Nanometer: Was sie sind und wie sie unsere CPU beeinflussen

Haben Sie jemals von Nanometern eines Prozessors gehört ? Nun, in diesem Artikel werden wir Ihnen alles über diese Maßnahme erzählen. Und vor allem, welchen Einfluss haben Nanometer auf elektronische Chips und die verschiedenen Elemente, auf die wir uns bei diesen Messungen beziehen.

Was ist der Nanometer?

Beginnen wir genau damit, zu definieren, was Nanometer sind, denn diese einfache Tatsache wird nicht nur für das Rechnen, sondern auch für die Biologie und die anderen Wissenschaften, die für das Studium von Bedeutung sind, viel Spielraum bieten.

Der Nanometer (nm) ist ein Längenmaß, das Teil des Internationalen Systems (SI) ist. Wenn wir bedenken, dass der Zähler die Standard- oder Grundeinheit auf der Skala ist, ist ein Nanometer ein Milliardstel eines Zählers oder was wäre das gleiche:

Für einen normalen Menschen verständlich, etwas, das einen Nanometer misst, können wir es nur durch ein leistungsstarkes Elektronenmikroskop sehen. Zum Beispiel kann ein menschliches Haar einen Durchmesser von ungefähr 80.000 Nanometern haben. Stellen Sie sich also vor, wie klein eine elektronische Komponente ist, die nur 14 nm beträgt.

Es ist offensichtlich, dass diese Maßnahme immer existiert hat, aber für die Hardware-Community hatte sie in den letzten Jahren eine besondere Relevanz. Aufgrund des starken Wettbewerbs der Hersteller um integrierte Schaltkreise auf der Basis immer kleinerer Halbleiter oder Transistoren.

Der Transistor

Transistor und elektronischer Schaltplan

Sie haben wahrscheinlich passives und aktives Sprechen über die Transistoren eines Prozessors gehört. Wir können sagen, dass ein Transistor das kleinste Element ist, das in einer elektronischen Schaltung zu finden ist, wobei natürlich Elektronen und elektrische Energie vermieden werden.

Transistoren sind Elemente aus Halbleitermaterial wie Silizium oder Germanium. Es ist ein Element, das sich je nach den physikalischen Bedingungen, denen es ausgesetzt ist, als elektrischer Leiter oder als Isolator davon verhalten kann. Zum Beispiel ein Magnetfeld, Temperatur, Strahlung usw. Und natürlich mit einer bestimmten Spannung, wie es bei den Transistoren einer CPU der Fall ist.

Der Transistor ist in absolut allen heute existierenden integrierten Schaltkreisen vorhanden. Seine enorme Bedeutung liegt in der Fähigkeit, ein Ausgangssignal als Reaktion auf ein Eingangssignal zu erzeugen, dh den Stromdurchgang vor einem Stimulus zuzulassen oder nicht, wodurch der Binärcode (1 Strom, 0) erzeugt wird nicht aktuell).

Logikgatter und integrierte Schaltkreise

NAND-Ports

Durch einen Lithographieprozess ist es möglich, Schaltungen mit einer bestimmten Struktur aus mehreren Transistoren zu erzeugen, um die Logikgatter zu bilden. Ein Logikgatter ist die nächste Einheit hinter dem Transistor, ein elektronisches Gerät, das eine bestimmte logische oder boolesche Funktion ausführen kann. Mit ein paar Transistoren, die auf die eine oder andere Weise verbunden sind, können wir SI-, AND-, NAND-, OR-, NOT- usw. Gates hinzufügen, subtrahieren und erstellen. So wird einer elektronischen Komponente Logik gegeben.

Auf diese Weise werden integrierte Schaltkreise mit einer Abfolge von Transistoren, Widerständen und Kondensatoren erzeugt, die in der Lage sind, sogenannte elektronische Chips zu bilden.

Lithographie oder Fotolithographie

Siliziumwafer

Die Lithographie ist der Weg, um diese extrem kleinen elektronischen Chips zu bauen, insbesondere im Namen der Fotolithographie und dann der Nanolithographie, da diese Technik in ihren Anfängen verwendet wurde, um Inhalte auf Steinen oder Metallen zu gravieren.

Derzeit wird mit einer ähnlichen Technik Halbleiter und integrierte Schaltkreise hergestellt. Zu diesem Zweck werden nanometerdicke Siliziumwafer verwendet, die durch Verfahren, die auf der Belichtung bestimmter Komponenten mit Licht und der Verwendung anderer chemischer Verbindungen beruhen, Schaltungen mit mikroskopischen Größen erzeugen können. Diese Wafer werden wiederum gestapelt, bis sie einen verdammt komplexen 3D-Chip erhalten.

Wie viele Nanometer haben Stromtransistoren?

Die ersten halbleiterbasierten Prozessoren wurden 1971 von Intel mit dem innovativen 4004 vorgestellt. Dem Hersteller gelang es, 10.000-nm-Transistoren oder 10 Mikrometer zu erstellen, wodurch bis zu 2.300 Transistoren auf einem Chip vorhanden waren.

So begann der Wettlauf um die Vormachtstellung in der Mikrotechnik, die derzeit für Nanotechnologie bekannt ist. Im Jahr 2019 haben wir elektronische Chips mit einem 14-nm-Herstellungsprozess, der mit Intels Broadwel-Architektur (7 nm) und AMDs Zen 2-Architektur geliefert wurde, und sogar 5-nm-Tests werden von IBM und anderen Herstellern durchgeführt. Um uns in eine Situation zu bringen, wäre ein 5-nm-Transistor nur 50-mal größer als die Elektronenwolke eines Atoms. Bereits vor einigen Jahren war es möglich, einen 1-nm-Transistor herzustellen, obwohl es sich um einen rein experimentellen Prozess handelt.

Denken Sie, dass alle Hersteller ihre eigenen Chips herstellen? Nun, die Wahrheit ist, dass nein, und in der Welt können wir vier Großmächte finden, die sich der Herstellung elektronischer Chips widmen.

• TSMC: Dieses Mikrotechnikunternehmen ist einer der weltweit führenden Chip-Assembler. In der Tat macht es die Prozessoren von Marken wie AMD (das Kernstück), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei oder Texas Instrument. Es ist der Schlüsselhersteller für 7-nm-Transistoren. Globale Gießereien - Dies ist ein weiterer Hersteller von Siliziumwafern mit den meisten Kunden, darunter AMD, Qualcomm und andere. Aber in diesem Fall unter anderem mit 12- und 14-nm-Transistoren. Intel: Der blaue Riese hat eine eigene Prozessorfabrik, daher ist es nicht auf andere Hersteller angewiesen, seine Produkte herzustellen. Vielleicht dauert es deshalb so lange, bis sich die 10-nm-Architektur gegen ihre 7-nm-Konkurrenten entwickelt. Aber seien Sie versichert, dass diese CPUs brutal sein werden. Samsung: Das koreanische Unternehmen hat auch eine eigene Siliziumfabrik, daher sind wir mit Intel identisch. Erstellen Sie Ihre eigenen Prozessoren für Smartphones und andere Geräte.

Moores Gesetz und die physikalische Grenze

Graphen-Transistor

Das berühmte Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Elektronen in Mikroprozessoren alle zwei Jahre verdoppelt, und die Wahrheit ist, dass dies seit Beginn der Halbleiter der Fall ist. Derzeit werden Chis mit 7-nm-Transistoren verkauft, insbesondere AMD hat Prozessoren in dieser Lithographie für Desktops, den AMD Ryzen 3000 mit der Zen 2-Architektur. Ebenso haben Hersteller wie Qualcomm, Samsung oder Apple 7-nm-Prozessoren für mobile Geräte.

Der 5-nm-Nanometer wird als physikalische Grenze für die Herstellung eines Transistors auf Siliziumbasis festgelegt. Wir müssen wissen, dass die Elemente aus Atomen bestehen und diese eine bestimmte Größe haben. Die kleinsten experimentellen Transistoren der Welt messen 1 nm und bestehen aus Graphen, einem Material, das auf viel kleineren Kohlenstoffatomen als Silizium basiert.

Intel Tick-Tock-Modell

Intel Tick Tock Modell

Dies ist das Modell, das der Hersteller Intel seit 2007 übernommen hat, um die Architektur seiner Prozessoren zu erstellen und weiterzuentwickeln. Dieses Modell ist in zwei Schritte unterteilt, die auf der Reduzierung des Herstellungsprozesses und der anschließenden Optimierung der Architektur basieren.

Der Tick-Schritt tritt auf, wenn der Herstellungsprozess abnimmt, beispielsweise von 22 nm auf 14 nm. Während des Tock-Schritts wird derselbe Herstellungsprozess beibehalten und in der nächsten Iteration optimiert, anstatt die Nanometer weiter zu verringern. Zum Beispiel war die Sandy Bridge-Architektur 2011 die Tock (eine Verbesserung gegenüber Nehalems 32 nm), während die Ivy Bridge 2012 die Tick war (auf 22 nm reduziert).

A priori war dieser Plan, den er beabsichtigte, ein Jahr Tick zu machen, und er setzt Tock fort, aber wir wissen bereits, dass der blaue Riese diese Strategie ab 2013 mit der Fortsetzung von 22 nm in Haswell und dem Umzug auf 14 nm in aufgegeben hat 2014. Seitdem war der ganze Schritt Tock, dh die 14 nm wurden weiter optimiert, bis 2019 der Intel Core der 9. Generation erreicht wurde. Es wird erwartet, dass es im selben Jahr oder Anfang 2020 einen neuen Tick-Schritt mit der Ankunft von 10 nm geben wird.

Der nächste Schritt: der Quantencomputer?

Möglicherweise liegt die Antwort auf die Einschränkungen der halbleiterbasierten Architektur im Quantencomputer. Dieses Paradigma verändert die Philosophie des Rechnens von Anfang an völlig, basierend auf der Turing-Maschine.

Ein Quantencomputer würde weder auf Transistoren noch auf Bits basieren. Sie würden zu Molekülen und Teilchen und Qbits (Quantenbits). Diese Technologie versucht, den Zustand und die Beziehungen der Moleküle in der Materie mittels Elektronen zu steuern, um eine Operation zu erhalten, die der eines Transistors ähnlich ist. Natürlich ist 1 Qbit überhaupt nicht gleich 1 Bit, da diese Moleküle nicht zwei, sondern drei oder mehr verschiedene Zustände erzeugen können, wodurch die Komplexität, aber auch die Fähigkeit zur Durchführung von Operationen multipliziert wird.

Für all dies haben wir jedoch einige kleine Einschränkungen, z. B. die Notwendigkeit von Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 ° C), um den Zustand der Partikel zu kontrollieren, oder die Montage des Systems unter Vakuum.

• Weitere Informationen hierzu finden Sie in diesem Artikel, den wir vor einiger Zeit über den Quantenprozessor untersucht haben.

Was beeinflussen Nanometer Prozessoren?

Wir hinterlassen diese aufregende und komplexe Welt der Elektronik, in der nur Hersteller und ihre Ingenieure wirklich wissen, was sie tun. Jetzt werden wir sehen, welche Vorteile es hat, die Nanometer eines Transistors für einen elektronischen Chip zu verringern.

5nm Transistoren

Höhere Transistordichte

Der Schlüssel sind Transistoren, sie bestimmen die Anzahl der logischen Ports und Schaltungen, die in ein Silizium von nur wenigen Quadratmillimetern eingebaut werden können. Wir sprechen von fast 3 Milliarden Transistoren in einer 174 mm ² Matrix wie dem 14 nm Intel i9-9900K. Im Fall des AMD Ryzen 3000 etwa 3, 9 Milliarden Transistoren in einem 74 mm ² Array mit 7 nm.

Höhere Geschwindigkeit

Dies liefert dem Chip viel mehr Rechenleistung, da er mit viel mehr Zuständen auf einem Chip mit einer höheren Halbleiterdichte verriegeln kann. Auf diese Weise werden mehr Anweisungen pro Zyklus erreicht, oder was gleich ist, wir erhöhen den IPC des Prozessors, beispielsweise wenn wir die Zen + - und Zen 2-Prozessoren vergleichen. Tatsächlich behauptet AMD, dass seine neuen CPUs ihre erhöht haben Kern-CPI bis zu 15% im Vergleich zur vorherigen Generation.

Höhere Energieeffizienz

Durch Transistoren mit weniger Nanometern ist die Menge der Elektronen, die durch sie hindurchtreten, geringer. Folglich ändert der Transistor seinen Zustand mit einer geringeren Stromversorgung, wodurch die Energieeffizienz erheblich verbessert wird. Nehmen wir also an, wir können den gleichen Job mit weniger Strom erledigen, sodass wir mehr Prozessorleistung pro verbrauchtem Watt erzeugen .

Dies ist sehr wichtig für batteriebetriebene Geräte wie Laptops, Smartphones usw. Der Vorteil von 7-nm-Prozessoren hat dazu geführt, dass wir Telefone mit unglaublicher Autonomie und spektakulärer Leistung mit dem neuen Snapdragon 855, dem neuen A13 Bionic von Apple und dem Kirin 990 von Huawei haben.

Kleinere und frischere Chips

Last but not least haben wir die Miniaturisierungsfähigkeit. Auf die gleiche Weise, wie wir mehr Transistoren pro Flächeneinheit einsetzen können, können wir dies auch verringern, um kleinere Chips zu erhalten, die weniger Wärme erzeugen. Wir nennen dies TDP, und es ist die Wärme, die ein Silizium mit seiner maximalen Ladung erzeugen kann. Vorsicht, es ist nicht die elektrische Energie, die es verbraucht. Dank dessen können wir Geräte kleiner machen, die sich bei gleicher Rechenleistung viel weniger erwärmen.

Es gibt auch Nachteile

Jeder große Schritt nach vorne birgt Risiken, und das gilt auch für die Nanotechnologie. Mit Transistoren von weniger als Nanometern ist der Herstellungsprozess viel schwieriger durchzuführen. Wir brauchen viel fortgeschrittenere oder teurere technische Mittel, und die Anzahl der Ausfälle nimmt erheblich zu. Ein klares Beispiel ist, dass die Leistung pro Wafer der richtigen Chips im neuen Ryzen 3000 gesunken ist. Während wir in Zen + 12 nm etwa 80% der perfekt funktionierenden Chips pro Wafer hatten, wäre dieser Prozentsatz in Zen 2 auf 70% gesunken..

In ähnlicher Weise wird auch die Integrität der Prozessoren beeinträchtigt, wodurch stabilere Stromversorgungssysteme und eine bessere Signalqualität erforderlich werden. Aus diesem Grund haben die Hersteller der neuen AMD X570-Chipsatzplatinen bei der Erstellung eines hochwertigen VRM besondere Sorgfalt angewendet.

Schlussfolgerungen zu Nanometern

Wie wir sehen können, schreitet die Technologie sprunghaft voran, obwohl wir in einigen Jahren Herstellungsprozesse finden werden, die bereits an der physikalischen Grenze der Materialien liegen, die mit Transistoren von sogar 3 oder 1 Nanometern verwendet werden. Was kommt als nächstes? Nun, wir wissen es sicherlich nicht, denn die Quantentechnologie ist sehr umweltfreundlich und es ist praktisch unmöglich, einen solchen Computer außerhalb einer Laborumgebung zu bauen.

Was wir jetzt haben werden, ist zu sehen, ob in einem solchen Fall die Anzahl der Kerne noch weiter erhöht wird oder Materialien wie Graphen, die eine höhere Dichte an Transistoren für elektronische Schaltungen zulassen, verwendet werden.

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