Что такое нанометры
Когда речь идёт об анонсах смартфонов, их производители часто любят указывать на то, что произведены они «на более тонких технологических процессах» нежели год назад, за счёт чего стали производительнее и эффективнее при потреблении энергии. Многие могут при этом не знать, что такое технологический процесс и как он связан со скоростью смартфона и временем его автономной работы.
Кроме того, не кажется ли противоречивым тот факт, что процессоры становятся меньше в размерах и при этом производительнее и менее прожорливыми? Многие привыкли считать, что чем больше — тем сильнее, а чем сильнее, тем выше расход энергии.
Что такое нанометр?
Микропроцессор представляет собой совокупность состоящих из различных материалов слоёв. Наложение определённым образом одного слоя на другой создаёт крошечные электронные компоненты, вроде транзисторов, резисторов, конденсаторов, которые и производят обработку данных. Это не те конденсаторы и транзисторы, которые были в телевизоре, выброшенном вами ещё 20 лет назад. Они стали микроскопическими, располагаясь на подложке и действуя как переключатели. Расстояние между этими компонентами измеряется в нанометрах, что составляет одну миллиардную метра. Чем меньше расстояние, тем больше компонентов можно разместить в чипе.
Существует много причин повышения эффективности чипов при уменьшении расстояния между их компонентами. Уменьшение размеров микропроцессоров снижает ёмкость между транзисторами, что увеличивает частоту их переключения. А так как динамическая мощность, которую транзистор потребляет при переключении электронных компонентов, прямо пропорциональна ёмкости, транзисторы становятся производительнее и расходуют меньше энергии.
Меньшие по размерам транзисторы требуют меньшего рабочего напряжения. Динамические потери мощности пропорциональны квадрату напряжения. Когда уменьшается напряжение, необходимое для управления током через транзисторы, сокращается потребление энергии. И последний фактор в пользу уменьшения размеров технологического процесса (транзисторов) — цена. Чем меньше компоненты, тем больше их можно разместить на пластинах, из которых вырезаются чипы. Хотя меньшие по размеры транзисторы для производства требуют более дорогостоящего оборудования, стоимость инвестиций компенсируется стоимостью пластин.
Почему сокращение техпроцесса занимает в среднем два года?
Физические законы ставят преграды на пути совершенствования технологий. Вот почему маленькие, мощные и эффективные транзисторы больше подвержены токам утечек. Утечки напряжения происходят в компонентах, находящихся в выключенном состоянии, что приводит к расходу энергии даже тогда, когда процессор ничего не делает. В идеальном мире все эти компоненты в узлах сетки были бы устойчивы, но маленькие проблемы электрического тока, такие как колебания, диффузия и т.д., растут с уменьшением компонентов.
Насколько миниатюрными смогут стать компоненты?
В представленной таблице можно увидеть, что самые популярные и мощные на данный момент мобильные процессоры созданы на 20 нм и 28 нм технологических процессах. Сейчас начинается коммерческое развёртывание 14 нм техпроцесса, который Intel использует в своих настольных и мобильных процессорах. Компания ориентирована на достижение 5 нм процесса для чипов к 2020 году, а в 2028 году ожидает достижения 1 нм. Это может стать пределом текущей технологии, и в тот момент промышленность должна будет рассмотреть другие возможности и материалы. Поскольку транзистор размером с атом доступен с 2012 года, производители чипов будут искать способы совершенствования своих производственных методов.