Chipy i nanometry: Co kryje się za 7 nm, 5 nm, 3 nm i 2 nm?

Jeśli dowiesz się o procesorach, czyli tzw. „chipach” w komputerach, smartfonach i innej elektronice, szybko natkniesz się na skrót nm. To oznacza Nanometr i jest używany w odniesieniu do sprzętu komputerowego od lat 1960-tych. Ale co dokładnie mierzy i czy jednostka miary reprezentująca 0,0000001 cm może powoli, ale na pewno jest przestarzała? Odpowiedzi i materiał do przemyśleń na te pytania znajdziesz w tym artykule. Po pierwsze: nie jestem ekspertem w dziedzinie fizyki ani elektrotechniki, więc błędy można odnotować w postaci konstruktywnej krytyki.

Obecna dyskusja o 5 nm i 3 nm

Czy chipy w nowych modelach Apple MacBook Pro nadal będą miały architekturę 5-nanometrową, czy już 3-nanometrową? To pytanie było omawiane w ostatnich tygodniach i miesiącach, a obecnie wydaje się, że dalszy rozwój układu M2 (M2 Pro, M2 Max, M2 Ultra itp.) Wejdzie na rynek jako modele 5 nm. 

Wynika to prawdopodobnie ze stanu rozwoju producenta chipów TSMC, takiego jak analityk Apple Ming-Chi Kuo w einem Tweetnij z dnia 22 sierpnia 2022 r. Ogólnie rzecz biorąc, do dyskusji można powiedzieć, co następuje: im mniej nanometrów, tym mocniejszy chip. Oprócz samej technologii liczba nm jest również ważna dla marketingu.

Co w ogóle oznacza mała jednostka miary na żetonach?

Ale o co chodzi? Co tak naprawdę będzie wyświetlane w marnej odległości 0,0000005 cm lub 0,0000003 cm? Cóż, ujmując to jeszcze raz bardzo prosto: chodzi o rozmieszczenie tranzystorów na chipie. Im mniejsza odległość, tym szybciej i sprawniej można wymieniać informacje w postaci elektronów. Tak więc im mniejsza liczba nm, tym więcej tranzystorów na obszar i mniejsze zużycie zasobów na wysiłek obliczeniowy. Rezultatem są kompaktowe, wysokowydajne komponenty.

Oprócz odległości między tranzystorami ważna jest również wielkość samego chipa. Ponieważ gęstość tranzystorów ma sens tylko wtedy, gdy znasz również obszar. W ten sposób można obliczyć, ile tranzystorów jest faktycznie zainstalowanych. Więcej na ten temat poniżej. Sama specyfikacja architektury nm służy przede wszystkim do powiedzenia: „Jesteśmy o krok dalej, chipy są bardziej wydajne i (teoretycznie) wytwarzają więcej mocy obliczeniowej przy mniejszym zużyciu energii na mniejszej przestrzeni”.

Kolejny poziom: chipy o architekturze 2 nm od IBM, TSMC i Co.

Podczas gdy w przypadku notebooków Apple kwestia 5 nm lub 3 nm jest w powietrzu, następna generacja chipów i gęstości tranzystorów jest już poruszana gdzie indziej. W końcu powyższe rozważania jeszcze się nie skończyły. IBM pokazał już chip 2021 nm jako prototyp w maju 2 roku. Czy raczej: odpowiednik 2 nm, ponieważ pomiar dotyczy bezpośrednio dwuwymiarowej odległości między jednostkami obliczeniowymi, ale niektóre półprzewodniki są obecnie opracowywane w bardziej zwartym procesie 3D, dlatego oznaczenie nm nie jest już tak precyzyjne i porównywalne .

Jest jeden w Ars Technica Wkład z maja 2021, który zajmuje się tematem. Znajdziesz tam również przegląd liczby tranzystorów na milimetr kwadratowy na poszczególnych chipach. Oto fragment dla lepszego zrozumienia i porównywania komponentów:

• Procesory Intel do komputerów stacjonarnych z 14 nm: maks. 45 milionów tranzystorów na mm²
• Procesory do laptopów Intel z 10 nm: maks. 100 milionów tranzystorów na mm²
• SoC Apple M1 z 5 nm: maks. 171 milionów tranzystorów na mm²
• Jabłkowy Krzem z 3 nm: szacunkowo maks. 292 miliony tranzystorów na mm²
• Prototyp chipa IBM z 2 nm: maks. 333 miliony tranzystorów na mm²

Zalety coraz mniejszych konstrukcji i coraz mniejszych odległości między tranzystorami

Zanim spróbuję wykorzystać niedopracowane informacje do argumentowania za nową nazwą chipów komputerowych, przyjrzyjmy się szczegółowym zaletom rozwoju technicznego, który za tym stoi. Ponieważ oprócz całej teorii i wyścigu o najmniejszą liczbę nm (niezależnie od tego, czy jest ona prawdziwa w 2D, czy jako odniesienie w 3D), ważne jest również zrozumienie, dlaczego wszystkie te rozważania i wysiłki w ogóle istnieją. Oto najważniejsze zalety coraz mniejszych lub gęstszych tranzystorów na chipach:

• Procesory mogą mieć więcej „rdzeni” na mniejszej przestrzeni, a tym samym uzyskiwać większą moc przy jednoczesnym oszczędzaniu energii
• Informacje docierają szybciej na krótszych dystansach, mogą być przetwarzane szybciej i zużywają mniej zasobów
• Możliwe są mniejsze projekty chipów i ogólnie urządzeń końcowych, dzięki czemu urządzenia mobilne (iPhone, MacBook, iPad itp.) stają się coraz bardziej wydajnymi narzędziami cyfrowymi
• Ze względu na mniejsze zużycie zasobów, czyli energooszczędność, rozwój cieplny sprzętu jest mniejszy - wymagane jest mniejsze chłodzenie, a technologia jest trwalsza
• Na urządzeniach mobilnych, takich jak laptopy, smartfony, tablety itp., to wszystko oznacza dłuższą żywotność baterii

Optymalizacja DIY: Spraw, aby Apple MacBook Air był jeszcze bardziej wydajny

Czy jednostka chipu nm jest nadal aktualna?

Jak już wspomniano powyżej, coraz mniejsze stają się nie tylko rozmiary i odstępy między tranzystorami w procesorach, układach graficznych itp. Fizyczna struktura samych chipów jest również stale dostosowywana. Z tego powodu niektóre oznaczenia są używane jedynie jako odniesienie w celu ustalenia porównywalności ze starszą technologią. Dla osób, które nie zajmują się tematem dogłębnie, na pierwszy rzut oka może to być niezrozumiałe, a w najgorszym przypadku może nawet wprowadzać w błąd. Być może po ponad półwieczu powinniśmy pomyśleć o nowej nomenklaturze.

Tradycyjne etykietowanie a dokładne ilości

Znalezienie i zastosowanie nowego, bardziej precyzyjnego oznaczenia półprzewodników, układów scalonych, procesorów czy jakkolwiek chcesz nazwać sprzęt, nie jest oczywiście moim pomysłem. Jednak dobrze pasuje do rozważań tutaj i jest również w obiegu od kwietnia 2020 r. w jednym Wkład z HPCwire, w stosunku do papier podjęte przez IEEE, można znaleźć przydatne informacje. W artykule stwierdzono między innymi, że naukowcy z MIT, Stanford University, University of California/Berkeley oraz producenta chipów TSMC na Tajwanie woleliby specyfikację gęstości.

W tym celu zaproponowano terminy DL, DM i DC. DL podaje gęstość tranzystorów procesora w n/mm² na. DM wskazuje gęstość bitową pamięci głównej (obecnie DRAM oddzielona od SoC), również w n/mm². DC ma na celu wskazanie gęstości połączeń między pamięcią główną a procesorem, również tutaj w n/mm². 

Powiązany artykuł mówi o zastosowaniu trzech wartości: „Według autorów, dzisiejsze najnowocześniejsze technologie można scharakteryzować przez [38M, 383M, 12K] na podstawie specyfiki projektu.Tak więc proponowane podejście nie jest tak promocyjne jak liczba nm, ponieważ musisz zrozumieć znaczenie trzech różnych wartości. Ale jest to technicznie dokładniejsze.

Podsumowanie dotyczące chipów komputerowych i rozmiarów nm

Podsumowując, wielkość i odstępy między tranzystorami w procesorach komputerowych, takich jak procesory i karty graficzne, są tradycyjnie określane w nanometrach (nm). I nawet jeśli dwuwymiarowa jednostka miary nie ma już większego znaczenia w nowoczesnych chipach, oznaczenia takie jak 5 nm, 3 nm i 2 nm nadal służą jako wartości porównawcze, aby pokazać postęp techniczny za komponentami. Ponieważ żetony stają się szybsze i wydajniejsze. Wątpliwe jest, jakie oznaczenia powinny pochodzić dla jeszcze bardziej zaawansowanych chipów. Są na to rozwiązania, ale trudniej je zrozumieć. 

Johannesa Domke’a

Po ukończeniu szkoły średniej Johannes odbył praktykę jako asystent biznesowy specjalizujący się w językach obcych. Po tym jednak zdecydował się na badania i pisanie, z których został samozatrudniony. Od kilku lat pracuje m.in. dla Sir Apfelota. Jej artykuły obejmują premiery produktów, wiadomości, poradniki, gry wideo, konsole i nie tylko. Śledzi Apple Keynotes na żywo za pośrednictwem transmisji strumieniowej.