Nanometers: มันคืออะไรและส่งผลอย่างไรกับซีพียูของเรา

คุณเคยได้ยิน เรื่องนาโนเมตรของโปรเซสเซอร์ หรือไม่ ในบทความนี้เราจะบอกคุณทั้งหมดเกี่ยวกับมาตรการนี้ และที่สำคัญที่สุดสิ่งที่นาโนมิเตอร์มีอิทธิพลต่อชิปอิเล็กทรอนิกส์และองค์ประกอบต่าง ๆ ที่เราอ้างถึงด้วยการวัดเหล่านี้

นาโนเมตรคืออะไร

เรามาเริ่มต้นอย่างแม่นยำด้วยการกำหนด ว่านาโนมิเตอร์คืออะไร เพราะความจริงง่ายๆนี้จะให้การเล่นมากมายไม่เพียง แต่สำหรับการคำนวณเท่านั้น แต่ยังรวมถึงชีววิทยาและวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ที่มีความสำคัญต่อการศึกษาด้วย

นาโนเมตร (นาโนเมตร) เป็นการวัดความยาว ที่เป็นส่วนหนึ่งของระบบระหว่างประเทศ (SI) หากเราพิจารณาว่า เครื่องวัดนั้นเป็นหน่วยมาตรฐาน หรือ หน่วย พื้นฐานในเครื่องชั่ง นาโนเมตรก็คือหนึ่งในพันล้านส่วนของเมตร หรืออะไรที่จะเหมือนกัน:

ในแง่ที่มนุษย์ทั่วไปเข้าใจได้สิ่งที่วัดนาโนเมตรนั้นสามารถมองเห็นได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีกำลังสูงเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เส้นผมของมนุษย์สามารถมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 80, 000 นาโนเมตร ดังนั้นลองจินตนาการว่าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กเพียง 14 นาโนเมตรเท่านั้น

มาตรการนี้มีอยู่เสมอมันชัดเจน แต่สำหรับชุมชนฮาร์ดแวร์ที่มีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษในปีที่ผ่านมา เนื่องจากการแข่งขันที่รุนแรงของผู้ผลิตในการสร้าง วงจรรวมตามเซมิคอนดักเตอร์ หรือทรานซิสเตอร์ ขนาดเล็กมากขึ้น

ทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์และวงจรอิเล็กทรอนิกส์

คุณอาจเคยได้ยินคำพูดเรื่อย ๆ และกระตือรือร้นเกี่ยวกับ ทรานซิสเตอร์ของโปรเซสเซอร์ เราสามารถพูดได้ว่าทรานซิสเตอร์ เป็นองค์ประกอบที่เล็กที่สุดที่สามารถพบได้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ แน่นอนว่าหลีกเลี่ยงอิเล็กตรอนและพลังงานไฟฟ้า

ทรานซิสเตอร์เป็นองค์ประกอบที่ทำจาก วัสดุเซมิคอนดักเตอร์เช่น ซิลิคอน หรือเจอร์เมเนียม มันเป็นองค์ประกอบที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าหรือเป็นฉนวนของมันขึ้นอยู่กับสภาพร่างกายที่มันอยู่ภายใต้ ตัวอย่างเช่นสนามแม่เหล็กอุณหภูมิรังสี ฯลฯ และแน่นอน ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่แน่นอน เป็นกรณีของทรานซิสเตอร์ของซีพียู

ทรานซิสเตอร์ มีอยู่ในวงจรรวมทั้งหมด ที่มีอยู่ในปัจจุบัน ความสำคัญอย่างมากของมันอยู่ในสิ่งที่มันสามารถทำได้: สร้างสัญญาณเอาท์พุทเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณอินพุตนั่นคือยอมให้มี หรือไม่มีทางผ่านของกระแสก่อนการกระตุ้น ดังนั้นจึงสร้างรหัสไบนารี่ (1 กระแส, 0 ไม่เป็นปัจจุบัน)

ประตูลอจิกและวงจรรวม

พอร์ต NAND

ผ่านกระบวนการ พิมพ์หินมัน เป็นไปได้ที่จะสร้างวงจรที่มีโครงสร้างบางอย่างที่สร้างขึ้นจากทรานซิสเตอร์หลายตัวเพื่อสร้างประตูตรรกะ ลอจิกเกทเป็นยูนิตถัดไปที่อยู่หลังทรานซิสเตอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ มีความสามารถในการทำหน้าที่เชิงตรรกะหรือบูลีน ด้วยทรานซิสเตอร์ที่เชื่อมโยงกันไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง เราสามารถเพิ่มลบและสร้าง SI, AND, NAND, OR, NOT และอื่น ๆ ได้ นี่คือวิธีการให้ตรรกะกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

นี่คือวิธีสร้างวงจรรวมด้วยการต่อเนื่องของทรานซิสเตอร์ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่สามารถสร้างสิ่งที่เรียกว่า ชิปอิเล็กทรอนิกส์

การพิมพ์หินหรือ photolithography

ซิลิคอนเวเฟอร์

การพิมพ์หิน เป็นวิธีการสร้างชิปอิเล็กทรอนิกส์ ขนาดเล็กมาก เหล่านี้ โดยเฉพาะมันได้มาในชื่อของ photolithography แล้ว nanolithography เนื่องจากเทคนิคนี้ในการเริ่มต้นใช้ในการแกะสลักเนื้อหาบนหินหรือโลหะ

สิ่งที่กำลังทำอยู่คือการใช้เทคนิคที่คล้ายกันเพื่อสร้างเซมิคอนดักเตอร์และวงจรรวม ในการทำเช่นนี้ เวเฟอร์ซิลิคอนแบบหนานาโนเมตร จะถูกใช้ซึ่งผ่านกระบวนการที่ขึ้นอยู่กับการสัมผัสกับแสงของส่วนประกอบบางชนิดและการใช้สารประกอบทางเคมีอื่น ๆ สามารถสร้างวงจรขนาดที่มีขนาดเล็ก ได้ ในทางกลับกันเวเฟอร์เหล่านี้จะซ้อนกันจนกว่าจะได้ ชิป นรกที่ซับซ้อน

ทรานซิสเตอร์ปัจจุบันมีกี่นาโนเมตร?

โปรเซสเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ตัว แรกที่ปรากฏในปี 1971 โดย Intel ด้วยนวัตกรรม 4004 ผู้ผลิตสามารถสร้าง ทรานซิสเตอร์ 10, 000 nm หรือ 10 micrometers ดังนั้นจึงมีมากถึง 2, 300 ทรานซิสเตอร์บนชิป

ดังนั้นจึงเริ่มการแข่งขันเพื่ออำนาจสูงสุดในด้านไมโครเทคโนโลยีซึ่งปัจจุบันมีชื่อเสียงด้าน นาโนเทคโนโลยี ในปี 2019 เรามีชิปอิเล็กทรอนิกส์ที่มีกระบวนการผลิต 14nm ที่มาพร้อมกับสถาปัตยกรรม Broadwel ของ Intel, 7nm กับสถาปัตยกรรม Zen 2 ของ AMD และ การทดสอบ 5nm นั้นดำเนินการโดย IBM และผู้ผลิตรายอื่น เพื่อให้เราอยู่ในสถานการณ์นี้ทรานซิสเตอร์ 5nm จะใหญ่กว่าเมฆอิเล็กตรอนของอะตอมเพียง 50 เท่า ไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความเป็นไปได้ที่จะสร้างทรานซิสเตอร์ 1 นาโนเมตร ถึงแม้ว่ามันจะเป็นกระบวนการทดลองล้วนๆ

คุณคิดว่าผู้ผลิตทุกรายทำชิปของตัวเองหรือไม่? ความจริงก็คือไม่และในโลกเราสามารถค้นหา พลังอันยิ่งใหญ่สี่อย่าง ที่อุทิศให้กับการผลิตชิปอิเล็กทรอนิกส์

• TSMC: บริษัท ไมโครเทคโนโลยีนี้เป็นหนึ่งในแอสเซมบลีชิพชั้นนำของโลก ในความเป็นจริงมันผลิตโปรเซสเซอร์ของแบรนด์เช่น AMD (ส่วนหลัก), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei หรือ Texas Instrument เป็นผู้ผลิตที่สำคัญในทรานซิสเตอร์ 7nm Global Foundries - เป็นหนึ่งในผู้ผลิตซิลิคอนเวเฟอร์ที่มีลูกค้ามากที่สุดรวมถึง AMD, Qualcomm และอื่น ๆ แต่ในกรณีนี้ มีทรานซิสเตอร์ 12 และ 14 นาโนเมตร Intel: ยักษ์สีน้ำเงิน มีโรงงานโปรเซสเซอร์ของตนเอง ดังนั้นจึงไม่ขึ้นอยู่กับผู้ผลิตรายอื่นในการสร้างผลิตภัณฑ์ บางทีนี่อาจเป็นเหตุผลที่สถาปัตยกรรม 10nm ใช้เวลานานในการพัฒนากับคู่แข่งของ 7nm แต่มั่นใจได้เลยว่าซีพียูเหล่านี้จะโหดเหี้ยม Samsung: บริษัท เกาหลี ยังมีโรงงานซิลิกอนของตนเอง ดังนั้นเราจึงอยู่ในเงื่อนไขเดียวกับ Intel การสร้างโปรเซสเซอร์ของคุณเองสำหรับสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์อื่น ๆ

กฎของมัวร์และขีด จำกัด ทางกายภาพ

ทรานซิสเตอร์กราฟีน

กฎของมัวร์ที่ มีชื่อเสียงบอกเราว่า ทุก ๆ สองปีจำนวนอิเล็กตรอนในไมโครโปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า และความจริงก็คือว่านี่เป็นเรื่องจริงตั้งแต่เริ่มเซมิคอนดักเตอร์ ปัจจุบัน chis ขายพร้อมกับทรานซิสเตอร์ 7nm โดยเฉพาะ AMD ที่มีโปรเซสเซอร์ในการพิมพ์หินสำหรับเดสก์ท็อป, AMD Ryzen 3000 ที่ มีสถาปัตยกรรม Zen 2 เช่นเดียวกันผู้ผลิตเช่น Qualcomm, Samsung หรือ Apple ก็มี โปรเซสเซอร์ 7nm สำหรับอุปกรณ์พกพา

นาโนเมตร 5 นาโนเมตรถูกตั้งค่าเป็นขีด จำกัด ทางกายภาพเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์จากซิลิคอน เราต้องรู้ว่าองค์ประกอบประกอบด้วยอะตอมและสิ่งเหล่านี้มีขนาดที่แน่นอน ทรานซิสเตอร์ทดลองขนาดเล็กที่สุดในโลกวัดได้ 1nm และ ทำจากกราฟีน ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้อะตอมคาร์บอนขนาดเล็กกว่าซิลิคอน

โมเดล Intel Tick-Tock

โมเดล Intel Tick Tock

นี่เป็น รูปแบบที่ผู้ผลิต Intel ได้นำมาใช้ ตั้งแต่ปี 2550 เพื่อสร้างและพัฒนาสถาปัตยกรรมของโปรเซสเซอร์ รุ่นนี้แบ่งออกเป็นสองขั้นตอนซึ่งขึ้นอยู่กับการลดกระบวนการผลิตและปรับสถาปัตยกรรมให้เหมาะสม

ขั้นตอนเห็บเกิดขึ้นเมื่อกระบวนการผลิตลดลง เช่นจาก 22nm ถึง 14nm ในขณะ ที่ขั้นตอน Tock ทำในสิ่งที่รักษากระบวนการผลิตเดียวกันและปรับให้เหมาะสม ในการทำซ้ำครั้งต่อไปแทนที่จะลดนาโนเมตรต่อไป ตัวอย่างเช่น สถาปัตยกรรม 2011 Sandy Bridge เป็น Tock (การปรับปรุงจาก 32nm ของ Nehalem) ในขณะที่ Ivy Bridge เป็น Tick ในปี 2012 (ลดลงเป็น 22nm)

ก่อนหน้าแผนนี้สิ่งที่เขาตั้งใจจะทำคือทำสัญญาหนึ่งปีและเขายังคง Tock แต่เรารู้อยู่แล้วว่ายักษ์สีน้ำเงินได้ ละทิ้งกลยุทธ์นี้ตั้งแต่ปี 2013 ด้วยความต่อเนื่อง 22 nm ใน Haswell และ ย้ายไปที่ 14 nm ใน 2557 ตั้งแต่นั้นมาขั้นตอนทั้งหมดได้รับการ Tock นั่นคือ 14 นาโนเมตรได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง จนกว่าจะถึง Intel Core รุ่นที่ 9 ในปี 2019 คาดว่าในปีเดียวกันนี้หรือต้นปี 2563 จะมีขั้นตอนการทำสัญญาใหม่ด้วยการมาถึงของ 10 นาโนเมตร

ขั้นตอนต่อไป: คอมพิวเตอร์ควอนตัม?

อาจเป็นคำตอบสำหรับข้อ จำกัด ของสถาปัตยกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในการ คำนวณควอนตัม กระบวนทัศน์นี้เปลี่ยนปรัชญาการคำนวณอย่างสมบูรณ์จากจุดเริ่มต้นของคอมพิวเตอร์โดยใช้เครื่องจักรทัวริงเสมอ

คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะไม่ใช้ทรานซิสเตอร์หรือเป็นบิต พวกมันจะกลายเป็นโมเลกุลและอนุภาคและคิว บิต (ควอนตัมบิต) เทคโนโลยีนี้พยายามควบคุมสถานะและความสัมพันธ์ของโมเลกุลในเรื่องโดยใช้อิเล็กตรอนเพื่อให้ได้การทำงานที่คล้ายกับของทรานซิสเตอร์ แน่นอน 1 Qbit ไม่เท่ากับ 1 บิตเลยเนื่องจาก โมเลกุลเหล่านี้สามารถสร้างไม่ได้สอง แต่สามหรือมากกว่ารัฐที่แตกต่างกัน จึงคูณความซับซ้อน แต่ยังความสามารถในการดำเนินการ

แต่สำหรับทั้งหมดนี้เรามีข้อ จำกัด เล็กน้อยเช่น ต้องการอุณหภูมิที่ใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ (-273 ^o C) เพื่อควบคุมสถานะของอนุภาคหรือมีระบบติดตั้งอยู่ภายใต้สุญญากาศ

• สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้โปรดไปที่บทความนี้ซึ่งเราได้ศึกษามาไม่นานเกี่ยวกับตัวประมวลผลควอนตัม

nanometers มีอิทธิพลต่อโปรเซสเซอร์อย่างไร?

เราทิ้งโลกของอิเล็กทรอนิกส์ที่น่าตื่นเต้นและซับซ้อนซึ่งมีเพียงผู้ผลิตและวิศวกรของพวกเขาเท่านั้นที่รู้ว่าพวกเขากำลังทำอะไร ตอนนี้เราจะเห็น ว่ามันมีประโยชน์อะไรที่จะลดนาโนเมตร ของทรานซิสเตอร์สำหรับชิปอิเล็กทรอนิกส์

ทรานซิสเตอร์ 5nm

ความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์สูงขึ้น

ที่สำคัญคือทรานซิสเตอร์พวกเขากำหนดจำนวนของพอร์ตตรรกะและวงจรที่สามารถใส่ภายในซิลิคอนเพียงไม่กี่ตารางมิลลิเมตร เรากำลังพูดถึง ทรานซิสเตอร์เกือบ 3 พันล้านตัวในเมทริกซ์ 174 มม. ² เช่น 14nm Intel i9-9900K ในกรณีของ AMD Ryzen 3000 มี ทรานซิสเตอร์ประมาณ 3.9 พันล้านตัวในอาร์เรย์ 74mm ^{2 ที่} มี 7nm

ความเร็วที่สูงขึ้น

สิ่งนี้ทำให้ ชิป มี พลังการประมวลผลมากขึ้น เนื่องจากสามารถล็อคกับสถานะอื่น ๆ อีกมากมายบนชิปที่มีความหนาแน่นของเซมิคอนดักเตอร์ที่สูงขึ้น ด้วยวิธีนี้ คำแนะนำเพิ่มเติมต่อรอบ จะทำได้หรือสิ่งเดียวกันเรา เพิ่ม IPC ของโปรเซสเซอร์ เช่นถ้าเราเปรียบเทียบโปรเซสเซอร์ Zen + และ Zen 2 ในความเป็นจริง AMD อ้างว่าซีพียูใหม่ได้เพิ่มขึ้น CPI หลักสูงถึง 15% เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า

ประหยัดพลังงานยิ่งขึ้น

โดยการมีทรานซิสเตอร์ที่มีนาโนเมตรน้อยลงปริมาณของอิเล็กตรอนที่ผ่านเข้าไปจะน้อยลง ดังนั้น ทรานซิสเตอร์จึงเปลี่ยนสถานะด้วยแหล่งจ่ายไฟที่ต่ำกว่า ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้อย่างมาก สมมติว่าเราสามารถทำงานเดียวกันโดยใช้พลังงานน้อยลงดังนั้นเราจึงสร้างกำลัง การประมวลผลเพิ่มเติมต่อวัตต์ที่ใช้ไป

สิ่งนี้ สำคัญมากสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ เช่นแล็ปท็อปสมาร์ทโฟน ฯลฯ ข้อได้เปรียบของการมีโปรเซสเซอร์ 7 นาโนเมตรทำให้เรามีโทรศัพท์ที่มีระบบอัตโนมัติที่น่าทึ่งและประสิทธิภาพที่น่าทึ่งด้วย Snapdragon 855 ใหม่ A13 Bionic ใหม่จาก Apple และ Kirin 990 จาก Huawei

ชิปขนาดเล็กและสด

สุดท้าย แต่ไม่ท้ายสุดเรามี ความสามารถในการย่อขนาด ในทำนองเดียวกันกับที่เราสามารถใส่ทรานซิสเตอร์ได้มากขึ้นต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่เราสามารถลดสิ่งนี้ให้ มีชิปขนาดเล็กที่สร้างความร้อนน้อยลง เราเรียกสิ่งนี้ว่า TDP และมันคือความร้อนที่ซิลิคอนสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยประจุที่มากที่สุดระวังไม่ใช่พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ ต้องขอบคุณสิ่งนี้ทำให้เราสามารถทำให้อุปกรณ์มีขนาดเล็กลงและทำให้ร้อนน้อยลงด้วยกำลังการประมวลผลที่เท่ากัน

นอกจากนี้ยังมีข้อเสีย

ก้าวสำคัญทุกก้าวมีความเสี่ยงและสามารถพูดได้เหมือนกันในนาโนเทคโนโลยี การมีทรานซิสเตอร์ที่มีนาโนเมตรน้อยลงทำให้ กระบวนการผลิตทำได้ยาก ขึ้น เราต้องการวิธีการทางเทคนิคขั้นสูงหรือแพงมากขึ้นและ จำนวนความล้มเหลวเพิ่มขึ้น อย่างมาก ตัวอย่างที่ชัดเจนคือประสิทธิภาพต่อเวเฟอร์ของชิปที่ถูกต้องลดลงใน Ryzen 3000 ใหม่ในขณะที่ Zen + 12 nm เรามีประมาณ 80% ของชิปที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ต่อเวเฟอร์ใน Zen 2 เปอร์เซ็นต์นี้จะลดลงเป็น 70%.

ในทำนองเดียวกัน ความสมบูรณ์ของโปรเซสเซอร์ก็ลด ลงเช่นกันดังนั้นจึงต้องใช้ระบบพลังงานที่เสถียรกว่าและมีคุณภาพสัญญาณที่ดีขึ้น นั่นคือเหตุผลที่ผู้ผลิตในบอร์ดชิปเซ็ต AMD X570 ใหม่ได้รับการดูแลเป็นพิเศษในการสร้าง VRM ที่มีคุณภาพ

ข้อสรุปเกี่ยวกับนาโนเมตร

ดังที่เราเห็นเทคโนโลยีก้าวล้ำโดย leaps และขอบเขตแม้ว่าในไม่กี่ปีเราจะพบกระบวนการผลิตที่จะอยู่ในขอบเขตทางกายภาพของวัสดุที่ใช้กับทรานซิสเตอร์ที่มีขนาด 3 หรือ 1 นาโนเมตร อะไรจะเกิดขึ้นต่อไป แน่นอนเราไม่ทราบเพราะ เทคโนโลยีควอนตัมเป็นสีเขียวมาก และเป็นไปไม่ได้ในการสร้างคอมพิวเตอร์ดังกล่าวนอกสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการ

สิ่งที่เราจะได้ในตอนนี้คือการดูว่าในกรณีนี้จำนวนแกนเพิ่มขึ้นมากขึ้นหรือวัสดุเช่น กราฟีน ที่ยอมรับความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์สำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สูงขึ้น

เราจะทำให้คุณมีบทความที่น่าสนใจอื่น ๆ:

คุณคิดว่าเราจะได้เห็นโปรเซสเซอร์ 1nm หรือไม่? คุณมีโปรเซสเซอร์อะไร เราหวังว่าบทความน่าสนใจบอกเราว่าคุณคิดอย่างไร