Поява цієї статті на Deep-Review була лише питанням часу. Чимало читачів ставили ті самі питання, суть яких зводилася до наступного: що реально відображає ця цифра (12, 10, 7 або 5 нм) у технічних характеристиках смартфонів, де в процесорі ті самі 5 нанометрів? Що взагалі таке техпроцес і який процесор краще вибрати? Навіть у сучасних друкованих книгах часто зустрічається поширена помилка, ніби ці цифри означають розміри транзисторів, з яких складається процесор. Загалом настав час розібратися з цим питанням! Відразу попереджаю, що стаття розрахована на найширше коло читачів, тобто, за бажанням, усе сказане зможуть зрозуміти навіть діти. Але перш, ніж говорити про нанометри і техпроцес, потрібно розібратися з транзистором. Без розуміння цього пристрою вся наша подальша розмова буде позбавлена сенсу. Транзистор це основа будь-якого процесора, пам'яті та інших мікросхем. Він є крихітним пристроєм, здатним працювати у двох режимах: посилення або перемикання електричного сигналу. Нас цікавить саме режим перемикача. Основа будь-якої обчислювальної техніки - це одиниці та нулики. Перегляд відео на смартфоні, прослуховування музики, доповнена реальність та нейронні мережі – все це працює на «одиничках і нуликах»: Саме для отримання одиниць та нулів ми використовуємо транзистори. Коли з цього мініатюрного пристрою виходить струм, ми говоримо, що це одиниця, коли немає електричного сигналу — отримуємо нуль. Відповідно, один транзистор - це абсолютно марна нісенітниця, яка не зможе зробити нічого. Навіть щоб порахувати 2+2 нам потрібні десятки транзисторів. Отже, для створення транзистора ми беремо трохи піску (умовно якусь частину однієї піщинки) і робимо з нього мікроскопічну основу: Це буде наша кремнієва підкладка (кремній одержують саме з піску). Тепер потрібно на цю основу завдати дві області. Я думав, чи варто занурюватися у фізику цього процесу та пояснювати, як ці області робляться і що там відбувається на рівні електронів, але вирішив не перевантажувати статтю зайвою інформацією. Тому будемо трохи абстрагуватися. Отже, робимо дві області: одну струм подаємо (вхід у транзистор), та якщо з іншого — зчитуємо (вихід): Ми зробили ці області всередині кремнієвої підкладки таким чином, щоб струм не міг пройти від входу до виходу. Він зупинятиметься самим кремнієм (показаний зеленим кольором). Щоб струм зміг пройти від входу до виходу по поверхні кремнієвої підкладки, потрібно зверху розмістити провідний матеріал (скажімо, метал) і добре його ізолювати: А тепер найважливіше! Коли ми подамо напругу на цей ізольований шматочок металу, розміщений над кремнієвою підкладкою, він створить довкола себе електричне поле. Ізоляція ніяк не впливатиме на дію цього електричного поля. І тут відбувається вся магія: шар кремнію під дією цього електричного поля починає проводити струм від входу до виходу! Тобто коли ми подаємо напругу, струм може легко протікати між двома областями: Ось і все! Залишилася справа за малим — підключити «дроти» (електроди) до входу, виходу та шматочка ізольованого металу, за допомогою якого ми й включатимемо/вимикатимемо транзистор.Назвемо їх так: Для закріплення матеріалу трохи пограємося з цим транзистором. Отже, транзистор перебуває під напругою, тобто електрика подається на джерело. Але на затворі струму немає, тому що на наш транзистор не прийшла одиниця. Відповідно затвор «закрив» транзистор і струм по ньому пройти далі не зможе, тож і на виході з транзистора ми отримуємо нуль: Тепер ситуація змінилася і на затворі транзистора з'явилася напруга, яка створила електричне поле, що дозволило струму пройти через транзистор від початку до стоку. Як результат – транзистор видав одиницю (є електричний сигнал): Ось так просто! Тобто, основна напруга надходить на вхід до всіх транзисторів, але чи кожен конкретний транзистор буде пропускати цей струм далі — залежить від незначної напруги на затворі. Ця напруга може з'являтися, наприклад, коли інший транзистор, підключений до цього, відправив електричний імпульс (одиницю). Цього знання більш ніж достатньо для того, щоб відповісти на всі інші питання щодо нанометрів та логіки роботи процесора. Про те, які фізичні процеси стоять за таким нехитрим перемикачем, тобто, що саме змушує електрони проходити кремнієм, коли над ним з'являється електричне поле, я розповідати не буду. Можливо, про легування кремнію фосфором і бором, p-n переходах та електричних полях ми поговоримо якось іншим разом. А зараз перейдемо до основного питання. Припустимо, у нас є сучасний смартфон, процесор якого виконаний за 7-нм техпроцесом.Що всередині такого процесора має 7 нанометрів? Пропоную вам вибрати правильний варіант відповіді: Який би варіант ви не обрали, ваша відповідь — неправильна, тому що нічого з перерахованого не має такого розміру. Якби це ж питання я поставив років 20 тому, правильною відповіддю була б довжина затвора (або довжина каналу, по якому протікає струм від стоку до витоку): Стоп! Довжина каналу, ширина, площа та яка різниця, що в чому вимірюється!? Навіщо взагалі вигадали ці назви техпроцесів, для чого вони потрібні простим людям? Що взагалі має показувати техпроцес звичайному покупцю? Навіщо йому знати таку ж довжину затвора транзистора? Давним давно одна людина на ім'я Гордон Мур (засновник корпорації Intel) задумалася про те, як швидко розвиваються технології. Під словом "розвиток" він мав на увазі зростання кількості транзисторів, що містяться на одній і тій же площі. Справа в тому, що цей показник безпосередньо впливає на швидкість обчислень. Процесор, що вміщає всього 1 млн. транзисторів, буде працювати набагато повільніше, ніж той, усередині якого знаходяться 10 млн. транзисторів. Більше того, зменшуючи розмір транзистора, автоматично знижується його енергоспоживання (струм, що проходить через транзистор, пропорційний відношенню його ширини до довжини.). Також зменшується розмір затвора та його ємність, дозволяючи йому перемикатися ще швидше. Загалом одні плюси! Так от, ця людина спостерігала за історією розвитку обчислювальної техніки та помітила, що кількість транзисторів на кристалі подвоюється приблизно кожні 2 роки. Відповідно, розміри транзисторів зменшуються на корінь із двох разів. Іншими словами, потрібно множити кожну сторону квадратного транзистора на 0.7, щоб площа зменшилася вдвічі: Це спостереження отримало назву «закон Мура» і так народилося маркування техпроцесу: кожні два роки цю цифру множили на 0.7. Наприклад, при переході від 1000-нм техпроцесу до 700-нм кількість транзисторів на чіпі зросла в 2 рази. Приблизно те саме можна сказати і про всі сучасні процесори: 14 нм -> 10 нм -> 7 нм -> 5 нм. Кожне наступне покоління просто множимо на 0,7, припускаючи, що кількість транзисторів там збільшувалася вдвічі. Повторюся, до певного моменту ця цифра означала довжину каналу (або довжину затвора), оскільки ці елементи зменшувалися пропорційно до розміру транзистора. Але потім вдалося скорочувати довжину затвора швидше ніж інші частини транзистора. З тих пір пов'язувати розмір затвора з техпроцесом стало не зовсім коректно, оскільки це вже не відображало реального збільшення густини розміщення транзисторів на кристалі. Наприклад, у 250-нм техпроцесі довжина затвора становила 190 нанометрів, але транзистори були упаковані настільки щільно порівняно з попереднім техпроцесом, щоб називати його 190-нанометровим (за розміром затвора). Це не відбивало б реальної щільності. Потім довжина каналу взагалі перестала зменшуватися кожні два роки, оскільки з'явилася нова проблема. При подальшому зменшенні довжини каналу електрони могли обходити вузький затвор, так як блокуючий ефект був недостатньо сильним. Більше того, такі витоки виникали постійно, викликаючи підвищене енергоспоживання та нагрівання транзистора (і, як наслідок, всього процесора). Загалом техпроцес відв'язали від довжини затвора і взяли просто групу з декількох транзисторів (так звану осередок) і площу цього осередку використовували для назви техпроцесу. Наприклад, в 100-нм техпроцесі осередок з шести транзисторів займала, скажімо, 100 000 нанометрів (це умовна цифра з голови). Компанія завзято працювала над зменшенням розмірів транзисторів або збільшенням щільності їх розміщення і через кілька років досягла того, що в новому процесорі цей же осередок займає вже 50 000 нм. Не важливо, чи зменшився розмір транзисторів або просто вдалося запакувати їх щільніше (за рахунок скорочення шару металу та інших хитрощів), можна сміливо говорити, що кількість транзисторів на кристалі зросла вдвічі. Отже ми множимо попередній техпроцес (100 нм) на 0.7 і отримуємо новий процесор, виконаний по 70-нм техпроцесу. Однак, коли ми дійшли до 22-нанометрового техпроцесу, зменшувати довжину затвора вже було нереально, оскільки електрони проходили б крізь цей затвор і транзистори постійно пропускали б струм. Рішення виявилося простим і геніальним — потрібно взяти канал, яким проходить струм і підняти його вгору, над кремнієвою основною, щоб він повністю проходив через затвор: Тепер весь простір, яким йде струм, управляється затвором, оскільки повністю їм оточено. А раніше, як бачимо, цей затвор знаходився зверху над каналом і створював порівняно слабкий блокуючий ефект. З новою технологією, що отримала назву FinFET, можна було продовжувати зменшувати довжину затвора і розміщувати ще більше транзисторів, оскільки вони стали вужчими (порівняйте на малюнку ширину каналу). Але говорити про розміри транзистора стало взагалі безглуздо.Не зовсім зрозуміло навіть, як ці розміри тепер вираховувати, коли транзистор із плоского перетворився на тривимірний. Таким чином, техпроцес повністю «відірвався» від будь-яких реальних величин і просто умовно означає збільшення щільності транзисторів щодо попереднього техпроцесу. Наприклад, довжина каналу в 14-нм процесорі від Intel становить 24 нанометри, а Samsung — 30 нанометрів. Відрізняються й інші метрики цих процесорів, зроблених, начебто, за однаковим техпроцесом. Більше того, довжина затвора – не найменша частина транзистора. У тому ж 14-нм процесорі ширина каналу взагалі складається з кількох атомів і становить 8 нанометрів! Тобто техпроцес — це навіть не опис найменшої частини транзистора. Іншими словами, нанометровий техпроцес не визначає розміри транзисторів. Сьогодні це умовна цифра, що означає щільність розміщення транзисторів чи збільшення кількості транзисторів щодо попереднього техпроцесу (що безпосередньо впливає швидкодія процесора). У будь-якому випадку, важливо запам'ятати просте правило та користуватися ним при аналізі характеристик смартфона: Різниця техпроцесу в 0.7 разів означає дворазове збільшення кількості транзисторів Наприклад можемо подивитися на останні чіпи від Apple. У 10-нм процесорі Apple A11 Bionic міститься 4.3 млрд транзисторів, а в 7-нм Apple A13 Bionic - 8.5 млрд транзисторів. Тобто, бачимо, що техпроцес відрізняється в 0.7 разів, а кількість транзисторів - у 2 рази. Відповідно, 7-нм процесор набагато продуктивніший за 10-нанометровий. Продовжуючи аналогію, в 5-нм процесорі має вміщуватися вдвічі більше транзисторів, ніж у 7-нанометровому! Якщо вас не дуже дивує цей факт, обов'язково почитайте на дозвіллі мою замітку про експонентний розвиток технологій. Отже, коли ви будете дивитися на два смартфони з 14-нм і 10-нм процесорами, то знайте, що в останньому набагато більше транзисторів, відповідно, його обчислювальна потужність помітно вища. Так і слід скористатися «техпроцесом» при виборі телефону. А якщо вам цікаво, як ці бездушні транзистори вміють «думати», робити складні обчислення, показувати фільми чи програвати музику, тоді відповіді на ці запитання читайте у нашому новому матеріалі! Олексій, глав. редактор Deep-Review P.S. Не забудьте передплатити Telegram на наш науково-популярний сайт про мобільні технології, щоб не пропустити найцікавіше! Як би ви оцінили цю статтю? Натисніть на зірочку для оцінки Під час обговорення процесорів ви можете зустріти такі терміни, як 5нм, 7нм, 10нм та 14нм. Ці числа є розміром процесора, а саме відстанню між транзисторами на кристалі. Найменші розміри, наприклад 5 нм, призводять до більш високої щільності транзисторів, забезпечуючи покращену продуктивність та енергоефективність. Оскільки виробники чіпів продовжують впроваджувати інновації, нанометр (нм) вимірювання стали критично важливими порівняння різних процесорних технологій. Найменше значення нм відповідає досконалішому виробничому процесу, що призводить до створення більш потужних і ефективних процесорів. Ось кілька ключових моментів, які слід пам'ятати при розумінні розмірів процесора: Однак досягнення менших розмірів транзисторів обмежене через фізичні та технічні обмеження. Оскільки галузь прагне ще менших розмірів у пошуках кращої продуктивності та ефективності, виникають нові проблеми в розробці напівпровідників. Щоб забезпечити максимальну зручність для користувачів, важливо збалансувати потужність, продуктивність та вартість. Нанометри (нм) грають вирішальну роль виробництві процесорів. Значення нм є розміром найменшої деталі транзистора. Найменші значення нм відповідають меншим, ефективнішим і швидшим процесорам. Енергоефективність: Чим менший транзистор, тим менше енергії він споживає Ви виявите, що процесори з меншими значеннями нм більш енергоефективні, ніж процесори з більшими значеннями нм. Таке зниження енергоспоживання запобігає перегріву та потенційно продовжує термін служби батареї вашого пристрою. ефективності: процесори з меншими транзисторами дозволяють розмістити більше транзисторів на заданій площі. Вища щільність транзисторів підвищує продуктивність, оскільки процесор може обробляти більше завдань одночасно. Процес виготовлення: Перехід від транзисторів більшого розміру до менших потребує складного та просунутого процесу виготовлення. Минулими роками ми стали свідками зменшення розміру транзисторів з 14 нм до 10 нм, 7 нм, а тепер і 5 нм процесорів. Очікується, що ця тенденція мініатюризації продовжиться, розширюючи межі обчислювальної потужності. Розмір процесора 5 нм забезпечує найвищу продуктивність та енергоефективність у порівнянні з аналогами. Приблизною щільністю транзисторів 171.3 мільйона на мм² ви можете очікувати вищої продуктивності та нижчого енергоспоживання у пристроях, що використовують цю технологію. Цей розмір підходить для розвинених програм, таких як штучний інтелект, машинне навчання та рішення для центрів обробки даних, що вимагають значно високої обчислювальної потужності. Такі виробники, як Apple і TSMC, вже впровадили 5-нм процесори у свої продукти, що призвело до помітного покращення продуктивності та часу автономної роботи таких пристроїв, як iPhone 12 та чіп A14 Bionic. Розмір процесора 7 нм, як і раніше, є відмінним вибором для сучасних пристроїв, забезпечуючи баланс між продуктивністю, енергоефективністю та економічною ефективністю. Завдяки щільності транзисторів близько 91.2 мільйонів транзисторів на мм² такі лідери галузі, як AMD, Samsung та Qualcomm, широко впровадили цю технологію у високопродуктивні продукти, такі як серія Ryzen 3000 та Snapdragon 855. Пристрої, що використовують 7-нм процесори, володіють покращеною продуктивністю та зниженим енергоспоживанням, що робить їх ідеальними для високопродуктивних смартфонів, ноутбуків та ігрових консолей. Однак важливо відзначити, що 5-нм техпроцес забезпечує трохи кращу продуктивність і ефективність. Розмір процесора, виготовлений по 10-нм техпроцесу, із щільністю транзисторів близько 52.5 мільйонів транзисторів на мм² забезпечує значне підвищення продуктивності та енергоефективності порівняно з 14-нм процесором. Ви можете знайти цю технологію в різних пристроях, оскільки її було прийнято такими компаніями, як Intel і MediaTek, для своїх відповідних лінійок продуктів. Хоча 10-нм процес значно модернізує стару 14-нм технологію, він поступається процесорам 7-нм та 5-нм розмірів за продуктивністю та підвищення енергоспоживання. Розмір процесора 14 нм, що характеризується щільністю транзисторів близько 37.5 мільйонів транзисторів на мм², став популярним вибором для різних додатків, особливо у загальних обчисленнях та продуктах початкового рівня. Розвиток 14-нм технології дозволив таким виробникам, як Intel, оптимізувати продуктивність та енергоефективність своєї продукції, наприклад процесорів Core i5 та i7. Хоча 14-нм техпроцес більш доступний і доступний, ніж його менші аналоги, він повинен визнати, що він не може забезпечити той же рівень продуктивності та енергоефективності, що й 5-нм, 7-нм або 10-нм процесори. Що ж до процесорів, їх розмір описується з погляду виробничого процесу, який належить до ширині транзисторів, що у процесорі. Поширені розміри включають 14 нм, 10 нм, 7 нм та 5 нм, при цьому менші розміри покращують продуктивність та енергоефективність. На розмір процесора можуть вплинути кілька факторів: Матеріали та технологія виготовлення: Матеріали, використовувані виготовлення транзисторів, безпосередньо впливають з їхньої розмір. З розвитком технологій виробники розробляють нові методи, дозволяють створювати транзистори меншого розміру. Наприклад, кремній був основним матеріалом, але тепер інші варіанти, такі як нітрид галію (GaN), демонструють потенціал для створення менших за розміром та більш енергоефективних транзисторів. Потужність і тепловиділення: Оскільки транзистори стискаються, вони також споживають менше енергії та виділяють менше тепла. Це критичний фактор при проектуванні процесорів, оскільки підтримання безпечних температур та рівнів потужності життєво важливе для надійної та ефективної роботи. Інженерам необхідно враховувати не тільки розмір пристроїв, а й матеріали та архітектуру, щоб ефективно керувати споживанням тепла та енергії. Вартість та прибутковість: Виробництво процесорів вимагає значних витрат, особливо у впровадженні інновацій та переході на нові виробничі процеси. Найменші розміри вимагають більш сучасного обладнання, що може збільшити виробничі витрати. Крім того, доходність (відсоток функціональних процесорів після виготовлення) може бути спочатку нижчою через проблеми з розробкою процесу. У міру вдосконалення процесу та вдосконалення технологій виробництва продуктивність згодом має підвищуватися, що впливає на прийняття рішень про розмір процесора. Ринковий попит: Вимоги клієнтів, які можуть відрізнятися залежно від програми чи галузі, також відіграють роль у визначенні розміру процесора. Наприклад, мобільні пристрої можуть надавати перевагу енергоефективності та компактності, у той час як високопродуктивні обчислювальні системи можуть зосередитися на обчислювальній потужності. Виробники повинні враховувати ці потреби клієнтів при виборі розміру своїх процесорів. Таким чином, розмір процесора визначається різними факторами, включаючи матеріали, виробничі процеси, енергоспоживання, тепловиділення, вартість, продуктивність та вимоги ринку. Баланс цих факторів має важливе значення для виробництва ефективних, економічних та відповідних процесорів для різних додатків. 5-нм процесорна технологія забезпечує значне покращення продуктивності та ефективності.Завдяки меншому розміру вузла на одному кристалі можна розмістити більше транзисторів, що призводить до підвищення обчислювальної потужності та прискорення операцій. енергоспоживання, порівняно з попередніми поколіннями. 7-нм процесори демонструють помітні покращення в порівнянні з 10- та 14-нм процесорами Зменшений розмір вузла збільшує щільність транзисторів, що призводить до підвищення продуктивності та ефективності. ефективності менш значний, як із переході на 5-нм процесори. 10-нм процесори пропонують істотне оновлення порівняно зі своїми 14-нм аналогами. Зменшення розміру вузла дозволяє збільшити щільність транзисторів, що призводить до підвищення продуктивності та ефективності. Однак різниця у продуктивності між 10- та 7-нм процесорами менш виражена, ніж стрибок із 14-нм на 10-нм. 14-нм процесори широко використовуються в різних пристроях протягом декількох років, і, хоча вони, як і раніше, забезпечують високу продуктивність, зараз вони вважаються застарілими в порівнянні з вузлами меншого розміру.У міру зменшення розміру вузла процесори стають більш ефективними та потужними, тому різниця у продуктивності стає більш помітною. Пристрої з 14-нм процесором можуть споживати більше енергії і забезпечувати меншу обчислювальну потужність, ніж більш просунуті аналоги. Для найкращого поєднання продуктивності та ефективності рекомендується вибирати пристрій із процесором меншого розміру. За останні роки напівпровідникова промисловість досягла значних успіхів у зменшенні розмірів транзисторів у процесорах. Можливо, ви чули про 5нм, 7нм, 10нм та 14нм Розміри процесора. Ці числа є розміром транзисторів і відстанню між ними, що вимірюється в нанометрах (нм). Оскільки виробники розробляють транзистори меншого розміру, продуктивність та ефективність процесора значно покращуються. Зменшені розміри дозволяють розмістити більше транзисторів на одній площі кристала, збільшуючи обчислювальну потужність. Крім того, транзистори меншого розміру споживають менше енергії, що знижує енергоспоживання пристроїв. Перегони за створення вузлів меншого розміру були дуже конкурентними: провідні виробники, такі як Intel, AMD, TSMC і Samsung, перебували в авангарді інновацій. До основних переваг цих досягнень відносяться: В даний час 5nm Ця технологія є передовою розробкою процесорів. Наприклад, чіп Apple A14 Bionic побудований за 5-нм техпроцесом і забезпечує підвищену енергоефективність та продуктивність у порівнянні зі своїм попередником. Тим часом TSMC і Samsung розсувають кордони ще далі, плануючи в найближчому майбутньому впровадити 3-нм техпроцес. На закінчення відзначимо, що перехід до транзисторів меншого розміру, що триває, приніс велику користь напівпровідникової промисловості. Ці досягнення забезпечують більш швидкі та енергоефективні пристрої, покращують взаємодію з користувачем та сприяють інноваціям у різних секторах. У міру розвитку технологій переваги цих розмірів, що постійно зменшуються, транзисторів, ймовірно, стануть більш очевидними і перетворюючими. У міру розвитку технологій ви спостерігатимете постійне зменшення розмірів процесорів. Виробники використовують такі технології, як 5, 7, 10 та 14 нм, для виробництва більш енергоефективних та потужних чіпів. Експерти очікують, що найближчими роками ще менші вузли стануть нормою. Такі компанії, як TSMC та Intel, вже вкладають значні кошти у дослідження та розробки вузлів техпроцесу менше 5 нм. Їх прогрес потенційно призведе до появи 3- та 2-нм процесорів на початку-середині 2020-х років.Ці досягнення підвищать продуктивність, знизять енергоспоживання та збільшать густину транзисторів. Крім того, все ширше поширення технології літографії в крайньому ультрафіолеті (EUV) відкриває нові можливості для більш дрібних та складних конструкцій мікросхем. Лідери галузі прагнуть подолати проблеми, пов'язані з розсіюванням тепла та квантовим тунелюванням, коли транзистори щільно упаковані. Підсумовуючи, можна сказати, що майбутні тенденції у розмірах процесорів спрямовані на розробку ще дрібніших вузлів, таких як 3-нм та 2-нм, з більшою енергоефективністю та продуктивністю. Прогрес у технології EUV-літографії дозволить надалі виробляти більш складні та потужні чіпи. Завдяки цим покращенням ви, як користувач, можете очікувати на ширші можливості обробки даних та підвищення продуктивності своїх пристроїв. Я доклав стільки зусиль, щоб написати цю посаду в блозі, щоб надати вам цінність. Це буде дуже корисно для мене, якщо ви подумаєте, щоб поділитися ним у соціальних мережах або зі своїми друзями/рідними. ДІЛИТИСЯ ♥️
Що таке 10 нм, 7 нм чи 5 нм у смартфоні? Техпроцес для «чайників»
Що таке транзистор у смартфоні? Як він працює і навіщо взагалі потрібний?
Що таке техпроцес чи де ж заховані ці «7 нанометрів»?
Що таке нм у процесорі? Розуміння розмірів чіпів 5, 7, 10 та 14 нм
Подібні читання
Значення нанометрів (нм) у процесорах
Порівняльний аналіз розмірів процесорів
Розмір процесора 5 нм
Розмір процесора 7 нм
Розмір процесора 10 нм
Розмір процесора 14 нм
Чинники, що впливають розмір процесора
Вплив на продуктивність та ефективність
Продуктивність 5-нм процесорів
Продуктивність 7-нм процесорів
Продуктивність 10-нм процесорів
Продуктивність 14-нм процесорів
Технологічні досягнення у розмірах процесорів
Майбутні тенденції у розмірах процесорів