Chips y nanómetros: ¿Qué hay detrás de 7 nm, 5 nm, 3 nm y 2 nm?

Si se entera de los procesadores, es decir, los llamados "chips" en computadoras, teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos, rápidamente se tropieza con la abreviatura nm. Esto significa Nanómetro y se ha utilizado en relación con el hardware informático desde la década de 1960. Pero, ¿qué mide exactamente y la unidad de medida que representa 0,0000001 cm es quizás obsoleta de forma lenta pero segura? Puede encontrar respuestas y elementos de reflexión a estas preguntas en este artículo. En primer lugar: no soy un experto en física o ingeniería eléctrica, por lo que los errores se pueden señalar en forma de crítica constructiva.

¿Qué significan 7 nm, 5 nm, 3 nm y 2 nm para los chips de computadora? ¿Qué dicen los números sobre los transistores en procesadores como CPU y GPU? Aquí obtienes una explicación (simple) y una idea para nombres alternativos.
¿Qué significan 7 nm, 5 nm, 3 nm y 2 nm en los chips de computadora? ¿Qué dicen los números sobre los transistores en procesadores como CPU y GPU ¿fuera de? Aquí puede obtener una explicación (simple) y una idea para nombres alternativos.

La discusión actual sobre 5 nm y 3 nm

¿Seguirán los chips de los nuevos modelos de Apple MacBook Pro con arquitectura de 5 nanómetros o ya con arquitectura de 3 nanómetros? Esta cuestión se ha debatido en las últimas semanas y meses, y actualmente parece que los nuevos desarrollos del chip M2 (M2 Pro, M2 Max, M2 Ultra, etc.) saldrán al mercado como modelos de 5 nm. 

Esto probablemente se deba al estado de desarrollo del fabricante de chips TSMC, como el analista de Apple. Ming-Chi Kuo en ti Tweet de 22 de agosto de 2022. En términos generales, se puede afirmar lo siguiente para la discusión: cuantos menos nanómetros, más potente es el chip. Además de la tecnología en sí, el número de nm también es importante para el marketing.

¿Qué indica la diminuta unidad de medida de los chips?

Pero ¿cuál es el punto? ¿Qué se mostrará realmente a la mísera distancia de 0,0000005 cm o 0,0000003 cm? Bueno, para ponerlo de nuevo de manera muy simple: se trata de la separación de los transistores en un chip. Cuanto menor sea la distancia, más rápida y eficientemente se puede intercambiar información en forma de electrones. Entonces, cuanto menor sea el número de nm, más transistores por área y menos consumo de recursos por esfuerzo computacional son posibles. El resultado son componentes compactos y de alto rendimiento.

Además de la distancia entre los transistores, el tamaño del chip también es importante. Porque la densidad del transistor solo tiene sentido si también conoce el área. De esta forma se puede calcular cuántos transistores están realmente instalados. Más sobre eso a continuación. La mera especificación de la arquitectura nm sirve sobre todo para decir: "Estamos un paso más allá, los chips son más eficientes y (teóricamente) crean más poder de cómputo con menos consumo de energía en menos espacio".

El siguiente nivel: chips con arquitectura de 2 nm de IBM, TSMC and Co.

Si bien con respecto a las computadoras portátiles de Apple, la cuestión de los 5 nm o los 3 nm está en el aire, la próxima generación de chips y densidades de transistores ya se está abordando en otros lugares. Después de todo, las consideraciones descritas anteriormente están lejos de terminar. IBM ya mostró un chip de 2021 nm como prototipo en mayo de 2. O más bien: un equivalente de 2 nm, porque la medida se relaciona directamente con la distancia bidimensional entre las unidades informáticas, pero ahora se están desarrollando algunos semiconductores utilizando el proceso 3D más compacto, razón por la cual la designación de nm ya no es tan precisa y comparable. .

Hay uno en Ars Technica. Beitrag de mayo de 2021, que trata el tema. Allí también encontrará una descripción general de la cantidad de transistores por milímetro cuadrado en chips individuales. Aquí hay un extracto para una mejor comprensión y comparabilidad de los componentes:

  • CPU de escritorio Intel con 14 nm: máximo 45 millones de transistores por mm2
  • CPU Intel para portátiles con 10 nm: máximo 100 millones de transistores por mm2
  • Apple M1 SoC con 5nm: máximo 171 millones de transistores por mm2
  • Silicio de manzana con 3 nm: máximo estimado de 292 millones de transistores por mm2
  • Prototipo de chip IBM con 2 nm: máximo 333 millones de transistores por mm2

Ventajas de diseños cada vez más pequeños y distancias de transistores más pequeñas

Antes de tratar de usar información a medias para abogar por un nuevo nombre para los chips de computadora, veamos las ventajas detalladas del desarrollo técnico detrás de esto. Porque además de toda la teoría y la carrera por el número nm más pequeño (independientemente de si es real en 2D o como referencia en 3D), también es importante entender por qué existen todas estas consideraciones y esfuerzos. Estas son las ventajas más importantes de los transistores cada vez más pequeños o más juntos en los chips:

  • Los procesadores pueden tener más "núcleos" en menos espacio y así lograr más potencia mientras ahorran energía
  • La información llega más rápido en distancias más cortas, se puede procesar más rápido y consume menos recursos
  • Son posibles diseños más pequeños para chips y dispositivos finales en general, por lo que los dispositivos móviles (iPhone, MacBook, iPad, etc.) se están convirtiendo en herramientas digitales cada vez más potentes.
  • Debido al menor consumo de recursos, es decir, el uso de ahorro de energía, el desarrollo de calor del hardware es menor: se requiere menos refrigeración y la tecnología es más duradera
  • En dispositivos móviles como computadoras portátiles, teléfonos inteligentes, tabletas, etc., todo esto significa una mayor duración de la batería.

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¿Sigue siendo relevante la unidad de chip nm?

Como ya se mencionó anteriormente, no solo el tamaño y el espaciado de los transistores en las CPU, GPU y compañía son cada vez más pequeños. La estructura física de los propios chips también se adapta constantemente. Por esta razón, algunas designaciones solo se utilizan como referencia para establecer la comparabilidad con tecnologías más antiguas. Para las personas que no tratan el tema en profundidad, esto puede no ser comprensible a primera vista, y en el peor de los casos puede incluso resultar engañoso. Quizás, después de más de medio siglo, deberíamos pensar en una nueva nomenclatura.

Etiquetado Tradicional vs. Cantidades Exactas

Por supuesto, no es mi idea encontrar y usar una designación nueva y más precisa para semiconductores, chips, procesadores o como quieras llamar al hardware. Sin embargo, encaja bien en las consideraciones aquí y también ha estado en circulación desde abril de 2020. en uno Beitrag de HPCwire, en relación con un Papel tomado por IEEE, se puede encontrar información útil. El artículo establece, entre otras cosas, que los científicos del MIT, la Universidad de Stanford, la Universidad de California/Berkeley y el fabricante de chips TSMC en Taiwán preferirían una especificación de densidad.

Para ello se sugirieron los términos DL, DM y DC. DL da la densidad de los transistores del procesador en n/mm2 en. DM indica la densidad de bits de la memoria principal (actualmente la DRAM separada del SoC), también en n/mm2. DC pretende indicar la densidad de las conexiones entre la memoria principal y el procesador, también aquí en n/mm2. 

El artículo vinculado dice sobre la aplicación de los tres valores: "Según los autores, las tecnologías de vanguardia actuales se pueden caracterizar por [38M, 383M, 12K] sobre la base de detalles de diseño.Entonces, el enfoque propuesto no es tan promocional como un número nm, porque debe comprender el significado detrás de tres valores diferentes. Pero es técnicamente más preciso.

Resumen sobre chips de computadora y tamaños de nm

En conclusión, el tamaño y la separación de los transistores en las unidades de procesamiento de computadoras, como las CPU y las GPU, se especifican tradicionalmente en nanómetros (nm). E incluso si la unidad de medida bidimensional ya no es realmente significativa en los chips modernos, las designaciones como 5 nm, 3 nm y 2 nm todavía sirven como valores comparativos para mostrar el progreso técnico detrás de los componentes. Porque los chips son cada vez más rápidos y eficientes. Es cuestionable qué designaciones deberían venir para chips aún más avanzados. Hay soluciones para esto, pero son menos fáciles de entender. 

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