I verden av datamaskinbrikker er større tall generelt bedre. Flere kjerner, høyere GHz, større FLOP fra ingeniører og brukere. Men det er ett mål som er hete nyheter akkurat nå, og jo mindre jo bedre. Men hva er det egentlig, og hvorfor er det så viktig? Hvorfor måles det i nanometer, og hvorfor skal vi over Sesame Street og bringe denne artikkelen til deg med tallene 10, 7 og 5? La oss ta en reise inn i en verden av beregningsnoder ...

Før du utforsker noe, er det verdt å bruke litt tid på å gjennomgå vårt endelige blikk på CPU-arkitektur. I den første delen, grunnleggende arkitektur for prosessorer og i andre del, ingeniører planlegger og designer dem.

Hoveddelen av denne artikkelen er en forklaring på hvordan datamaskinbrikker er fysisk satt sammen. Hvis du vil ha en grundig forståelse av produksjonsprosessen, vil du lese fotolitografiseksjonen nøye. Vi vil fokusere mer på dette punktet som kort er nevnt i denne funksjonen:

En av de største markedsføringsbetingelsene knyttet til brikkeproduksjon er funksjonsstørrelse.




I chipindustrien, funksjonsstørrelse, beregne node. Som vi nevnte Hvordan designe prosessorer, del 3, Dette er et ganske løst begrep, ettersom forskjellige produsenter bruker uttrykket for å beskrive forskjellige aspekter av brikken, men ikke så lenge siden med henvisning til det minste gapet mellom to seksjoner av en transistor.




I dag er det mer et markedsføringsuttrykk og ikke veldig nyttig for å sammenligne produksjonsmetoder. Imidlertid er transistoren et kritisk trekk ved enhver prosessor fordi gruppene håndterer alle antallet knitrer og datalagring laget i brikken, og en mindre prosesseringsknute fra samme produsent er høyst ønskelig. Det åpenbare spørsmålet som skal stilles her Hvorfor?

Ingenting skjer umiddelbart i prosessorens verden, og det skjer heller ikke uten å kreve en elektrisk strømkilde. Større komponenter tar lengre tid å endre tilstand, signaler tar lengre tid å reise, og det kreves mer energi for å føre strøm til prosessoren. Uten å prøve å lage en stor lyd, tar større komponenter mer fysisk plass, så sjetongene er større.







På bildet ovenfor ser vi på tre eldre Intel-prosessorer. Fra venstre er det en 2006 Celeron, en 2004 Pentium M og en virkelig gammel Pentium fra 1995. Det er en prosessnode på henholdsvis 65, 90 og 350 nm. Med andre ord, kritiske brikker i den 24 år gamle designen er 5 ganger større enn den 13 år gamle designen. En annen viktig forskjell er at den nye brikken inneholder 290 millioner transistorer, mens den opprinnelige Pentium er på litt over 3 millioner; nesten hundrevis av ganger mindre.

Selv om reduksjonen i prosesseringsnoden er en del av grunnen til at den nyere designen er fysisk mindre og har flere transistorer, spiller den en viktig rolle i Intels evne til å levere den.




Men den virkelige suksessen: Celeron genererer bare omtrent 30 W varme sammenlignet med Pentiums 12 W. Denne varmen skyldes energitap på grunn av forskjellige prosesser og energi når elektrisitet skyves rundt kretser i brikken. de aller fleste frigjøres som varme. Ja, 30 er et større antall enn 12, men husk at brikken har omtrent 100 ganger flere transistorer.

Så hvis fordelene med å ha en mindre beregningsnode resulterer i mindre sjetonger, avslører det flere transistorer som kan bytte raskere - noe som gjør flere beregninger per sekund - og hvis det mister mindre energi som varme, ber det et annet spørsmål: Hvorfor bruker ikke hver brikke i verden den minste mulige beregningsknuten??

La det bli lys!

På dette punktet, fotolitografi: lys, Lys maskeblokkerer lys i noen områder og gjennomsiktig i andre. Lyset der det passerer blir deretter fokusert på et lite sted og reagerer deretter med et spesielt lag som brukes til fremstilling av brikken for å avgjøre hvor de forskjellige delene vil være.




Tenk på det som en røntgen av hånden din: bein blokkerer stråler, fungerer som en fotomaske, mens du produserer et bilde av håndens indre struktur.

Bildekilde: Peellden, Wikimedia Commons

Lys brukes faktisk ikke - det er for stort selv for sjetonger som det gamle Pentium. Du lurer kanskje på hvordan lys i verden kan ha hvilken som helst størrelse, men bølgelengde. Lys, elektromagnetisk bølgedet er en kontinuerlig syklisk blanding av elektriske og magnetiske felt.

Selv om vi bruker en klassisk sinusbølge for å visualisere form, har ikke elektromagnetiske bølger egentlig noen form. Dette er mer en situasjon der effekten de gir når de samhandler med noe følger det mønsteret. Bølgelengden til dette sykliske mønsteret er den fysiske avstanden mellom to identiske punkter: bildet er hvor langt borte fra disse bølgene er, mens havbølgene ruller inn i en strand. Elektromagnetiske bølger har et bredt spekter av mulige bølgelengder, så ta dem sammen og spektrum.

Liten mindre minste

På bildet nedenfor kan vi se at det vi kaller lys bare er en liten del av dette spekteret. Det er andre kjente navn: radiobølger, mikrobølger, røntgenstråler, etc. Vi kan også se noen tall for bølgelengder; lyset er et sted rundt 10-7 meter eller omtrent 0,000004 tommer!

Forskere og ingeniører foretrekker å bruke en litt annen metode for å beskrive små lengder og nanometer eller nm for kort. Hvis vi ser på den utvidede delen av spekteret, kan vi se at lyset faktisk varierer fra 380 nm til 750 nm.

Bildekilde: Philip Ronan, Gringer

Ta tilbake denne artikkelen og les delen om den gamle Celeron-brikken på nytt - den ble produsert i en 65 nm prosessnode. Så hvordan kan man lage små lysbiter? Enkelt: Fotolitografiprosessen brukte ikke lys, den brukte ultrafiolett lys (aka UV).

I spektrumgrafen starter UV rundt 380 nm (der lyset ender) og krymper ned til ca 10 nm. Produsenter som Intel, TSMC og GlobalFoundries EUV (ekstrem UV) er omtrent 190 nm i størrelse. Denne lille bølgen betyr ikke bare at komponentene i seg selv kan opprettes mindre, men deres generelle kvalitet kan potensielt være bedre. Dette gjør at de forskjellige delene kan pakkes tettere sammen og bidrar til å redusere den totale størrelsen på brikken.

Ulike selskaper tilbyr forskjellige navn for beregningsnodeskalaen de bruker. TSMC sier ganske enkelt "10FF" mens Intel sier at det nyeste for publikum er P1274 eller "10 nm". Prosessordesignere som AMD Lage oppsett og strukturer stole på TSMCs liker for mindre prosessnoder og deretter oppgradere "7 nm" produksjonslinjer med høyt volum tidligere i år. På denne produksjonsskalaen er noen av de minste funksjonene bare 6 nm (men de fleste er større enn det).

For å forstå hvor små 6 nm egentlig er, plasseres silisiumatomene som utgjør massen til prosessoren omtrent 0,5 nm fra hverandre, med atomene i seg selv omtrent 0,1 nm i diameter. Således, som en basketballbanefigur, håndterer TSMCs fabrikker aspekter av en transistor som spenner over mindre enn 10 silisiumatomer i bredden.

Vanskeligheter med å målrette atomer

Med unntak av det utenkelige faktum at chipprodusenter jobber mot egenskaper som bare er en håndfull atomer, har EUV-fotolitografi skapt en rekke alvorlige tekniske og produksjonsproblemer.

Intel har spesielt slitt med GlobalFoundries for å bringe 10 nm produksjon til en 14 nm og det samme som i fjor. stoppet all utvikling Selv om problemene med Intel og GF, 7 nm og mindre produksjonssystemer, ikke er forårsaket av de iboende problemene med EUV-fotolitografi, kan de ikke være helt uavhengige.

Jo kortere bølgelengden til en elektromagnetisk bølge er, jo mer energi bærer den, noe som gir et større potensial for skade på den genererte brikken; meget liten skala produksjon er svært utsatt for forurensning og defekter i materialene som brukes. Andre problemer, for eksempel diffraksjonsgrenser og statistisk støy (naturlig variasjon der energien overført av EUV-bølgen akkumuleres i chip-laget), konspirerer også mot målet om å oppnå 100% perfekte chips.

To produksjonsfeil i en brikke. Kilde: Solid State-teknologi

Det er også antagelsen at strømmen av elektrisitet og energioverføring i den merkelige verden av atomer ikke lenger kan følge klassiske systemer og regler. Å holde elektrisitet i form av bevegelige atomer (en av de tre partiklene som utgjør atomene) er relativt enkelt å strømme lederne tett sammen, i avstand fra hverandre, på skalaen vi er vant til - vikle lederne med et tykt lag isolasjon.

På nivået der Intel og TSMC jobber, er dette mye vanskeligere å oppnå fordi isolasjonen ikke er veldig tykk nok. Foreløpig er imidlertid produksjonsproblemene nesten helt relatert til de iboende problemene med EUV-fotolitografi, så det vil ta noen år før vi kan begynne å diskutere Nvidias kvanteoppførsel bedre enn AMD eller annet lignende tull!

Fordi det virkelige problemet er den ultimate årsaken til produksjonsvansker, Intel, TSMC og alle deres produsenter. bedrifterog de retter seg bare mot atomene for fremtidig inntekt. I jobbforskningsoppgave MentorFølgende oversikt for hvor mye mer som er presentert wafer kostnad for mindre prosessnoder.

For eksempel, forutsatt at prosessnoden på 28 nm er den samme som Intel bruker til å produsere prosessorer i Haswell-serien (som Core i7-4790K), koster 10 nm-systemet nesten dobbelt så mye per wafer. Antall sjetonger hver wafer kan produsere avhenger i stor grad av størrelsen på hver brikkeMen å gå med en mindre transaksjonsskala betyr at en wafer potensielt kan få inn flere sjetonger for å selge og bidrar til å kompensere for økningen i kostnader. Til slutt vil mye av denne kostnaden bli redusert til forbrukeren ved å øke produktets utsalgspris, men dette må balanseres mot industriens etterspørsel.

Økningen i smarttelefonsalg de siste årene, med en nesten eksponentiell vekst i smart teknologi i hjem og biler, betyr at chipprodusenter har måttet absorbere det økonomiske slaget fra å gå til mindre beregningsnoder til hele systemet modnes. Nok til å kutte vafler med høy gjennomstrømning (dvs. de som inneholder så få feil som mulig) ved høye volumer. Gitt hva vi snakker om milliarder av Det er en risikofylt virksomhet og en god del av grunnen til at GlobalFoundries redder seg fra databladet.

Fremtidsutsikter

Hvis alt dette høres litt apokalyptisk ut og lyd, må vi huske at den nærmeste fremtiden ser positiv ut. Ikke bare kjører Samsung og TSMC sine 7nm produksjonslinjer med en sunn margin når det gjelder volum og inntekt, men deres chipdesignere planlegger også å gå videre ved å bruke flere noder i produktene. Nylig har det mest bemerkelsesverdige eksemplet på dette vært AMDs nylig utgitte chipdesign. 3. generasjon Ryzen CPU'lar.

Denne avanserte stasjonære PC-prosessoren vil være to chips produsert i TSMCs 7 nm-node og en 14 nm-chip produsert av GlobalFoundries. Den første vil være de faktiske prosessordelene, den andre vil behandle DDR4-minne og PCI Express-enheter som er koblet til CPUen. Forutsatt at denne designen fungerer etter hensikten (og det er ingen grunn til å tvile på at den skal være), vil vi se nesten flere selskaper som følger dette multi-node-oppsettet.

Bildet over viser endringene i Intels beregningsknute de siste 50 årene. Den vertikale aksen viser nodestørrelsen med en faktor på 10, og starter ved 10 000 nm fra toppen. Chipgiganten fulgte en grov knutehalveringstid på 4,5 år (tiden det tok å halvere nodestørrelsen hver gang).

Så betyr det at vi skal se 5 nm Intel innen 2025? Sannsynligvis ja, til tross for deres siste snubling med 10 nm. Samsung og TSMC utvikler seg Takket være 5 nm forskning er det bra for enhver fremtidig prosessor.

Ved å bruke mindre energi blir de mindre og raskere og gir mer ytelse. De vil føre til helt autonome biler, smartklokker med strøm og batterilevetid til nåværende smarttelefoner og grafikk i spill utover noe som er sett i millioner av dollarfilmer for et tiår siden.

Fremtiden er virkelig lys fordi den kommer liten.