نانومتر: ما هي وكيف تؤثر على وحدة المعالجة المركزية لدينا

هل سمعت من قبل عن نانومتر المعالج ؟ حسنًا ، في هذه المقالة سنخبرك بكل شيء عن هذا الإجراء. والأهم من ذلك ، ما هو تأثير النانومتر على الرقائق الإلكترونية والعناصر المختلفة التي نشير إليها بهذه القياسات.

ما هو النانومتر

لنبدأ بالتحديد بتحديد النانومتر ، لأن هذه الحقيقة البسيطة ستعطي الكثير من اللعب ليس فقط للحوسبة ، ولكن أيضًا في علم الأحياء والعلوم الأخرى التي تهم الدراسات.

النانومتر (نانومتر) هو مقياس طول يشكل جزءًا من النظام الدولي (SI). إذا اعتبرنا أن المقياس هو الوحدة القياسية أو الأساسية على المقياس ، فإن النانومتر هو جزء من المليار من المتر أو ما هو نفسه:

من حيث المفهوم للإنسان العادي ، وهو شيء يقيس النانومتر ، لا يمكننا رؤيته إلا من خلال مجهر إلكتروني عالي القدرة. على سبيل المثال ، يمكن أن يبلغ قطر شعرة الإنسان 80.000 نانومتر تقريبًا ، لذا تخيل مدى صغر المكون الإلكتروني الذي يبلغ 14 نانومتر فقط.

هذا الإجراء موجود دائمًا ، إنه واضح ، ولكن بالنسبة لمجتمع الأجهزة ، كان له أهمية خاصة في السنوات الأخيرة. بسبب المنافسة القوية من قبل الشركات المصنعة لإنشاء دوائر متكاملة قائمة على أشباه الموصلات أو الترانزستورات الأصغر.

الترانزستور

الترانزستور والتخطيطي الإلكتروني

ربما سمعت حديثًا سلبيًا ونشطًا حول ترانزستورات المعالج. يمكننا القول أن الترانزستور هو أصغر عنصر يمكن العثور عليه في الدائرة الإلكترونية ، بالطبع ، يتجنب الإلكترونات والطاقة الكهربائية.

الترانزستورات هي عناصر مصنوعة من مادة أشباه الموصلات مثل السيليكون أو الجرمانيوم. وهو عنصر يمكن أن يتصرف كموصل للكهرباء أو كعزل لها ، حسب الظروف المادية التي يتعرض لها. على سبيل المثال ، المجال المغناطيسي ، درجة الحرارة ، الإشعاع ، إلخ. وبالطبع بجهد معين ، تكون حالة ترانزستورات وحدة المعالجة المركزية.

يوجد الترانزستور في جميع الدوائر المتكاملة الموجودة حاليًا. تكمن أهميتها الهائلة في ما يمكنها القيام به: توليد إشارة خرج استجابة لإشارة إدخال ، أي السماح بمرور التيار أو عدمه قبل التحفيز ، وبالتالي إنشاء الكود الثنائي (1 الحالي ، 0 غير حالي).

البوابات المنطقية والدوائر المتكاملة

منافذ NAND

من خلال عملية الطباعة الحجرية ، من الممكن إنشاء دوائر ذات بنية معينة تتكون من عدة ترانزستورات لتشكيل البوابات المنطقية. البوابة المنطقية هي الوحدة التالية خلف الترانزستور ، وهو جهاز إلكتروني قادر على أداء وظيفة منطقية أو منطقية معينة. مع وجود عدد قليل من الترانزستورات مرتبطة بطريقة أو بأخرى ، يمكننا إضافة وطرح وإنشاء بوابات SI و AND و NAND أو OR و NOT وغيرها. هذه هي الطريقة التي يتم إعطاء المنطق لمكون إلكتروني.

هذه هي الطريقة التي يتم بها إنشاء الدوائر المتكاملة ، مع سلسلة من الترانزستورات والمقاومات والمكثفات القادرة على تشكيل ما يسمى الآن الرقائق الإلكترونية.

الطباعة الحجرية أو الليثوغرافية الضوئية

رقاقة السيليكون

الطباعة الحجرية هي الطريقة لبناء هذه الرقائق الإلكترونية الصغيرة للغاية ، على وجه التحديد أنها مشتقة باسم الطباعة الحجرية الضوئية ثم الطباعة الحجرية النانوية ، حيث تم استخدام هذه التقنية في بدايتها لنقش المحتوى على الأحجار أو المعادن.

ما يتم القيام به حاليًا هو استخدام تقنية مماثلة لإنشاء أشباه الموصلات والدوائر المتكاملة. للقيام بذلك ، يتم استخدام رقائق السيليكون السميكة النانومترية ، والتي من خلال العمليات القائمة على التعرض لضوء مكونات معينة واستخدام مركبات كيميائية أخرى ، قادرة على إنشاء دوائر ذات أحجام مجهرية. في المقابل ، يتم تكديس هذه الرقائق حتى تحصل على شريحة ثلاثية الأبعاد معقدة.

كم عدد نانومتر لديها الترانزستورات الحالية؟

ظهرت أول معالجات قائمة على أشباه الموصلات في عام 1971 بواسطة Intel مع 4004 المبتكرة. تمكنت الشركة المصنعة من إنشاء 10000 ترانزستور نانومتر ، أو 10 ميكرومتر ، وبالتالي وجود ما يصل إلى 2300 ترانزستور على رقاقة.

وهكذا بدأ السباق من أجل التفوق في التكنولوجيا الدقيقة ، المشهور حاليًا بتقنية النانو. في عام 2019 ، لدينا رقائق إلكترونية مع عملية تصنيع 14 نانومتر تأتي مع بنية Intel Broadwel ، و 7 نانومتر ، مع بنية AMD Zen 2 ، وحتى اختبارات 5 نانومتر يتم إجراؤها من قبل IBM والشركات المصنعة الأخرى. لكي نضع أنفسنا في موقف ، سيكون الترانزستور 5 نانومتر أكبر 50 مرة فقط من سحابة الإلكترون للذرة. قبل بضع سنوات ، كان من الممكن بالفعل إنشاء ترانزستور 1 نانومتر ، على الرغم من أنها عملية تجريبية بحتة.

هل تعتقد أن جميع الشركات المصنعة تصنع رقائقها الخاصة؟ حسنًا ، الحقيقة هي أنه لا ، وفي العالم ، يمكننا العثور على أربع قوى كبرى مخصصة لتصنيع الرقائق الإلكترونية.

• تسمك: شركة التكنولوجيا الدقيقة هذه هي واحدة من الشركات الرائدة في تجميع الرقائق في العالم. في الواقع ، تقوم بتصنيع معالجات العلامات التجارية مثل AMD (الجزء الأساسي) أو Apple أو Qualcomm أو Nvidia أو Huawei أو Texas Instrument. وهي الشركة المصنعة الرئيسية في ترانزستورات 7nm. المسابك العالمية - هذا هو آخر مصنعي رقائق السيليكون مع معظم العملاء ، بما في ذلك AMD و Qualcomm وغيرهم. ولكن في هذه الحالة مع ترانزستورات 12 و 14 نانومتر من بين أمور أخرى. إنتل: يمتلك العملاق الأزرق مصنع معالج خاص به ، لذلك لا يعتمد على الشركات المصنعة الأخرى لإنشاء منتجاته. ربما هذا هو السبب في أن بنية 10 نانومتر تستغرق وقتًا طويلاً للتطور ضد منافسيها 7 نانومتر. لكن اطمئن إلى أن وحدات المعالجة المركزية هذه ستكون وحشية. سامسونج: تمتلك الشركة الكورية أيضًا مصنعها الخاص بالسيليكون ، لذلك نحن على نفس شروط Intel. إنشاء معالجاتك الخاصة للهواتف الذكية والأجهزة الأخرى.

قانون مور والحدود المادية

ترانزستور الجرافين

يخبرنا قانون مور الشهير أنه كل عامين يتضاعف عدد الإلكترونات في المعالجات الدقيقة ، والحقيقة هي أن هذا كان صحيحًا منذ بداية أشباه الموصلات. يتم بيع chis حاليًا باستخدام ترانزستورات 7nm ، وعلى وجه التحديد AMD لديها معالجات في هذه الطباعة الحجرية لأجهزة الكمبيوتر المكتبية ، و AMD Ryzen 3000 مع بنية Zen 2. وبالمثل ، فإن الشركات المصنعة مثل Qualcomm أو Samsung أو Apple لديها أيضًا معالجات 7 نانومتر للأجهزة المحمولة.

يتم تعيين نانومتر 5 نانومتر كحد مادي لصنع الترانزستور القائم على السيليكون. يجب أن نعلم أن العناصر تتكون من ذرات ، ولها حجم معين. يبلغ حجم أصغر الترانزستورات التجريبية في العالم 1 نانومتر ، وهي مصنوعة من الجرافين ، وهي مادة تعتمد على ذرات كربون أصغر بكثير من السيليكون.

طراز Intel Tick-Tock

نموذج إنتل توك توك

هذا هو النموذج الذي اعتمدته الشركة المصنعة Intel منذ عام 2007 لإنشاء بنية معالجاتها وتطويرها. ينقسم هذا النموذج إلى خطوتين تقومان على تقليل عملية التصنيع ، ثم تحسين البنية.

تحدث خطوة التأشير عندما تنخفض عملية التصنيع ، على سبيل المثال من 22 نانومتر إلى 14 نانومتر. في حين أن خطوة توك ما تفعله هي الحفاظ على نفس عملية التصنيع وتحسينها في التكرار التالي بدلاً من تقليل النانومتر. على سبيل المثال ، كانت بنية ساندي بريدج لعام 2011 هي Tock (تحسن من Nehalem's 32nm) ، بينما جسر Ivy كان القراد في عام 2012 (انخفض إلى 22nm).

بداهة ، هذه الخطة التي كان ينوي جعلها عامًا ، ويواصل توك ، لكننا نعلم بالفعل أن العملاق الأزرق قد تخلى عن هذه الاستراتيجية من عام 2013 مع استمرار 22 نانومتر في هاسويل والانتقال إلى 14 نانومتر في 2014. منذ ذلك الحين ، كانت الخطوة بأكملها هي Tock ، أي استمر تحسين 14 نانومتر حتى الوصول إلى الجيل التاسع من Intel Core في عام 2019. من المتوقع أن تكون هناك خطوة جديدة في هذا العام أو أوائل 2020 مع وصول 10 نانومتر.

الخطوة التالية: الكمبيوتر الكمومي؟

ربما تكمن الإجابة على قيود العمارة القائمة على أشباه الموصلات في الحوسبة الكمومية. يغير هذا النموذج تمامًا فلسفة الحوسبة من بداية أجهزة الكمبيوتر ، استنادًا دائمًا إلى آلة تورينج.

لن يعتمد الكمبيوتر الكمومي على الترانزستورات ، ولا على البتات. سوف تصبح جزيئات وجزيئات و Qbits (بتات كمومية). تحاول هذه التقنية التحكم في حالة وعلاقات الجزيئات في المادة عن طريق الإلكترونات للحصول على عملية مشابهة لتلك التي يعمل بها الترانزستور. بالطبع ، 1 Qbit لا يساوي 1 بت على الإطلاق ، لأن هذه الجزيئات لا يمكن أن تخلق حالتين ، ولكن ثلاث أو أكثر من الحالات المختلفة ، وبالتالي تضاعف التعقيد ، ولكن أيضًا القدرة على تنفيذ العمليات.

ولكن لكل هذا لدينا بعض القيود الصغيرة ، مثل الحاجة إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (-273 ^درجة مئوية) للتحكم في حالة الجسيمات ، أو تركيب النظام تحت فراغ.

• لمزيد من المعلومات حول كل هذا ، قم بزيارة هذه المقالة التي درسناها منذ فترة حول ما هو المعالج الكمومي.

ماذا تؤثر النانومترات على المعالجات؟

نترك وراءنا هذا العالم المثير والمعقد للإلكترونيات حيث لا يعرف سوى المصنعون ومهندسوهم حقًا ما يفعلونه. الآن سنرى ما هي فوائده لتقليل نانومتر الترانزستور لشريحة إلكترونية.

5nm الترانزستورات

كثافة ترانزستور أعلى

المفتاح هو الترانزستورات ، فهي تحدد عدد المنافذ والدوائر المنطقية التي يمكن وضعها داخل سليكون لا يتجاوز بضعة مليمترات مربعة. نحن نتحدث عن ما يقرب من 3 مليار ترانزستور في مصفوفة 174 مم ² مثل Intel i9-9900K 14 نانومتر. في حالة AMD Ryzen 3000 ، حوالي 3.9 مليار ترانزستور في صفيف 74 مم ² مع 7 نانومتر.

سرعة أعلى

ما يفعله هذا هو تزويد الشريحة بقوة معالجة أكبر بكثير ، لأنها قادرة على القفل مع العديد من الحالات على شريحة ذات كثافة أعلى من أشباه الموصلات. بهذه الطريقة ، يتم تحقيق المزيد من التعليمات لكل دورة ، أو ما هو نفسه ، نقوم برفع IPC للمعالج ، على سبيل المثال إذا قارنا معالجات Zen + و Zen 2. في الواقع ، تدعي AMD أن وحدات المعالجة المركزية الجديدة قد زادت مؤشر أسعار المستهلك الأساسي يصل إلى 15٪ مقارنة بالجيل السابق.

زيادة كفاءة الطاقة

من خلال امتلاك ترانزستورات ذات نانومتر أقل ، تكون كمية الإلكترونات التي تمر عبرها أقل. وبالتالي ، يغير الترانزستور الحالة بمصدر طاقة أقل ، لذلك هذا يحسن بشكل كبير من كفاءة الطاقة. لذلك دعنا نقول أنه يمكننا القيام بنفس المهمة بطاقة أقل ، لذلك نحن نولد المزيد من طاقة المعالجة لكل واط مستهلك.

هذا مهم جدًا للمعدات التي تعمل بالبطارية ، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية وما إلى ذلك. ميزة امتلاك معالجات 7nm ، جعلتنا نمتلك هواتف ذات استقلالية لا تصدق ، وأداء مذهل مع Snapdragon 855 الجديد ، و A13 Bionic الجديد من Apple و Kirin 990 من Huawei.

رقائق أصغر وأعذب

أخيرًا وليس آخرًا ، لدينا القدرة على التصغير. بنفس الطريقة التي يمكننا من خلالها وضع المزيد من الترانزستورات لكل وحدة مساحة ، يمكننا أيضًا تقليل ذلك للحصول على رقائق أصغر تولد حرارة أقل. نسمي هذا TDP ، وهي الحرارة التي يمكن أن يولدها السيليكون بأقصى شحنة ، احذر ، إنها ليست الطاقة الكهربائية التي تستهلكها. وبفضل هذا ، يمكننا أن نجعل الأجهزة أصغر حجما وأن ذلك يسخن أقل بكثير مع نفس قوة المعالجة.

هناك أيضا عيوب

كل خطوة كبيرة إلى الأمام لها مخاطرها ، ويمكن قول الشيء نفسه في تقنية النانو. إن وجود ترانزستورات ذات نانومتر أقل يجعل عملية التصنيع أكثر صعوبة. نحن بحاجة إلى وسائل فنية أكثر تقدمًا أو تكلفة ، ويزداد عدد حالات الفشل بشكل كبير. من الأمثلة الواضحة أن أداء كل رقاقة من الرقائق الصحيحة قد انخفض في جهاز Ryzen 3000 الجديد. بينما في Zen + 12 نانومتر كان لدينا حوالي 80٪ من الرقائق التي تعمل بشكل مثالي لكل رقاقة ، في Zen 2 كان من الممكن أن تنخفض هذه النسبة إلى 70٪.

وبالمثل ، فإن سلامة المعالجات معرضة للخطر ، وبالتالي تتطلب أنظمة طاقة أكثر استقرارًا ، وجودة إشارة أفضل. هذا هو السبب في أن الشركات المصنعة في لوحات شرائح AMD X570 الجديدة قد اهتمت بشكل خاص في إنشاء VRM عالي الجودة.

استنتاجات حول نانومتر

كما نرى ، فإن التكنولوجيا تتقدم بسرعة فائقة ، على الرغم من أننا سنجد في غضون بضع سنوات عمليات تصنيع ستكون بالفعل في الحد المادي للمواد المستخدمة مع الترانزستورات حتى 3 أو 1 نانومتر. ماذا سيكون بعد ذلك؟ حسنًا ، لا نعلم بالتأكيد ، لأن تقنية الكم خضراء جدًا ويستحيل عمليا بناء مثل هذا الكمبيوتر خارج بيئة المختبر.

ما سنحصل عليه الآن هو معرفة ما إذا كان عدد النوى في هذه الحالة يزداد بشكل أكبر ، أو مواد مثل الجرافين التي تعترف بكثافة أعلى للترانزستورات للدوائر الإلكترونية.

بدون مزيد من اللغط ، نتركك مع مقالات أخرى مثيرة للاهتمام:

هل تعتقد أننا سنرى معالجات 1nm؟ ما المعالج الذي لديك؟ نأمل أن تكون المقالة مثيرة للاهتمام ، أخبرنا برأيك.