Puces et nanomètres : qu'y a-t-il derrière 7 nm, 5 nm, 3 nm et 2 nm ?

Si vous découvrez les processeurs, c'est-à-dire les soi-disant «puces» dans les ordinateurs, les smartphones et autres appareils électroniques, vous tombez rapidement sur l'abréviation nm. Cela signifie Nanomètre et a été utilisé en relation avec le matériel informatique depuis les années 1960. Mais que mesure-t-il exactement et l'unité de mesure représentant 0,0000001 cm est-elle peut-être lentement mais sûrement obsolète ? Vous pouvez trouver des réponses et des éléments de réflexion à ces questions dans cet article. Tout d'abord: je ne suis pas un expert en physique ou en génie électrique, donc des erreurs peuvent être notées sous forme de critiques constructives.

La discussion actuelle sur 5 nm et 3 nm

Les puces des nouveaux modèles d'Apple MacBook Pro seront-elles toujours dotées d'une architecture de 5 nanomètres ou déjà d'une architecture de 3 nanomètres ? Cette question a été discutée ces dernières semaines et mois, et il semble actuellement que les développements ultérieurs de la puce M2 (M2 Pro, M2 Max, M2 Ultra, etc.) arriveront sur le marché en tant que modèles 5 nm. 

Cela est probablement dû à l'état de développement du fabricant de puces TSMC, comme l'analyste Apple Ming-Chi Kuo en un Tweet en date du 22 août 2022. En gros, on peut dire ce qui suit pour la discussion : moins il y a de nanomètres, plus la puce est puissante. En plus de la technologie elle-même, le nombre nm est également important pour le marketing.

Qu'est-ce que la petite unité de mesure sur les puces indique même ?

Mais à quoi ça sert ? Qu'est-ce qui sera réellement affiché à la petite distance de 0,0000005 cm ou 0,0000003 cm ? Eh bien, pour le dire encore une fois très simplement : tout dépend de l'espacement des transistors sur une puce. Plus la distance est petite, plus les informations peuvent être échangées rapidement et efficacement sous forme d'électrons. Ainsi, plus le nombre nm est petit, plus il y a de transistors par zone et moins de consommation de ressources par effort de calcul sont possibles. Le résultat est des composants compacts et performants.

Outre la distance entre les transistors, la taille de la puce elle-même est également importante. Parce que la densité de transistors n'a vraiment de sens que si vous connaissez également la zone. De cette façon, il peut être calculé combien de transistors sont réellement installés. Plus à ce sujet ci-dessous. La simple spécification de l'architecture nm sert surtout à dire : "Nous sommes un peu plus loin, les puces sont plus efficaces et (théoriquement) créent plus de puissance de calcul avec moins de consommation d'énergie dans moins d'espace".

Le niveau suivant : les puces à architecture 2 nm d'IBM, TSMC and Co.

Alors qu'en ce qui concerne les portables d'Apple la question du 5 nm ou du 3 nm est dans l'air, la prochaine génération de puces et les densités de transistors sont déjà abordées ailleurs. Après tout, les considérations décrites ci-dessus sont loin d'être terminées. IBM a déjà présenté une puce de 2021 nm comme prototype en mai 2. Ou plutôt : un équivalent de 2 nm, car la mesure porte directement sur la distance bidimensionnelle entre les unités de calcul, mais certains semi-conducteurs sont maintenant développés en utilisant le procédé 3D plus compact, c'est pourquoi la désignation nm n'est plus aussi précise et comparable .

Il y en a un à Ars Technica Contribution de mai 2021, qui traite du sujet. Vous y trouverez également un aperçu du nombre de transistors par millimètre carré sur des puces individuelles. Voici un extrait pour une meilleure compréhension et comparabilité des composants :

• Processeurs de bureau Intel avec 14 nm : 45 millions de transistors maximum par mm²
• Processeurs Intel pour ordinateurs portables avec 10 nm : 100 millions de transistors maximum par mm²
• SoC Apple M1 avec 5 nm: max 171 millions de transistors par mm²
• Silicium Apple avec 3 nm : 292 millions de transistors maximum estimés par mm²
• Prototype de puce IBM avec 2 nm : 333 millions de transistors maximum par mm²

Avantages des conceptions toujours plus petites et des distances de transistor plus petites

Avant d'essayer d'utiliser des informations à moitié cuites pour plaider en faveur d'un nouveau nom pour les puces informatiques, examinons les avantages détaillés du développement technique sous-jacent. Car en plus de toute la théorie et de la course au plus petit nombre nm (qu'il soit réel en 2D ou comme référence en 3D), il est également important de comprendre pourquoi toutes ces considérations et efforts existent. Voici donc les avantages les plus importants des transistors toujours plus petits ou plus rapprochés sur les puces :

• Les processeurs peuvent avoir plus de "cœurs" dans moins d'espace et ainsi obtenir plus de puissance tout en économisant de l'énergie
• Les informations arrivent plus rapidement sur des distances plus courtes, peuvent être traitées plus rapidement et consomment moins de ressources
• Des conceptions plus petites pour les puces et les terminaux en général sont possibles, de sorte que les appareils mobiles (iPhone, MacBook, iPad, etc.) deviennent des outils numériques de plus en plus puissants
• En raison de la faible consommation de ressources, c'est-à-dire de l'utilisation économe en énergie, le dégagement de chaleur du matériel est plus faible - moins de refroidissement est nécessaire et la technologie est plus durable
• Sur les appareils mobiles tels que les ordinateurs portables, les smartphones, les tablettes, etc., cela signifie une plus longue durée de vie de la batterie

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L'unité de puce nm est-elle toujours pertinente?

Comme déjà mentionné ci-dessus, ce ne sont pas seulement la taille et l'espacement des transistors dans les CPU, GPU et autres qui deviennent de plus en plus petits. La structure physique des puces elles-mêmes est également constamment adaptée. Pour cette raison, certaines désignations ne sont utilisées qu'à titre de référence afin d'établir la comparabilité avec des technologies plus anciennes. Pour les personnes qui ne traitent pas le sujet en profondeur, cela ne peut être compréhensible au premier abord, et dans le pire des cas peut même être trompeur. Peut-être, après plus d'un demi-siècle, devrions-nous réfléchir à une nouvelle nomenclature.

Étiquetage traditionnel vs quantités exactes

Trouver et utiliser une nouvelle désignation plus précise pour les semi-conducteurs, les puces, les processeurs ou tout ce que vous voulez appeler le matériel n'est bien sûr pas mon idée. Cependant, il s'inscrit bien dans les considérations ici et est également en circulation depuis avril 2020. dans une Contribution de HPCwire, concernant un Papier prises par l'IEEE, des informations utiles peuvent être trouvées. L'article indique, entre autres, que les scientifiques du MIT, de l'Université de Stanford, de l'Université de Californie/Berkeley et du fabricant de puces TSMC à Taïwan préféreraient une spécification de densité.

Les termes DL, DM et DC ont été suggérés pour cela. DL donne la densité des transistors du processeur en n/mm² sur. DM indique la densité de bits de la mémoire principale (actuellement la DRAM séparée du SoC), également en n/mm². DC est destiné à indiquer la densité des connexions entre la mémoire principale et le processeur, également ici en n/mm². 

L'article lié dit à propos de l'application des trois valeurs: "Selon les auteurs, les technologies de pointe d'aujourd'hui peuvent être caractérisées par [38M, 383M, 12K] sur la base de spécificités de conception.L'approche proposée n'est donc pas aussi promotionnelle qu'un nombre nm, car il faut comprendre la signification derrière trois valeurs différentes. Mais c'est techniquement plus précis.

Résumé sur les puces informatiques et les tailles nm

En conclusion, la taille et l'espacement des transistors sur les unités de traitement informatique telles que les CPU et les GPU sont traditionnellement spécifiés en nanomètres (nm). Et même si l'unité de mesure bidimensionnelle n'a plus vraiment de sens dans les puces modernes, des appellations telles que 5 nm, 3 nm et 2 nm servent toujours de valeurs comparatives pour montrer l'avancée technique derrière les composants. Parce que les puces deviennent plus rapides et plus efficaces. On peut se demander quelles désignations devraient venir pour des puces encore plus avancées. Il existe des solutions pour cela, mais elles sont moins faciles à comprendre. 

Jen Kleinholz( Fondateur & Monsieur Apfelot )

Jens dirige le blog depuis 2012. Il agit comme Sir Apfelot pour ses lecteurs et les aide avec des problèmes de nature technique. Dans ses temps libres, il fait du monocycle électrique, prend des photos (de préférence avec l'iPhone, bien sûr), grimpe dans les montagnes de Hesse ou fait des randonnées en famille. Ses articles traitent des produits Apple, de l'actualité du monde des drones ou encore des solutions aux bugs actuels.