Nanometers: wat ze zijn en hoe ze onze cpu beïnvloeden

Heb je ooit gehoord van de nanometer van een processor ? Welnu, in dit artikel gaan we je alles vertellen over deze maatregel. En nog belangrijker, welke invloed hebben nanometers op elektronische chips en de verschillende elementen waarnaar we verwijzen met deze metingen.

Wat is de nanometer

Laten we beginnen met precies te definiëren wat nanometers zijn, omdat dit simpele feit veel zal spelen, niet alleen voor computers, maar ook in de biologie en de andere wetenschappen die er toe doen studies.

De nanometer (nm) is een lengtemaat die deel uitmaakt van het internationale systeem (SI). Als we bedenken dat de meter de standaard of basiseenheid op de schaal is, is een nanometer een miljardste van een meter of wat zou hetzelfde zijn:

In termen die begrijpelijk zijn voor een normaal mens, iets dat een nanometer meet, kunnen we het alleen zien door een krachtige elektronenmicroscoop. Een mensenhaar kan bijvoorbeeld een diameter hebben van ongeveer 80.000 nanometer, dus stel je voor hoe klein een elektronische component is, dat is slechts 14 nm.

Deze maatregel heeft altijd bestaan, het is duidelijk, maar voor de hardwaregemeenschap heeft het de afgelopen jaren een bijzondere relevantie gehad. Vanwege de sterke concurrentie van fabrikanten om geïntegreerde schakelingen te maken op basis van steeds kleinere halfgeleiders of transistors.

De transistor

Transistor en elektronisch schema

Je hebt waarschijnlijk passief en actief horen praten over de transistors van een processor. We kunnen zeggen dat een transistor het kleinste element is dat in een elektronisch circuit kan worden gevonden, natuurlijk om elektronen en elektrische energie te vermijden.

Transistors zijn elementen gemaakt van halfgeleidermateriaal zoals Silicon of Germanium. Het is een element dat zich kan gedragen als geleider van elektriciteit of als isolator daarvan, afhankelijk van de fysieke omstandigheden waaraan het wordt blootgesteld. Bijvoorbeeld een magnetisch veld, temperatuur, straling, etc. En natuurlijk met een bepaalde spanning, zoals bij de transistors van een CPU.

De transistor is aanwezig in absoluut alle geïntegreerde schakelingen die tegenwoordig bestaan. Het enorme belang ervan ligt in wat het kan doen: een uitgangssignaal genereren als reactie op een ingangssignaal, dat wil zeggen, het doorlaten van stroom voor een stimulus, waardoor de binaire code ontstaat (1 stroom, 0 niet actueel).

Logische poorten en geïntegreerde schakelingen

NAND-poorten

Door middel van een lithografisch proces is het mogelijk om circuits te creëren met een bepaalde structuur die uit verschillende transistors bestaat om de logische poorten te vormen. Een logische poort is de volgende eenheid achter de transistor, een elektronisch apparaat dat een bepaalde logische of booleaanse functie kan uitvoeren. Met een paar transistors die op de een of andere manier zijn gekoppeld, kunnen we SI-, AND-, NAND-, OR-, NOT-, enz-poorten toevoegen, aftrekken en maken. Dit is hoe logica wordt gegeven aan een elektronische component.

Zo ontstaan ​​geïntegreerde schakelingen, met een opeenvolging van transistors, weerstanden en condensatoren die in staat zijn om zogenaamde elektronische chips te vormen.

Lithografie of fotolithografie

Silicium wafel

Lithografie is de manier om deze extreem kleine elektronische chips te bouwen, in het bijzonder afgeleid in de naam fotolithografie en vervolgens nanolithografie, aangezien deze techniek in het begin werd gebruikt om inhoud in stenen of metalen vast te leggen.

Wat momenteel wordt gedaan, is het gebruik van een vergelijkbare techniek om halfgeleiders en geïntegreerde schakelingen te creëren. Om dit te doen, worden nanometer-dikke siliciumwafels gebruikt die, door middel van processen die zijn gebaseerd op de blootstelling aan licht van bepaalde componenten en het gebruik van andere chemische verbindingen, circuits van microscopisch kleine afmetingen kunnen creëren. Op hun beurt worden deze wafels gestapeld totdat ze een geweldige complexe 3D-chip krijgen.

Hoeveel nanometers hebben stroomtransistors?

De eerste op halfgeleiders gebaseerde processors verschenen in 1971 bij Intel met zijn innovatieve 4004. De fabrikant slaagde erin om transistors van 10.000 nm of 10 micrometer te maken, met tot wel 2.300 transistors op een chip.

Zo begon de race om de suprematie in de microtechnologie, momenteel bekend om nanotechnologie. In 2019 hebben we elektronische chips met een 14nm-productieproces dat werd geleverd met Intel's Broadwel-architectuur, 7nm, met AMD's Zen 2-architectuur, en zelfs 5nm-tests worden uitgevoerd door IBM en andere fabrikanten. Om onszelf in een situatie te plaatsen, zou een 5nm-transistor slechts 50 keer groter zijn dan de elektronenwolk van een atoom. Een paar jaar geleden was het al mogelijk om een ​​transistor van 1 nm te maken, hoewel het een puur experimenteel proces is.

Denk je dat alle fabrikanten hun eigen chips maken? Nou, de waarheid is dat nee, en in de wereld kunnen we vier grote krachten vinden die zich toeleggen op de productie van elektronische chips.

• TSMC: Dit micro-technologiebedrijf is een van 's werelds toonaangevende chipassemblagers. Sterker nog, het maakt de processors van merken als AMD (het kerngedeelte), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei of Texas Instrument. Het is de belangrijkste fabrikant in 7nm-transistors. Global Foundries - Dat is een van de andere fabrikanten van siliciumwafels met de meeste klanten, waaronder AMD, Qualcomm en anderen. Maar in dit geval onder andere met 12 en 14 nm transistors. Intel: De blauwe reus heeft zijn eigen processorfabriek, dus het is niet afhankelijk van andere fabrikanten om zijn producten te maken. Misschien is dit de reden waarom de 10nm-architectuur er zo lang over doet om zich te ontwikkelen ten opzichte van zijn 7nm-concurrenten. Maar wees gerust, deze CPU's zullen meedogenloos zijn. Samsung: Het Koreaanse bedrijf heeft ook een eigen siliciumfabriek, dus we hebben dezelfde voorwaarden als Intel. Je eigen processors maken voor smartphone en andere apparaten.

De wet van Moore en de fysieke limiet

Grafeen transistor

De beroemde wet van Moore vertelt ons dat het aantal elektronen in microprocessors elke twee jaar verdubbelt, en de waarheid is dat dit al sinds het begin van halfgeleiders het geval is. Momenteel worden chis verkocht met 7nm-transistors, met name AMD heeft processoren in deze lithografie voor desktops, de AMD Ryzen 3000 met de Zen 2. -architectuur. Evenzo hebben fabrikanten zoals Qualcomm, Samsung of Apple ook 7nm-processors voor mobiele apparaten.

De 5 nm nanometer is ingesteld als de fysieke limiet om een ​​op silicium gebaseerde transistor te maken. We moeten weten dat de elementen uit atomen bestaan ​​en deze hebben een bepaalde grootte. 'S Werelds kleinste experimentele transistors meten 1 nm en zijn gemaakt van grafeen, een materiaal dat is gebaseerd op veel kleinere koolstofatomen dan silicium.

Intel Tick-Tock-model

Intel Tick Tock-model

Dit is het model dat de fabrikant Intel sinds 2007 heeft aangenomen om de architectuur van zijn processors te creëren en te ontwikkelen. Dit model is onderverdeeld in twee stappen die zijn gebaseerd op het verminderen van het productieproces en het optimaliseren van de architectuur.

De Tick-stap vindt plaats wanneer het fabricageproces afneemt, bijvoorbeeld van 22 nm tot 14 nm. Terwijl de Tock-stap wat het doet, hetzelfde productieproces handhaaft en optimaliseert in de volgende iteratie in plaats van de nanometers verder te verlagen. Zo was de Sandy Bridge-architectuur van 2011 de Tock (een verbetering ten opzichte van Nehalem's 32nm), terwijl de Ivy Bridge de Tick was in 2012 (verlaagd tot 22nm).

A priori was dit plan wat hij van plan was om een ​​jaar Tick te maken en hij zet Tock voort, maar we weten al dat de blauwe reus deze strategie vanaf 2013 heeft verlaten met de voortzetting van 22 nm in Haswell en de verhuizing naar 14 nm in 2014. Sindsdien is de hele stap Tock geweest, dat wil zeggen dat de 14 nm verder is geoptimaliseerd tot het bereiken van de 9e generatie Intel Core in 2019. Naar verwachting komt er in hetzelfde jaar of begin 2020 een nieuwe Tick-stap met de komst van 10 nm.

De volgende stap: de quantumcomputer?

Mogelijk ligt het antwoord op de beperkingen van op halfgeleiders gebaseerde architectuur in quantum computing. Dit paradigma verandert de computerfilosofie volledig vanaf het begin van computers, altijd gebaseerd op de Turing-machine.

Een kwantumcomputer zou niet gebaseerd zijn op transistors, noch op bits. Ze zouden moleculen en deeltjes worden en Qbits (quantumbits). Deze technologie probeert de toestand en de relaties van de moleculen in de materie te regelen door middel van elektronen om een ​​operatie te krijgen die lijkt op die van een transistor. Natuurlijk is 1 Qbit helemaal niet gelijk aan 1 bit, omdat deze moleculen niet twee, maar drie of meer verschillende toestanden kunnen creëren, waardoor de complexiteit wordt vermenigvuldigd, maar ook het vermogen om bewerkingen uit te voeren.

Maar voor dit alles hebben we enkele kleine beperkingen, zoals het nodig hebben van temperaturen dichtbij het absolute nulpunt (-273 ^o C) om de toestand van de deeltjes te regelen, of om het systeem onder vacuüm te laten monteren.

• Voor meer informatie over dit alles, bezoek dit artikel dat we een tijdje geleden hebben bestudeerd over wat de quantumprocessor is.

Wat beïnvloeden nanometers processors?

We laten deze opwindende en complexe wereld van elektronica achter waarin alleen fabrikanten en hun ingenieurs echt weten wat ze doen. Nu zullen we zien welke voordelen het heeft om de nanometer van een transistor voor een elektronische chip te verkleinen.

5nm transistors

Hogere transistordichtheid

De sleutel is transistors, ze bepalen het aantal logische poorten en circuits dat in een silicium van slechts een paar vierkante millimeter kan worden geplaatst. We hebben het over bijna 3 miljard transistors in een matrix van 174 mm ², zoals de 14nm Intel i9-9900K. In het geval van de AMD Ryzen 3000, ongeveer 3, 9 miljard transistors in een array van 74 mm ² met 7 nm.

Hogere snelheid

Dit geeft de chip veel meer verwerkingskracht, omdat hij in staat is om met veel meer toestanden te vergrendelen op een chip met een hogere dichtheid aan halfgeleiders. Op deze manier worden meer instructies per cyclus bereikt, of wat hetzelfde is, verhogen we de IPC van de processor, bijvoorbeeld als we de Zen + en Zen 2-processors vergelijken.In feite beweert AMD dat zijn nieuwe CPU's hun Core CPI tot 15% vergeleken met de vorige generatie.

Hogere energie-efficiëntie

Door transistors met minder nanometer te hebben, is het aantal elektronen dat er doorheen gaat kleiner. Dientengevolge verandert de transistor van toestand met een lagere voeding, dus dit verbetert de energie-efficiëntie aanzienlijk. Dus laten we zeggen dat we hetzelfde werk kunnen doen met minder stroom, dus we genereren meer verwerkingsvermogen per verbruikte watt.

Dit is erg belangrijk voor op batterijen werkende apparatuur, zoals laptops, smartphones, enz. Het voordeel van 7 nm-processors heeft ervoor gezorgd dat we telefoons hebben met ongelooflijke autonomie en spectaculaire prestaties met de nieuwe Snapdragon 855, de nieuwe A13 Bionic van Apple en de Kirin 990 van Huawei.

Kleinere en versere chips

Last but not least hebben we de mogelijkheid tot miniaturisatie. Op dezelfde manier dat we meer transistors per oppervlakte-eenheid kunnen plaatsen, kunnen we dit ook verminderen om kleinere chips te hebben die minder warmte genereren. We noemen dit TDP, en het is de warmte die een silicium kan genereren met zijn maximale lading, let op, het is niet het elektrische vermogen dat het verbruikt. Hierdoor kunnen we apparaten kleiner maken en die veel minder opwarmen met dezelfde verwerkingskracht.

Nadelen zijn er ook

Elke grote stap voorwaarts heeft zijn risico's, en hetzelfde kan gezegd worden in nanotechnologie. Met transistors van minder nanometer is het fabricageproces veel moeilijker uit te voeren. We hebben veel geavanceerdere of duurdere technische middelen nodig en het aantal storingen neemt aanzienlijk toe. Een duidelijk voorbeeld is dat de prestaties per wafel van correcte chips zijn afgenomen in de nieuwe Ryzen 3000. Terwijl we in Zen + 12 nm ongeveer 80% perfect functionele chips per wafel hadden, zou dit percentage in Zen 2 zijn gedaald tot 70%.

Evenzo wordt de integriteit van de processors ook aangetast, waardoor stabielere voedingssystemen en een betere signaalkwaliteit nodig zijn. Daarom hebben de fabrikanten in de nieuwe AMD X570-chipsetborden bijzondere zorg besteed aan het creëren van een hoogwaardige VRM.

Conclusies over nanometers

Zoals we kunnen zien, gaat de technologie met grote sprongen vooruit, hoewel we over een paar jaar productieprocessen zullen vinden die al op de fysieke limiet van de materialen zullen staan ​​die worden gebruikt met transistors van zelfs 3 of 1 nanometer. Wat komt er nu? Nou, dat weten we zeker niet, want quantumtechnologie is erg groen en het is praktisch onmogelijk om zo'n computer buiten een laboratoriumomgeving te bouwen.

Wat we nu zullen hebben, is om te zien of in een dergelijk geval het aantal kernen nog meer wordt vergroot, of materialen zoals grafeen die een hogere dichtheid van transistoren voor elektronische schakelingen toelaten, worden gebruikt.

Zonder verder oponthoud laten we u achter met andere interessante artikelen:

Denk je dat we 1nm-processors te zien krijgen? Welke processor heb je? We hopen dat het artikel interessant was, vertel ons wat je ervan vindt.