ナノメーター：それらは何であり、どのように私たちのCPUに影響するか

プロセッサのナノメートルについて聞いたことがありますか？ さて、この記事では、この方法についてすべてお話します。 そして最も重要なのは、ナノメーターが電子チップとこれらの測定で参照するさまざまな要素にどのような影響を与えるかです。

ナノメートルとは

ナノメートルとは何かを正確に定義することから始めましょう。この単純な事実は、コンピューティングだけでなく、生物学やその他の研究に重要な科学においても多くの役割を果たすからです。

ナノメートル（nm） は 、国際システム（SI）の一部である長さの尺度です 。 メートルがスケールの標準または基本単位であると考えると、 ナノメートルはメートルの10億分の1、または同じものになります。

普通の人間が理解できる言葉、つまりナノメートルを測定するものは、高性能の電子顕微鏡でしか見ることができません。 たとえば、人間の髪の毛の直径は約80, 000ナノメートルである可能性があるため、電子コンポーネントが14 nmとどれだけ小さいかを想像してみてください。

この措置は常に存在していたことは明らかですが、ハードウェアコミュニティにとっては、近年、特別な関連性がありました。 ますます小型化する半導体 またはトランジスタに 基づいて集積回路を作成するというメーカーの強い競争のため。

トランジスタ

トランジスタと電子回路図

おそらく、プロセッサーのトランジスターに関する受動的および能動的な話を聞いたことがあるでしょう。 トランジスタは、もちろん電子回路で見られる最小の要素であり 、電子と電気エネルギーを避けていると言えます 。

トランジスタは、 シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料で作られた要素です。 それは、それが受ける物理的条件に応じて、電気の導体またはその絶縁体として振る舞うことができる要素です。 たとえば、磁場、温度、放射など。 そしてもちろん、特定の電圧で、CPUのトランジスタの場合です。

トランジスタは、今日存在するすべての集積回路に存在しています。 その非常に重要なことは、それができることです。つまり、入力信号に応答して出力信号を生成します。つまり、刺激の前に電流の通過を許可するかどうか によって、バイナリコード （1電流、0最新ではありません）。

論理ゲートと集積回路

NANDポート

リソグラフィープロセスにより、いくつかのトランジスタで構成された特定の構造を持つ回路を作成して、論理ゲートを形成することができます。 論理ゲートは、 特定の論理機能またはブール機能を実行できる電子デバイスであるトランジスタの後ろの次のユニットです。 いくつかのトランジスタが何らかの方法でリンクされているため、SI、AND、NAND、OR、NOTなどのゲートを追加、削除、作成できます 。 これは、電子部品にロジックが与えられる方法です。

これが、現在電子チップと呼ばれるものを形成することができる一連のトランジスタ、抵抗器、コンデンサを備えた集積回路の作成方法です。

リソグラフィまたはフォトリソグラフィ

シリコンウェーハ

リソグラフィ は、これらの非常に小さな電子チップを構築する方法です 。特に、石や金属の内容を記録するためにこの技術が使用されて以来、 フォトリソグラフィ、そしてナノリソグラフィという名前で派生しています。

現在行われていることは、同様の技術を使用して半導体と集積回路を作成することです。 これを行うには、 ナノメートル厚のシリコンウェーハを使用します。このウェーハは、特定のコンポーネントの露光に基づくプロセスと他の化合物の使用により、微視的なサイズの回路を作成することができます。 次に、これらのウェーハは、複雑な3Dチップの地獄を手に入れるまで積み重ねられます。

現在のトランジスタには何ナノメートルありますか？

最初の半導体ベースのプロセッサは、その革新的な4004を搭載したIntelによって1971年に登場しました 。 メーカーはなんとか10, 000 nmのトランジスタ 、つまり10マイクロメートルを作成し、チップ上に最大2, 300のトランジスタを搭載しました。

したがって、現在ナノテクノロジーで有名なマイクロテクノロジーの覇権をめぐる競争が始まった。 2019年には、IntelのBroadwelアーキテクチャ、7 nm、AMDのZen 2アーキテクチャに付属する14 nm製造プロセスの電子チップがあり、5 nmのテストさえIBMや他のメーカーによって実施されています。 私たちが状況に身を置くために、5nmトランジスタは、原子の電子雲の50倍だけ大きいでしょう。 数年前、純粋に実験的なプロセスでしたが、1 nmのトランジスタを作成することはすでに可能でした 。

すべてのメーカーが独自のチップを作っていると思いますか？ まあ、真実はありません、そして世界では、電子チップの製造に捧げられている4つの大きな力を見つけることができます。

• TSMC ：このマイクロテクノロジー企業は、世界をリードするチップアセンブラーの 1つです。 実際、 AMD （コアパーツ）、 Apple、Qualcomm、Nvidia、Huawei、Texas Instrumentなどのブランドのプロセッサを製造しています。 7nmトランジスタの主要メーカーです。 グローバルファウンドリ -これは、AMD、クアルコムなどの顧客が最も多いシリコンウェーハメーカーの1つです。 しかし、この場合、とりわけ12 nmと14 nmのトランジスタを使用します。 Intel ：Blue Giantには独自のプロセッサーファクトリーがあるため、製品の作成は他のメーカーに依存していません。 おそらくこれが、10 nmアーキテクチャが7 nmの競合他社に対抗して開発するのに非常に時間がかかる理由です。 ただし、これらのCPUは残忍なものになるのでご安心ください。 サムスン ：韓国の会社にも独自のシリコン工場があるため、インテルと同じ条件です。 スマートフォンやその他のデバイス用の独自のプロセッサを作成します。

ムーアの法則と物理的限界

グラフェントランジスタ

有名なムーアの法則は、マイクロプロセッサ内の電子の数が2年ごとに2倍になることを教えており、真実はこれが半導体の誕生以来当てはまったことです。 現在、 チは7 nmトランジスタで販売されています 。具体的には、AMDはこのリソグラフィ用デスクトップにプロセッサを搭載し、 AMD Ryzen 3000はZen 2アーキテクチャを搭載しています。同様に、 Qualcomm 、 Samsung、Appleなどのメーカーもモバイルデバイス用の7nmプロセッサ。

5 nmナノメートルは、シリコンベースのトランジスタを作成するための物理的な限界として設定されています。 要素は原子で構成されており、これらには特定のサイズがあることを知っている必要があります。 世界最小の実験用トランジスタは1 nmを測定し、シリコンよりもはるかに小さい炭素原子に基づく材料であるグラフェンでできています。

Intel Tick-Tockモデル

Intel Tick Tockモデル

これは、 Intelがプロセッサのアーキテクチャを作成および進化させるために2007年以来採用している製造元のモデルです。 このモデルは、製造プロセスの削減とアーキテクチャの最適化に基づく2つのステップに分かれています。

Tickステップは、製造プロセスが 、たとえば22 nmから14 nmに減少したときに発生します。 Tockのステップは 、ナノメートルをさらに減らすのではなく、 同じ製造プロセスを維持し、次の反復で最適化することです。 たとえば、2011年のSandy BridgeアーキテクチャはTock（Nehalemの32 nmからの改良） でしたが、Ivy Bridgeは2012年にTick（22 nmに減少）でした。

演繹的に、彼が意図したこの計画は1年間のティックと彼はトックを続けることでしたが、青い巨人が2013年からこの戦略を放棄して、Haswellで22 nmを継続し、 14 nmに移行したことをすでに知っています。 2014 。 それ以来、すべてのステップがTockでした。つまり、14 nmは、2019年に第9世代Intel Coreに到達するまで最適化され続けています。 この同じ年または2020年の初めに、 10 nmの到着とともに新しいTickステップが見込まれます。

次のステップ：量子コンピューター？

おそらく、半導体ベースのアーキテクチャの制限に対する答えは、 量子コンピューティングにあります。 このパラダイムは、常にチューリングマシンに基づいて、コンピューターの最初からコンピューティングの哲学を完全に変えます。

量子コンピュータはトランジスタにもビットにも基づいていません。 それらは分子と粒子とQビット（量子ビット）になります。 この技術は、電子を用いて物質中の分子の状態や関係を制御し、トランジスターと同様の動作を得ようとするものです。 もちろん、 これらの分子は2つではなく3つ以上の異なる状態を作成できるため 、1 Qbitは1ビットとまったく同じではありません。

しかし、これらすべてについて、粒子の状態を制御するために絶対零度（-273 ^o C）に近い温度を必要とする 、またはシステムを真空下に取り付けるなど、いくつかの小さな制限があります。

• これらすべての詳細については、量子プロセッサーとは何かについて少し前に研究したこの記事を参照してください。

ナノメートルはプロセッサにどのような影響を与えますか？

私たちは、メーカーとそのエンジニアだけが実際に何をしているのかを知っている、このエキサイティングで複雑なエレクトロニクスの世界を後にします。 ここで、電子チップ用のトランジスタのナノメートルを減少させることの利点を見ていきます。

5nmトランジスタ

より高いトランジスタ密度

重要なのはトランジスタです。数平方ミリメートルのシリコン内に配置できる論理ポートと回路の数を決定します。 14 nm Intel i9-9900Kなどの174 mm ^2のマトリックスにある約30億のトランジスタについて話している。 AMD Ryzen 3000の場合、 7mmの74mm ²アレイの約39億個のトランジスタ。

高速

これにより、チップの処理能力が大幅に向上します。これは、半導体の密度が高いチップ上で、より多くの状態でロックできるためです。 このようにして、たとえば、Zen +とZen 2プロセッサを比較する場合のように、 1サイクルあたりの命令数が増えるか、同じことがプロセッサのIPCを上げます。実際、AMDは新しいCPUが前世代と比較して最大15％のコアCPI。

優れたエネルギー効率

ナノメートルの数が少ないトランジスタを使用すると、それらを通過する電子の量が少なくなります。 その結果、 トランジスタは低電源で状態を変化させるため、これによりエネルギー効率が大幅に向上します。 したがって、同じ仕事をより少ない電力で実行できるとしましょう。消費電力あたりの処理能力が高くなります。

これは、ラップトップ、スマートフォンなどのバッテリ駆動の機器にとって非常に重要です 。 7 nmプロセッサを使用することの利点は、信じられないほどの自律性を備えた電話を使用できるようになり、新しいSnapdragon 855 、Appleの新しいA13 Bionic、HuaweiのKirin 990による素晴らしいパフォーマンスを実現しました。

小さくて新鮮なチップ

最後に重要なことですが、 小型化機能があります 。 単位面積あたりにより多くのトランジスタを配置できるのと同じように、これを減らしてチップのサイズを小さくし、発熱を少なくすることもできます。 これをTDPと呼びます。これは、シリコンが最大の電荷で生成できる熱であり、消費する電力ではありません。 これのおかげで、デバイスをより小さくすることができ、同じ処理能力で加熱がはるかに少なくなります。

欠点もあります

すべての大きな前進にはリスクがあり、ナノテクノロジーでも同じことが言えます。 ナノメートル未満のトランジスタを使用すると、製造プロセスの実行がはるかに困難になります 。 より高度で高価な技術的手段が必要であり、障害の数は大幅に増加します。 明確な例は、新しいRyzen 3000では正しいチップのウェーハあたりのパフォーマンスが低下したことです。Zen+ 12 nmではウェーハあたり約80％の完全に機能するチップがありましたが、Zen 2ではこの割合が70％に減少しました。

同様に、プロセッサの整合性も損なわれるため、より安定した電源システムが必要になり、信号品質が向上します。 そのため、新しいAMD X570チップセットボードのメーカーは、高品質のVRMの作成に特別な注意を払っています。

ナノメートルに関する結論

ご覧のように、技術は飛躍的に進歩していますが、数年後には、 3ナノメートルまたは1ナノメートルのトランジスタで使用される材料の物理的限界にすでに達している製造プロセスが見つかるでしょう。 次は何でしょう？ 量子テクノロジーは非常に環境に配慮しており、実験室環境の外でそのようなコンピューターを構築することは事実上不可能であるためです。

今のところは、コアの数がさらに増えるか、電子回路用のトランジスタの高密度化を可能にするグラフェンなどの材料が使用され始めるかどうかを確認することです。

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