7 нм против 12: о чем говорит технологический процесс процессора

Чем меньше нанометров в процессорах, тем чаще производители хвастаются ими в своих пресс-релизах, и наоборот. Давайте разберёмся, в чём суть

Откуда взялся коэффициент 0.7?

По своей форме, транзисторы практически квадратные, и, если вы умножите 0.7 на 0.7, то получите 0.49, что примерно равно половине. К примеру, когда индустрия перешла от процесса 1000 нанометров к техпроцессу 700 нанометров, то это достижение позволило примерно вдвое увеличить количество транзисторов, которое можно было уместить на заданной площадь, даже несмотря на то, что число в названии процесса уменьшилось только на коэффициент 0.7. Проблема в том, что в 1997 году, производители смогли начать уменьшение длинны затвора в более чем 0.7 раза, в то время как другие части транзисторов уменьшались уже не так быстро.

Поэтому длина затвора перестала быть хорошим показателем для определения общей плотности транзисторов внутри чипа, а, следовательно, и производительности. Вместо прямого изменения схемы наименования, мы начали видеть, что техпроцесс стал определяться размером группы транзисторов – размером ячейки. Это было сделано для того, чтобы дать людям возможность оценить эквивалентный уровень учета вычислительной мощности для частей, размер которых снижался не так значительно.

Первым техпроцессом, который мы увидели с такой схемой наименования, стал процесс 250 нанометров. Производительность была примерно вдвое выше, по сравнению с прошлым поколением, как вы могли и ожидать исходя из названия, но длина затвора на самом деле была примерно 190 нанометров, что значительно меньше. Просто были и другие причины, мешающие упаковывать транзисторы более плотно. Такая ситуация, с площадью ячеек продолжалась примерно до 2012 года, и техпроцесса 22 нанометра, когда был представлено новое направление в проектировании – FinFET.

Производители чипов обнаружили, что при таких размерах, затворы были настолько малы, что электроны могли просто протекать сквозь них из-за туннельного эффекта. Это может вызывать нежелательное поведение. Поэтому инженерам был необходим способ сделать свои чипы более производительными, без дальнейшего уменьшения размера затворов. Решение состояло в том, чтобы взять канал, через который проходят электроны, и поднять его, как плавник акулы (от англ. Fin, поэтому и название FinFET), увеличивая площадь поверхности канала и позволяя проходить большему количеству электронов.

Это также означало, что транзисторы теперь стали трехмерными, а не плоскими, что еще больше затруднило измерение их точного размера. В настоящее время, в индустрии продолжают использовать коэффициент 0.7 для описания улучшения в поколениях, например, при переходе от 14 к 10 и к 7 нанометрам. Однако, правда заключается в том, что эти цифры, на самом деле больше не отражают реальный размер транзистора и они даже могут сильно варьироваться между собой у разных производителей.

Intel, к примеру, пытается измерить техпроцесс, взяв среднее значение двух, наиболее распространенных, стандартных размеров ячеек. Хотя, на самом деле, наиболее важным фактором является плотность транзисторов. Это показатель того, насколько много транзисторов может быть упаковано в заданной площади, без уменьшения размерах фактических функций транзистора.

В дополнении к плотности, производители чипов также используют другие техники, такие как улучшенные материалы для повышения производительности. Это может включать в себя все: от сжатия кристаллической структуры канала для ускорения прохождения электронов к путям с меньшим сопротивлением между транзисторами до применения материалов затвора с высокой диэлектрической проницаемостью для лучшего контроля потока электронов.

Инновации Intel в области улучшения техпроцессов

И конечно, этот процесс может потребовать некоторых проб и ошибок. Известные трудности Intel с их техпроцессом 10 нанометров, были в значительной степени вызваны желанием побороть ограничения. Другими словами, уместить большее чем в 2 раза количество транзисторов на той же площади, что потребовало от них испытания множества новых технологий внутри чипа одновременно, и в конечном итоге привело к задержкам и производственным проблемам. Однако, поскольку технологии продолжают совершенствоваться, производители чипов, похоже, готовы следовать закону Мура, даже если он стал немного медленнее или вообще как-то работает. Вместе с тем, компании продолжают использовать кремний в качестве основного материала для процессоров в течение длительного времени, и должно пройти какое-то время, прежде чем мы действительно начнем рассматривать более экзотические решения, такие как углеродные нанотрубки.

Не забудьте подписаться и поставить лайк. Впередибудетещемногокрутыхстатей.

VK | Facebook | Telegram

Что такое техпроцесс

Ключевым элементом практически каждой вычислительной схемы является транзистор. Это полупроводниковый элемент, который служит для управления токами. Из транзисторов собираются основные логические элементы, а на их основе создаются различные комбинационные схемы и уже непосредственно процессоры.

Чем больше транзисторов в процессоре — тем выше его производительность, ведь можно поместить на кристалл большее количество логических элементов для выполнения разных операций.

В 1971 году вышел первый микропроцессор — Intel 4004. В нем было всего 2250 транзисторов. В 1978 мир увидел Intel 8086 и в нем помещались целых 29 000 транзисторов. Легендарный Pentium 4 уже включал 42 миллиона. Сегодня эти числа дошли до миллиардов, например, в AMD Epyc Rome поместилось 39,54 миллиарда транзисторов.

Модель	Год выпуска	Кол-во транзисторов
Xeon Broadwell-E5	2016	7 200 000 000
Ryzen 5 1600 X	2017	4 800 000 000
Apple A12 Bionic (шестиядерный ARM64)	2018	6 900 000 000
Qualcomm Snapdragon 8cx	2018	8 500 000 000
AMD Ryzen 7 3700X	2019	5 990 000 000
AMD Ryzen 9 3900X	2019	9 890 000 000
Apple M1 ARM	2020	16 000 000 000

Много это или мало? На 2020 год на нашей планете приблизительно 7,8 миллиардов человек. Если представить, что каждый из них это один транзистор, то полтора населения планеты
с легкостью поместилась бы в процессоре Apple A14 Bionic.

В 1975 году Гордон Мур, основатель Intel, вывел скорректированный закон, согласно которому число транзисторов на схеме удваивается каждые 24 месяца.

Нетрудно посчитать, что с момента выхода первого процессора до сего дня, а это всего-то 50 лет, число транзисторов увеличилось в 10 000 000 раз!

Казалось бы, поскольку транзисторов так много, то и схемы должны вырасти в размерах на несколько порядков. Площадь кристалла у первого процессора Intel 4004 — 12 мм², а у современных процессоров AMD Epyc — 717 мм² (33,5 млрд. транзисторов). Получается, по площади кристалла процессоры выросли всего в 60 раз. 

Как же инженерам удается втискивать такое огромное количество транзисторов в столь маленькие площади? Ответ очевиден — размер транзисторов также уменьшается. Так
и появился термин, который дал обозначение размеру используемых
полупроводниковых элементов.

Упрощенно говоря, техпроцесс — это толщина транзисторного слоя, который применяется в процессорах. 

Чем мельче транзисторы, тем меньше они потребляют энергии, но при этом сохраняют текущую производительность. Именно поэтому новые процессоры имеют большую вычислительную мощность, но при этом практически не увеличиваются в размерах
и не потребляют киловатты энергии.

Что собой в принципе представляет каждый микропроцессор

Каждый микропроцессор представляет собой специальную интегральную схему, которая расположена на микроскопическом кристалле кремния. Этот материал используется только из-за того, что обладает свойствами полупроводников: он проводит электроэнергию быстрее диэлектриков и медленнее металлов. Его можно сделать и изолятором, который останавливает движение зарядов, и проводником, который зажигает для них зелёный свет. Этим параметром получится управлять с помощью специальных примесей.

Внутри микропроцессора нашлось место для миллионов транзисторов, которые объединены невероятно тонкими проводниками. Для их производства используют алюминий, медь и другие материалы — они предназначены для того, чтобы переваривать информацию. Из них складываются внутренние шины, которые дают процессору возможность работать с математическими и логическими операциями, а также управлять остальными микросхемами устройства в общем и целом.

Одним из самых важных параметров качества микропроцессора всегда была частота работы его кристалла. Именно она определяет число действий, которые могут выполняться за отведённое время — это зависит от того, насколько быстро транзисторы могут переходить из закрытого состояния в открытое. На это далеко не в последнюю очередь влияет технология производства кремниевых пластин — основного компонента процессоров. Чем они меньше, тем разогнать их частоту обычно можно до больших значений.

Технологический процесс, который используется при производстве микропроцессоров, влияет на их размер. Если обрезать количество нанометров, о котором сегодня все говорят, можно уменьшить габариты самого чипа. Это сделает его не только более быстрым — он будет выделять меньше тепла и расходовать меньше энергии. Данные показатели всегда были очень важны в полноценных компьютерах, но теперь выходят чуть ли не на первое место и в современных смартфонах.

Что такое «7 нм техпроцесс»?

Если говорить очень упрощённо, то процессор — это миллиарды крошечных транзисторов и электрических затворов, которые включаются и выключаются при выполнении операций. «7 нм» — это размер этих транзисторов в нанометрах. Для понимания масштабов стоит напомнить, что в одном миллиметре миллион нанометров, а человеческий волос толщиной 80000 — 110000 нанометров. Транзистором, напомню, называют радиоэлектронный компонент из полупроводника (материал, у которого удельная проводимость меняется от воздействия температуры, различных излучений и прочего), который от небольшого входного сигнала управляет значительным током в выходной цепи. Он используется для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. Сейчас транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных компонентов и интегральных микросхем. Размер транзистора полезно знать специалистам для оценки производительности конкретного процессора, ведь чем меньше транзистор, тем меньше требуется энергии для его работы.

При производстве полупроводниковых интегральных микросхем применяется фотолитография (нанесение материала на поверхности микросхемы при участии света) и литография (нанесение материала с помощью потока электронов, излучаемого катодом вакуумной трубки). Разрешающая способность в микрометрах и нанометрах оборудования для изготовления интегральных микросхем (так называемые «проектные нормы») и определяет размер транзистора, а с ним и название применяемого конкретного технологического процесса.

Читайте далее: В iPhone 11 появится новый сопроцессор для фото- и видеосъёмки

Графический процессор (GPU)

GPU (графический процессор) – является «сердцем» видеокарты, который отвечает за математические расчеты изображения, выводящегося на экран.  Иными словами – обработка графики. GPU по своим свойствам похож на центральный процессор (CPU) компьютера, однако предназначен для построения изображения.

Частота

Одна из важнейших характеристик графического процессора – тактовая частота. С ней всё просто. Она измеряется в мегагерцах и чем выше его показатель, тем быстрее идет обработка информации. Частота современных видеокарт достигает отметки в 1000-1400 Мгц.

Техпроцесс

Важным показателем является техпроцесс, это один из первых пунктов среди характеристик видеоадаптеров. Измеряется в нанометрах.

Грубо говоря, основной движущей силой являются транзисторы. Если взять современные видеокарты, то можно заметить, что показатель нанометров все меньше и меньше с каждым поколением видеочипов. Все это обусловлено тем, что чем меньше размер транзисторов, тем больше их можно разместить на одном видеочипе.

С уменьшением размера транзисторов, в целом у видеокарт уменьшается также:

• Энергопотребление;
• Тепловыделение (TDP);

Производительность при этом увеличивается, так как на одной площади можно разместить больше вычислительной мощности.

Чем меньше техпроцесс, тем лучше.

На что влияет размер?

Как известно, чем тоньше техпроцесс процессора, тем большее количество транзисторов будет расположено на чипе.

Если размер будет небольшим, то его энергопотребление и количество выделяемого тепла будут в разы меньше. Именно по этой причине небольшой техпроцесс процессора позволяет размещать чип на портативных устройствах, а за счет этого мобильное устройство сможет дольше держать заряд.

Размер имеет значение еще и в экономических целях, так как при небольших затратах материала увеличивается численность изготавливаемых чипов. Однако это палка о двух концах, потому что для более тонкого техпроцесса процессора необходимо топовое дорогое оборудование.

Малые детали строения позволяют разместить на чипе большее количество элементов, за счет чего растет производительность процессора. При всем при этом параметры размера самого чипа остаются неизменными.

Если у процессора есть техническая возможность для того, чтобы разогнаться, то чем меньше предел техпроцесса процессора, тем выше будут частоты.

API для GPU

Система охлаждения процессора

Процессор нуждается в надлежащем охлаждении, иначе он может выйти из строя.

Как известно, верхняя поверхность процессора представляет собой металлическую коробку, выполняющую, кроме защитных, еще и теплоотводные функции. Поверх процессора на материнской плате устанавливается система охлаждения. Ее теплоотводные элементы должны плотно прижиматься к поверхности процессора. Для улучшения передачи тепла с процессора на радиатор системы охлаждения, между ними прокладывается слой термопасты – специального пастообразного вещества с высокой теплопроводностью.

При подборе системы охлаждения процессора нужно учитывать его TDP (рассматривалось выше в пункте о характеристиках процессора).Процессоры обычно продаются в так называемом боксовом варианте поставки, когда в комплект входит штатная система охлаждения – боксовый куллер. Но иногда эффективность такого куллера является недостаточной (например, если был произведен разгон и частота процессора, а следственно и его TDP, возросла).

Нормальная температура работы процессора – до 50 градусов Цельсия (при пиковых нагрузках возможно чуть больше). Средства измерения температуры встроены в центральный процессор. При помощи специальных программ температуру можно отслеживать в режиме реального времени (например, программой SpeedFan). • CPU-Z:⇒ Официальная страница загрузки⇒ Скачать копию для Windows 32-bit (2,6 MB)⇒ Скачать копию для Windows 64-bit (3 MB)Современный процессор устроен так, что при достижении им критичной температуры он отключается и не включается, пока не остынет. Это позволяет предупредить его повреждение под воздействием высокой температуры. Перегрев возможен вследствие низкой эффективности системы охлаждения, выхода ее из строя, засорения пылью, пересыхания термопасты и др.

Респект за пост! Спасибо за работу!

Хотите больше постов? Узнавать новости технологий? Читать обзоры на гаджеты? Для всего этого, а также для продвижения сайта, покупки нового дизайна и оплаты хостинга, мне необходима помощь от вас, преданные и благодарные читатели. Подробнее о донатах читайте на специальной странице.

Есть возможность стать патроном, чтобы ежемесячно поддерживать блог донатом, или воспользоваться Яндекс.Деньгами, WebMoney, QIWI или PayPal:

Заранее спасибо! Все собранные средства будут пущены на развитие сайта. Поддержка проекта является подарком владельцу сайта.

Немного про разъемы

Современные видеокарты оснащены несколькими портами, чтобы была возможность подключить более одного монитора. В свою же очередь каждый монитор имеет разный тип разъемов, о которых пользователю будет полезно узнать.

VGA

Video Graphics Array (adapter) – достаточно древняя 15-контактная штука синего цвета, которая специализировалась на выводе аналогового сигнала. Его особенностью было то, что на изображение могло повлиять разные вещи: длина провода (который состоял из 5 метров) или личные свойства видеокарты.  Ранее был одним из основных, однако с появлением плоских мониторов стал сдавать свои позиции, ибо разрешение экрана увеличивалось, с чем не справлялся VGA. Используется и по сей день.

s-Video

S-Video –  это так же аналоговый разъем, который часто можно встретить на телевизорах и редко на видеокартах. Качество его хуже, чем у VGA, однако его кабель достигает 20 метров, все еще сохраняя при этом хорошую картинку. Информация передается трёхканально.

DVI

DVI обогнал всем известный VGA тем, что приобрел способность передавать цифровой сигнал. Этот разъем уже более знаком современному миру, так как благодаря нему можно подключать мониторы, уже, высокого разрешения, чего нельзя было раньше. Длина его кабеля достигает 10 метров, однако это уже не влияет на качество выводимого изображения. Благодаря своей уникальности, он вмиг приобрел популярность среди другого оборудования, по типу проекторов и прочего. Бывает трех видов: только цифровой DVI-D , весьма редкий — аналоговый DVI-A  и совмещающий два прошлых DVI-I. Благодаря специальным переходникам может подключаться к монитору, который имеет лишь разъем VGA.

HDMI

HDMI имеет несколько преимуществ перед DVI. Главной его особенностью является то, что кроме видео канала, у него так же имеется и аудио. Благодаря этому достиг большой популярности среди известных компаний, получив поддержки. Также из плюсов можно отметить  его компактность и отсутствие креплений, которые наблюдаются у DVI. К тому же, кроме видеокарты, он отлично «сотрудничает» с другими устройствами.

DisplayPort

DISPLAYPORT, в принципе, далеко не ушел от HDMI, так как они оба способны выводить качественное изображение на большой экран вместе с аудио сопровождением. Однако у DISPLAY-я есть переходники на другие, популярные виды разъемов. В отличии с HDMI производители имеют возможность не платить налог, что увеличивает его популярность. Однако шанс встретить его среди бытовых пользователей, все еще, намного меньше. Максимальный размер кабеля достигает 15 метров. Пропускная способность выше, чем у HDMI, хоть и меняется в зависимости от его версии.

Thunderbolt

Thunderbolt (бывший Light Peak) – это аппаратный интерфейс для периферийных устройств. Обладает высокой пропускной способностью и функциональностью. По легендам, создан, чтобы улучшить и превзойти USB. Раньше использовался только в продукции Apple. Можно использовать для подключения мониторов с разрешением в 4К.

Техпроцесс процессоров на смартфонах

Смартфоны требовательны к аппаратным ресурсам и быстро расходуют заряд аккумулятора. Поэтому, для замедления расхода разряда, разработчики процессоров для мобильных устройств стараются внедрять в производство самые новые техпроцессы. К примеру, некогда популярные двухъядерники MediaTek MT6577 производились по техпроцессу 40 нм, а Qualcomm Snapdragon 200 ранних серий изготавливались по 45-нанометровой технологии.

В 2013-2015 годах основным техпроцессом для чипов, используемых в смартфонах, стал 28 нм. MediaTek (вплоть до Helio X10 включительно), Qualcomm Snapdragon серий S4, 400, а также модели 600, 602, 610, 615, 616 и 617 – это все 28 нм. Он же использовался и при изготовлении Snapdragon 650, 652, 800, 801, 805. «Горячий» Snapdragon 810, что интересно, был выполнен по более тонкому техпроцессу 20 нм, но это ему не сильно помогло.

Apple в своем A7 (iPhone 5S) тоже обходилась 20-нанометровой технологией. В Apple A8 для шестого Айфона применили 20 нм, а в модели A9 (для 6s и SE) уже используется новый 16 нм технологический процесс. В 2013-2014 годах Intel делали свои Atom Z3xxx по 22-нанометровой технологии. С 2015 года в производство запустили чипы с 14 нм.

Следующим шагом в развитии процессоров для смартфонов является повсеместное освоение техпроцессов 14 и 16 нм, а дальше стоит ожидать 10 нм. Первыми экземплярами на нем могут стать Qualcomm Snapdragon 825, 828 и 830.

Ссылки

• Тасит Мурки. Закон Мура против нанометров. Всё, что вы хотели знать о микроэлектронике, но почему-то не узнали… // ixbt.com, 2 ноября 2011
• Список техпроцессов (англ.). IC Knowledge Llc (ноябрь 2015). Проверено 23 ноября 2015.