Nanomet: chúng là gì và chúng ảnh hưởng đến cpu của chúng ta như thế nào

Bạn đã bao giờ nghe nói về nanomet của bộ xử lý chưa? Vâng, trong bài viết này, chúng tôi sẽ nói với bạn tất cả về biện pháp này. Và quan trọng nhất, ảnh hưởng của nanomet đối với chip điện tử và các yếu tố khác nhau mà chúng ta đề cập đến với các phép đo này.

Các nanomet là gì

Chúng ta hãy bắt đầu chính xác bằng cách xác định nanomet là gì, bởi vì thực tế đơn giản này sẽ mang lại nhiều trò chơi không chỉ cho máy tính, mà còn trong sinh học và các ngành khoa học khác mà nghiên cứu.

Nanomet (nm) là thước đo chiều dài là một phần của Hệ thống quốc tế (SI). Nếu chúng ta coi rằng đồng hồ là đơn vị tiêu chuẩn hoặc cơ bản trên thang đo, thì một nanomet là một phần tỷ của một mét hoặc sẽ là như nhau:

Theo nghĩa dễ hiểu đối với một con người bình thường, thứ gì đó đo được nanomet, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy nó qua kính hiển vi điện tử công suất cao. Ví dụ, một sợi tóc của con người có thể có đường kính khoảng 80.000 nanomet, vì vậy hãy tưởng tượng một thành phần điện tử nhỏ đến mức nào chỉ 14nm.

Biện pháp này luôn tồn tại, điều đó là hiển nhiên, nhưng đối với cộng đồng phần cứng, nó đã có một sự liên quan đặc biệt trong những năm gần đây. Do sự cạnh tranh mạnh mẽ của các nhà sản xuất để tạo ra các mạch tích hợp dựa trên các chất bán dẫn hoặc bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn.

Các bóng bán dẫn

Transitor và sơ đồ điện tử

Bạn có thể đã nghe nói chuyện thụ động và chủ động về các bóng bán dẫn của bộ xử lý. Chúng ta có thể nói rằng một bóng bán dẫn là yếu tố nhỏ nhất có thể được tìm thấy trong một mạch điện tử, tất nhiên, tránh các điện tử và năng lượng điện.

Transitor là các phần tử được làm từ vật liệu bán dẫn như Silicon hoặc Germanium. Nó là một yếu tố có thể hoạt động như một chất dẫn điện hoặc là chất cách điện của chúng, tùy thuộc vào các điều kiện vật lý mà nó phải chịu. Ví dụ, từ trường, nhiệt độ, bức xạ, v.v. Và tất nhiên với một điện áp nhất định, là trường hợp của các bóng bán dẫn của CPU.

Các bóng bán dẫn có mặt trong tất cả các mạch tích hợp tồn tại ngày nay. Tầm quan trọng to lớn của nó nằm ở những gì nó có thể làm: tạo tín hiệu đầu ra để đáp ứng với tín hiệu đầu vào, nghĩa là cho phép hoặc không cho dòng điện đi qua một kích thích, do đó tạo ra mã nhị phân (1 dòng, 0 không hiện hành).

Cổng logic và mạch tích hợp

Cổng NAND

Thông qua một quy trình in thạch bản, có thể tạo ra các mạch có cấu trúc nhất định được tạo thành từ một số bóng bán dẫn để tạo thành các cổng logic. Cổng logic là đơn vị tiếp theo đằng sau bóng bán dẫn, một thiết bị điện tử có khả năng thực hiện một chức năng logic hoặc boolean nhất định. Với một vài bóng bán dẫn được liên kết theo cách này hay cách khác, chúng ta có thể thêm, trừ và tạo các cổng SI, AND, NAND, OR, KHÔNG, v.v. Đây là cách logic được đưa ra cho một thành phần điện tử.

Đây là cách các mạch tích hợp được tạo ra, với sự nối tiếp của các bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện có khả năng hình thành cái mà ngày nay gọi là chip điện tử.

Kỹ thuật in thạch bản hoặc quang khắc

Tấm wafer silicon

Kỹ thuật in thạch bản là cách để chế tạo những con chip điện tử cực kỳ nhỏ này, cụ thể là nó có nguồn gốc từ tên của quang khắc và sau đó là kỹ thuật nano, vì kỹ thuật này trong thời kỳ đầu của nó đã được sử dụng để khắc nội dung trên đá hoặc kim loại.

Những gì hiện đang được thực hiện là sử dụng một kỹ thuật tương tự để tạo ra chất bán dẫn và mạch tích hợp. Để làm điều này, các tấm silicon dày nanomet được sử dụng, thông qua các quá trình dựa trên sự tiếp xúc với ánh sáng của một số thành phần nhất định và sử dụng các hợp chất hóa học khác, có khả năng tạo ra các mạch có kích thước siêu nhỏ. Đổi lại, các tấm wafer này được xếp chồng lên nhau cho đến khi chúng có được một con chip 3D phức tạp.

Các bóng bán dẫn hiện tại có bao nhiêu nanomet?

Các bộ xử lý dựa trên chất bán dẫn đầu tiên xuất hiện vào năm 1971 bởi Intel với 4004 cải tiến. Nhà sản xuất đã quản lý để tạo ra các bóng bán dẫn 10.000nm, hoặc 10 micromet, do đó có tới 2.300 bóng bán dẫn trên chip.

Do đó, bắt đầu cuộc đua giành quyền tối cao trong công nghệ vi mô, hiện đang nổi tiếng về công nghệ nano. Năm 2019, chúng tôi có chip điện tử với quy trình sản xuất 14nm đi kèm với kiến ​​trúc Broadwel của Intel, 7nm, với kiến ​​trúc Zen 2 của AMD và thậm chí các thử nghiệm 5nm đang được IBM và các nhà sản xuất khác thực hiện. Để chúng ta đặt mình vào một tình huống, một bóng bán dẫn 5nm sẽ chỉ lớn hơn 50 lần so với đám mây điện tử của một nguyên tử. Một vài năm trước, người ta đã có thể tạo ra một bóng bán dẫn 1nm, mặc dù đây là một quá trình thử nghiệm hoàn toàn.

Bạn có nghĩ rằng tất cả các nhà sản xuất làm cho chip của riêng họ? Chà, sự thật là không, và trên thế giới, chúng ta có thể tìm thấy bốn cường quốc chuyên sản xuất chip điện tử.

• TSMC: Công ty công nghệ vi mô này là một trong những nhà lắp ráp chip hàng đầu thế giới. Trên thực tế, nó làm cho các bộ xử lý từ các thương hiệu như AMD (phần cốt lõi), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei hoặc Texas Cụ. Đây là nhà sản xuất chính trong bóng bán dẫn 7nm. Global Foundries - Đó là một trong những nhà sản xuất wafer silicon có nhiều khách hàng nhất, bao gồm AMD, Qualcomm và những người khác. Nhưng trong trường hợp này với các bóng bán dẫn 12 và 14nm trong số những người khác. Intel: Người khổng lồ xanh có nhà máy xử lý riêng, vì vậy nó không phụ thuộc vào các nhà sản xuất khác để tạo ra sản phẩm của mình. Có lẽ đây là lý do tại sao kiến ​​trúc 10nm đang mất quá nhiều thời gian để phát triển so với các đối thủ 7nm của nó. Nhưng hãy yên tâm rằng những CPU này sẽ tàn bạo. Samsung: Công ty Hàn Quốc cũng có nhà máy sản xuất silicon của riêng mình, vì vậy chúng tôi có cùng điều khoản với Intel. Tạo bộ xử lý của riêng bạn cho điện thoại thông minh và các thiết bị khác.

Định luật Moore và giới hạn vật lý

Transitor graphene

Định luật Moore nổi tiếng cho chúng ta biết rằng cứ sau hai năm số lượng electron trong bộ vi xử lý lại tăng gấp đôi và sự thật là điều này đã đúng từ khi bắt đầu bán dẫn. Hiện tại, chis được bán với bóng bán dẫn 7nm, cụ thể AMD có bộ xử lý in thạch bản cho máy tính để bàn, AMD Ryzen 3000 với kiến ​​trúc Zen 2. Tương tự, các nhà sản xuất như Qualcomm, Samsung hay Apple, cũng có Bộ xử lý 7nm cho thiết bị di động.

Các nanomet 5nm được đặt làm giới hạn vật lý để tạo ra một bóng bán dẫn dựa trên Silicon. Chúng ta phải biết rằng các nguyên tố được tạo thành từ các nguyên tử và chúng có kích thước nhất định. Các bóng bán dẫn thử nghiệm nhỏ nhất thế giới đo 1nm và được làm bằng graphene, một vật liệu dựa trên các nguyên tử carbon nhỏ hơn nhiều so với silicon.

Mô hình Tick-Tock của Intel

Mô hình Intel Tock

Đây là mô hình mà nhà sản xuất Intel đã áp dụng từ năm 2007 để tạo và phát triển kiến ​​trúc của bộ xử lý. Mô hình này được chia thành hai bước dựa trên việc giảm quá trình sản xuất, sau đó tối ưu hóa kiến ​​trúc.

Bước Tick xảy ra khi quá trình sản xuất giảm, ví dụ từ 22nm xuống 14nm. Trong khi bước Tock, những gì nó làm là duy trì quy trình sản xuất tương tự và tối ưu hóa nó trong lần lặp tiếp theo thay vì giảm thêm nanomet. Ví dụ, kiến trúc Sandy Bridge 2011 là Tock (một cải tiến từ 32nm của Nehalem), trong khi cầu Ivy là Tick năm 2012 (giảm xuống còn 22nm).

Một tiên nghiệm, kế hoạch này mà anh dự định sẽ tạo ra một năm Tick và anh tiếp tục Tock, nhưng chúng tôi đã biết rằng người khổng lồ xanh đã từ bỏ chiến lược này từ năm 2013 với việc tiếp tục 22nm ở Haswell và chuyển sang 14nm trong 2014. Kể từ đó, toàn bộ bước đã là Tock, nghĩa là, 14nm đã tiếp tục được tối ưu hóa cho đến khi đạt đến Intel Core thế hệ thứ 9 vào năm 2019. Dự kiến ​​trong cùng năm hoặc đầu năm 2020, sẽ có một bước Tick mới với sự xuất hiện của 10nm.

Bước tiếp theo: máy tính lượng tử?

Có thể câu trả lời cho những hạn chế của kiến ​​trúc dựa trên chất bán dẫn nằm ở điện toán lượng tử. Mô hình này thay đổi hoàn toàn triết lý tính toán từ khi bắt đầu máy tính, luôn dựa trên máy Turing.

Một máy tính lượng tử sẽ không dựa trên các bóng bán dẫn, cũng như các bit. Chúng sẽ trở thành các phân tử và hạt và Qbits (bit lượng tử). Công nghệ này cố gắng kiểm soát trạng thái và mối quan hệ của các phân tử trong vật chất bằng các điện tử để có được hoạt động tương tự như của bóng bán dẫn. Tất nhiên, 1 Qbit hoàn toàn không bằng 1 bit, vì các phân tử này có thể tạo ra không phải hai, mà là ba hoặc nhiều trạng thái khác nhau, do đó nhân lên độ phức tạp, nhưng cũng có khả năng thực hiện các hoạt động.

Nhưng đối với tất cả điều này, chúng tôi có một số hạn chế nhỏ, chẳng hạn như cần nhiệt độ gần bằng 0 tuyệt đối (-273 ^o C) để kiểm soát trạng thái của các hạt hoặc hệ thống được gắn trong chân không.

• Để biết thêm thông tin về tất cả những điều này, hãy truy cập bài viết này mà chúng tôi đã nghiên cứu trước đây về bộ xử lý lượng tử là gì.

Làm gì nanomet ảnh hưởng đến bộ xử lý?

Chúng tôi bỏ lại đằng sau thế giới điện tử thú vị và phức tạp này, trong đó chỉ có các nhà sản xuất và kỹ sư của họ thực sự biết họ đang làm gì. Bây giờ chúng ta sẽ thấy những lợi ích của nó để giảm nanomet của bóng bán dẫn cho chip điện tử.

Transitor 5nm

Mật độ bóng bán dẫn cao hơn

Chìa khóa là bóng bán dẫn, họ xác định số lượng cổng và mạch logic có thể được đặt bên trong một silicon chỉ có vài milimet vuông. Chúng ta đang nói về gần 3 tỷ bóng bán dẫn trong ma trận 174 mm ² như Intel i9-9900K 14nm. Trong trường hợp AMD Ryzen 3000, khoảng 3, 9 tỷ bóng bán dẫn trong một mảng 74mm ² với 7nm.

Tốc độ cao hơn

Những gì nó làm là cung cấp cho chip sức mạnh xử lý nhiều hơn, vì nó có khả năng khóa với nhiều trạng thái hơn trên chip có mật độ chất bán dẫn cao hơn. Theo cách này, sẽ đạt được nhiều hướng dẫn hơn cho mỗi chu kỳ hoặc tương tự, chúng tôi nâng IPC của bộ xử lý, ví dụ như nếu chúng ta so sánh bộ xử lý Zen + và Zen 2. Trên thực tế, AMD tuyên bố rằng CPU mới của họ đã tăng CPI cơ bản lên tới 15% so với thế hệ trước.

Hiệu quả năng lượng cao hơn

Bằng cách có các bóng bán dẫn với ít nanomet hơn, lượng electron truyền qua chúng ít hơn. Do đó, các bóng bán dẫn thay đổi trạng thái với nguồn cung cấp năng lượng thấp hơn, vì vậy điều này cải thiện đáng kể hiệu quả năng lượng. Vì vậy, giả sử chúng ta có thể làm cùng một công việc với ít năng lượng hơn, vì vậy chúng ta sẽ tạo ra nhiều công suất xử lý hơn cho mỗi watt tiêu thụ.

Điều này rất quan trọng đối với các thiết bị chạy bằng pin, chẳng hạn như máy tính xách tay, điện thoại thông minh, v.v. Lợi thế của việc có bộ xử lý 7nm, đã giúp chúng tôi có những chiếc điện thoại có khả năng tự chủ đáng kinh ngạc và hiệu năng ngoạn mục với Snapdragon 855 mới, A13 Bionic mới của Apple và Kirin 990 của Huawei.

Chip nhỏ hơn và tươi hơn

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, chúng tôi có khả năng thu nhỏ. Theo cùng một cách mà chúng ta có thể đặt nhiều bóng bán dẫn trên một đơn vị diện tích, chúng ta cũng có thể giảm điều này để có các chip nhỏ hơn tạo ra ít nhiệt hơn. Chúng tôi gọi đây là TDP, và đó là nhiệt mà silicon có thể tạo ra với điện tích tối đa, hãy cẩn thận, nó không phải là năng lượng điện mà nó tiêu thụ. Nhờ vào điều này, chúng ta có thể làm cho các thiết bị nhỏ hơn và nóng lên ít hơn có cùng sức mạnh xử lý.

Cũng có nhược điểm

Mỗi bước tiến lớn đều có những rủi ro của nó, và điều tương tự cũng có thể nói trong công nghệ nano. Có các bóng bán dẫn ít nanomet hơn, làm cho quá trình sản xuất khó thực hiện hơn nhiều. Chúng tôi cần các phương tiện kỹ thuật tiên tiến hơn hoặc đắt tiền hơn, và số lượng thất bại tăng đáng kể. Một ví dụ rõ ràng là hiệu suất trên mỗi wafer của các chip chính xác đã giảm trong Ryzen 3000 mới. Trong khi ở Zen + 12nm, chúng tôi có khoảng 80% chip hoạt động hoàn hảo trên mỗi wafer, trong Zen 2, tỷ lệ này sẽ giảm xuống 70%.

Tương tự, tính toàn vẹn của bộ xử lý cũng bị tổn hại, do đó đòi hỏi hệ thống năng lượng ổn định hơn và chất lượng tín hiệu tốt hơn. Đó là lý do tại sao các nhà sản xuất trong bo mạch chipset AMD X570 mới đã đặc biệt quan tâm trong việc tạo ra một VRM chất lượng.

Kết luận về nanomet

Như chúng ta có thể thấy, công nghệ tiến bộ nhờ những bước nhảy vọt, mặc dù trong một vài năm, chúng ta sẽ tìm thấy các quy trình sản xuất đã ở giới hạn vật lý của các vật liệu được sử dụng với bóng bán dẫn thậm chí là 3 hoặc 1 nanomet. Điều gì sẽ tiếp theo? Chà, chúng tôi chắc chắn không biết, vì công nghệ lượng tử rất xanh và thực tế không thể chế tạo một máy tính như vậy bên ngoài môi trường phòng thí nghiệm.

Những gì chúng ta sẽ có bây giờ là để xem trong trường hợp như vậy, số lượng lõi được tăng lên nhiều hơn hay các vật liệu như graphene thừa nhận mật độ bóng bán dẫn cao hơn cho các mạch điện tử bắt đầu được sử dụng.

Không cần phải quảng cáo thêm, chúng tôi để lại cho bạn các bài viết thú vị khác:

Bạn có nghĩ rằng chúng ta sẽ thấy bộ xử lý 1nm không? Bạn có bộ xử lý nào? Chúng tôi hy vọng bài viết này thú vị, cho chúng tôi biết những gì bạn nghĩ.