוט תוכן על אבנים או מתכות.

מה שנעשה כרגע הוא בטכניקה דומה ליצירת מוליכים למחצה ומעגלים משולבים. לשם כך משתמשים בפלים סיליקון עבים של ננומטר, אשר באמצעות תהליכים המבוססים על חשיפה לאור של רכיבים מסוימים ושימוש בתרכובות כימיות אחרות, מסוגלים ליצור מעגלים בגדלים מיקרוסקופיים. בתורו, הוופלים הללו נערמים עד שהם מקבלים גס של שבב תלת מימד מורכב.

כמה ננומטרים יש לטרנזיסטורים הנוכחיים?

המעבדים הראשונים מבוססי מוליכים למחצה הופיעו בשנת 1971 על ידי אינטל עם 4004 החדשניים שלה. היצרן הצליח ליצור טרנזיסטורים של 10, 000 ננומטר, או 10 מיקרומטר, ובכך להחזיק עד 2, 300 טרנזיסטורים על שבב.

כך החל מרוץ העליונות במיקרוטכנולוגיה, הידוע כיום בננו-טכנולוגיה. בשנת 2019 יש לנו שבבים אלקטרוניים עם תהליך ייצור של 14 ננומטר שהגיע עם ארכיטקטורת Broadwel של אינטל, 7nm, עם ארכיטקטורת Zen 2 של AMD, ואפילו בדיקות של 5 ננומטר מבוצעות על ידי יבמ ויצרניות אחרות. על מנת שנוכל לשים את עצמנו במצב, טרנזיסטור של 5 ננומטר יהיה גדול פי 50 בלבד מענן האלקטרונים של אטום. לפני מספר שנים כבר ניתן היה ליצור טרנזיסטור של 1 ננומטר, אם כי מדובר בתהליך ניסיוני גרידא.

האם אתה חושב שכל היצרנים מייצרים צ'יפס משלהם? ובכן, האמת היא שלא, ובעולם, אנו יכולים למצוא ארבע כוחות גדולים המוקדשים לייצור שבבים אלקטרוניים.

• TSMC: חברת מיקרו-טכנולוגיה זו היא אחת ממאספי השבבים המובילים בעולם. למעשה, זה הופך את המעבדים למותגים כמו AMD (חלק הליבה), אפל, קוואלקום, Nvidia, Huawei או Texas Instrument. זהו יצרן המפתח בטרנזיסטורים של 7 ננומטר. יציקה גלובלית - זהו עוד אחד מיצרני פרוסות הסיליקון עם הכי הרבה לקוחות, כולל AMD, קוואלקום ואחרים. אבל במקרה זה עם טרנזיסטורים של 12 ו -14 ננומטר בין היתר. אינטל: לענק הכחול יש מפעל מעבד משלו, כך שהוא לא תלוי ביצרנים אחרים שייצרו את מוצריה. אולי זו הסיבה שלוקח ארכיטקטורה של 10 ננומטר כל כך הרבה זמן להתפתח מול מתחרותיה של 7 ננומטר. אך סמוך ובטוח שמעבדים אלה יהיו אכזריים. סמסונג: לחברה הקוריאנית יש גם מפעל סיליקון משלה, כך שאנחנו באותה תנאים כמו אינטל. יצירת מעבדים משלך לסמארטפון ומכשירים אחרים.

החוק של מור והגבול הפיזי

טרנזיסטור גרפן

חוק מור המפורסם אומר לנו כי כל שנתיים מכפילים את מספר האלקטרונים במעבדים המיקרו, והאמת היא שזה נכון מאז תחילת מוליכים למחצה. נכון לעכשיו, צ'יס נמכרים עם טרנזיסטורים של 7 ננומטר, ובייחוד ל- AMD יש מעבדים בליטוגרפיה זו לשולחן העבודה, AMD Ryzen 3000 עם ארכיטקטורת Zen 2. בדומה, גם ליצרנים כמו קוואלקום, סמסונג או אפל יש גם מעבדי 7nm למכשירים ניידים.

הננומטר 5 ננומטר מוגדר כמגבלה הפיזית לייצור טרנזיסטור מבוסס סיליקון. עלינו לדעת כי היסודות מורכבים מאטומים, ואלה יש גודל מסוים. הטרנזיסטורים הניסויים הקטנים בעולם מודדים 1 ננומטר, ועשויים גרפן, חומר המבוסס על אטומי פחמן קטנים בהרבה מאשר סיליקון.

דגם Tick-Tock של אינטל

דגם ה- Tock של אינטל

זהו הדגם אותו יצרנית אינטל אימצה מאז 2007 כדי ליצור ולהתפתח את האדריכלות של המעבדים שלה. מודל זה מחולק לשני שלבים שמתבססים על צמצום תהליך הייצור ואז מיטוב האדריכלות.

שלב ה- Tick מתרחש כאשר תהליך הייצור פוחת, למשל מ- 22nm ל- 14nm. אמנם צעד ה- Tock מה שהוא עושה הוא לשמור על אותו תהליך ייצור ולייעל אותו באיטציה הבאה במקום להקטין עוד יותר את הננומטרים. לדוגמא, הארכיטקטורה של גשר סנדי משנת 2011 הייתה ה- Tock (שיפור לעומת 32 ננומטר של נחלם), ואילו גשר הקיסוס היה ה- Tick בשנת 2012 (ירד ל 22 ננומטר).

אפריורי, התוכנית הזו למה התכוון הייתה לעשות טיק לשנה והוא ממשיך את טוק, אבל אנחנו כבר יודעים שהענק הכחול נטש את האסטרטגיה הזו משנת 2013 עם המשך 22 ננומטר בהאסוול והמעבר ל 14 ננומטר ב 2014. מאז, כל הצעד היה Tock, כלומר 14 ננומטר המשיכו להיות מיטוב עד שהגיעו לדור התשיעי של אינטל Core בשנת 2019. זה צפוי כי באותה השנה או בתחילת 2020 יהיה שלב טיק חדש עם הגעתו של 10 ננומטר.

השלב הבא: מחשב הקוונטים?

יתכן שהתשובה למגבלות הארכיטקטורה מבוססת מוליכים למחצה נעוצה במחשוב קוונטי. פרדיגמה זו משנה לחלוטין את פילוסופיית המחשוב מתחילת המחשבים, תמיד מבוססת על מכונת טיורינג.

מחשב קוונטי לא יתבסס על טרנזיסטורים ולא על ביטים. הם יהפכו למולקולות וחלקיקים ו- Qbits (ביטים קוונטיים). טכנולוגיה זו מנסה לשלוט במצבם ובקשרים של מולקולות בחומר באמצעות אלקטרונים כדי להשיג פעולה דומה לזו של טרנזיסטור. כמובן ש- Qbit 1 אינו שווה ל -1 ביט כלל, מכיוון שמולקולות אלה אינן יכולות ליצור שניים, אלא שלושה מצבים שונים או יותר, ובכך להכפיל את המורכבות, אלא גם את היכולת לבצע פעולות.

אבל לכל זה יש לנו כמה מגבלות קטנות, כמו צורך בטמפרטורות הקרובות לאפס מוחלט (-273 ^o C) כדי לשלוט במצב החלקיקים, או להרכיב את המערכת תחת ואקום.

• למידע נוסף על כל זאת, בקר במאמר זה שלמדנו לפני זמן מה לגבי המעבד הקוונטי.

מה משפיעים ננומטרים על מעבדים?

אנו משאירים מאחור את עולם האלקטרוניקה המרגש והמורכב הזה, בו רק היצרנים והמהנדסים שלהם באמת יודעים מה הם עושים. כעת נראה אילו יתרונות יש להקטנת הננומטרים של טרנזיסטור עבור שבב אלקטרוני.

טרנזיסטורים 5 ננומטר

צפיפות טרנזיסטור גבוהה יותר

המפתח הוא טרנזיסטורים, הם קובעים את מספר היציאות והמעגלים הלוגיים שניתן להכניס בתוך סיליקון של מילימטרים בודדים בלבד. אנו מדברים על כמעט 3 מיליארד טרנזיסטורים במטריקס של 174 מ"מ ² כמו אינטל i9-9900K 14nm. במקרה של AMD Ryzen 3000, כ -3.9 מיליארד טרנזיסטורים במערך 74 מ"מ ² עם 7 ננומטר.

מהירות גבוהה יותר

מה שכן הוא לספק לשבב כוח עיבוד רב בהרבה, מכיוון שהוא מסוגל לנעול עם מצבים רבים יותר על שבב בעל צפיפות גבוהה יותר של מוליכים למחצה. בדרך זו מושגות הוראות נוספות למחזור, או מה זהה, אנו מעלים את ה- IPC של המעבד, למשל אם משווים בין מעבדי Zen + ו- Zen 2. למעשה, AMD טוענת כי המעבדים החדשים שלו הגדילו את מדד ליבה של עד 15% בהשוואה לדור הקודם.

יעילות אנרגיה רבה יותר

בכך שיש טרנזיסטורים עם פחות ננומטרים, כמות האלקטרונים העוברים דרכם פחות. כתוצאה מכך, הטרנזיסטור משנה מצב עם ספק כוח נמוך יותר, ולכן הדבר משפר מאוד את יעילות האנרגיה. אז בואו נגיד שנוכל לבצע את אותה העבודה בפחות כוח, ולכן אנו מייצרים יותר כוח עיבוד לכל וואט שנצרך.

זה חשוב מאוד עבור ציוד המונע על סוללות, כמו מחשבים ניידים, טלפון חכם וכו '. היתרון בכך שיש לנו מעבדים של 7 ננומטר, גרם לנו לטלפונים עם אוטונומיות מדהימות, וביצועים מרהיבים עם Snapdragon 855 החדשה, ה- A13 Bionic החדשה של אפל וקירין 990 מ- Huawei.

צ'יפס קטן ורענן יותר

אחרון חביב, יש לנו את יכולת המזעור. באותה דרך בה אנו יכולים לשים יותר טרנזיסטורים לאזור יחידה, אנו יכולים גם להקטין זאת כדי שיהיו שבבים קטנים יותר שיוצרים פחות חום. אנו מכנים TDP זה, וזה החום שמסיליקון יכול לייצר עם המטען המקסימלי שלו, היזהר, זה לא הכוח החשמלי שהוא צורך. הודות לכך, אנו יכולים להפוך את המכשירים לקטנים יותר ולהתחמם בהרבה פחות כוח עיבוד זהה.

יש גם חסרונות

לכל צעד גדול קדימה יש את הסיכונים שלו, ואת אותו הדבר ניתן לומר בננו-טכנולוגיה. לאחר טרנזיסטורים של פחות ננומטר, הופך את תהליך הייצור לקשה הרבה יותר לביצוע. אנו זקוקים לאמצעים טכניים מתקדמים או יקרים בהרבה, ומספר הכשלים עולה משמעותית. דוגמא מובהקת לכך היא שהביצועים לכל פרוסות שבבים נכונים פחתו ב- Ryzen 3000 החדש. בעוד שב- Zen + 12 ננומטר היו לנו בערך 80% מהשבבים הפונקציונליים להפליא לכל רקיק, ב- Zen 2 אחוז זה היה יורד ל -70%.

באופן דומה גם שלמות המעבדים נפגעת, ובכך נדרשת מערכות כוח יציבות יותר, ובאיכות אות טובה יותר. זו הסיבה שהיצרניות בלוחות השבבים AMD X570 החדשים דאגו במיוחד ליצירת VRM איכותי.

מסקנות לגבי ננומטרים

כפי שאנו יכולים לראות, הטכנולוגיה מתקדמת בקפיצות דרך, אם כי בעוד מספר שנים אנו מוצאים תהליכי ייצור שכבר יהיו בגבול הפיזי של החומרים המשמשים עם טרנזיסטורים של אפילו 3 או 1 ננומטר. מה יהיה הלאה? ובכן אנחנו בהחלט לא יודעים, מכיוון שטכנולוגיית הקוונטים היא ירוקה מאוד וכמעט בלתי אפשרי לבנות מחשב כזה מחוץ לסביבת מעבדה.

מה שיהיה לנו לעת עתה הוא לראות אם במקרה כזה מספר הליבות גדל עוד יותר, או שמתחילים להשתמש בחומרים כמו גרפן שמודים בצפיפות גבוהה יותר של טרנזיסטורים למעגלים אלקטרוניים.

בלי להוסיף, אנו משאירים לך מאמרים מעניינים אחרים:

אתה חושב שנפגש עם מעבדי 1nm? איזה מעבד יש לך? אנו מקווים שהמאמר היה מעניין, ספר לנו מה אתה חושב.