Нанопроцесс мобильных процессоров — что это и почему это очень важно для смартфонов?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Смартфоны и телефоны

Очередной релиз нового iPhone, Samsung Galaxy или какого-нибудь другого флагмана сопровождается целым рядом характеристик, одна из которых звучит загадочно и немного научно: «выполнен по техпроцессу X нм». О чём речь? Почему вдруг размер транзистора стал важнейшим показателем производительности гаджета?

Автор: YandexART Источник: ya.ru

Что значит термин «техпроцесс Х нм»?

Техпроцесс — это технология производства полупроводниковых чипов, измеряемая в нанометрах (нм). Говоря проще, это ширина канала транзистора внутри кристалла микросхемы. Чем меньше значение, тем меньший физический размер имеет элементарный компонент процессора — транзистор.

Чтобы представить масштабы миниатюризации, вспомните, что человеческий волос толщиной примерно 80 тысяч нанометров, а современный процессор выполнен по техпроцессу около 5-7 нм. То есть один канал транзистора тоньше человеческого волоса примерно в 10 тысяч раз! Да-да, буквально микроскопическая революция свершилась прямо у вас в кармане.

Зачем уменьшать размеры транзисторов?

Представьте мегаполис, где дороги узкие, дома высокие, а население стремительно растёт. Для поддержания работоспособности такого города нужно больше дорог, линий электропередачи и площадей. Примерно такая же задача стояла перед инженерами микроэлектроники.

Автор: pikisuperstar Источник: www.freepik.com

С уменьшением размера транзисторов появляется сразу несколько преимуществ.

Больше транзисторов на единицу площади. За счёт уменьшения габаритов одного элемента увеличивается плотность размещения транзисторов на кремниевом кристалле. Больше транзисторов означает большую вычислительную мощность и производительность процессора.

Более высокая энергоэффективность. Уменьшенные транзисторы обладают меньшей ёмкостью и сопротивлением, следовательно, быстрее переключаются и потребляют меньше энергии. Благодаря этому смартфоны дольше работают без подзарядки.

Выход новых возможностей. Меньшие транзисторы позволяют реализовать новые архитектурные решения, улучшая многопоточную обработку, графические возможности и поддержку сложных алгоритмов машинного обучения.

Автор: rawpixel.com Источник: www.freepik.com

Поддержка будущих стандартов связи. Современный мобильный рынок развивается настолько быстро, что поддержка новых протоколов вроде 5G и 6G требует принципиально иных технических подходов. Только уменьшенный техпроцесс способен эффективно справляться с высокими нагрузками и обеспечивать стабильную скорость обработки данных.

Конкуренция на рынке. Производители стремятся обогнать конкурентов, предлагая пользователям наиболее производительные и эффективные решения. Чем ниже показатель техпроцесса, тем выше шансы занять лидирующую позицию на рынке высоких технологий.

А есть ли плюсы у большего техпроцесса?

Да, больший техпроцесс обладает своими преимуществами, которые становятся значимыми в зависимости от конкретной задачи или цели разработчика. Несмотря на то, что современная тенденция направлена на постоянное уменьшение техпроцесса, большие узлы сохраняют свою актуальность и востребованность в ряде областей.

Автор: rawpixel.com Источник: www.freepik.com

Такая технология, к примеру, более проста в производстве. Процессоры, выполненные по большим техпроцессам, легче производить и контролировать. Производство мелких элементов сопряжено с необходимостью дорогостоящего оборудования и сложной технологии изготовления. Большие узлы позволяют применять менее дорогие и распространённые производственные линии, обеспечивая надёжность и долговечность изделия. К тому же сама разработка стоит значительно дешевле.

Большие транзисторы демонстрируют лучшую устойчивость к воздействию окружающей среды, таких как температура, влажность и механические нагрузки. Это свойство делает их идеальными кандидатами для военной техники, космических аппаратов и промышленных применений, где условия эксплуатации могут быть крайне неблагоприятными.

Такие техпроцессы, как правило, используются в автомобильной промышленности, при производстве бытовой техники и так далее.

Развитие рынка

За последние десятилетия индустрия пережила настоящий прорыв в области масштабирования транзисторов. Ещё в середине нулевых доминировали процессоры с техпроцессом 65 нм, позже появилось поколение 45 нм, потом пришли 28 нм, затем 14/16 нм, и наконец наступили эпохи 7 нм и 5 нм.

Автор: xb100 Источник: www.freepik.com

На сегодняшний день компания TSMC выпускает коммерческие продукты с минимальным техпроцессом порядка 3-5 нанометров. Есть информация о разработке технологий на уровне 2 нанометров, а в лабораториях ведутся исследования в направлении 1-нанометровых структур.

Причина столь стремительного прогресса кроется в физических законах: уменьшение ширины каналов транзистора даёт пропорциональное увеличение количества элементов на единице площади, улучшает эффективность охлаждения и уменьшает задержку передачи сигнала. Однако впереди много сложностей, связанных с преодолением фундаментальных барьеров квантовой механики и достижением пределов физического масштаба транзисторов.

Далекое будущее

Дальше возникает интересная граница: с размерами меньше атомарного масштаба (~0,1 нанометра) начинают проявляться эффекты квантовой физики. Здесь появляются совершенно новые явления, такие как туннелирование электрона сквозь барьер, затрудняющее управление состоянием транзистора. Эти процессы ставят физические ограничения на дальнейшее сокращение размеров транзисторов традиционным способом.

Автор: pikisuperstar Источник: www.freepik.com

Следовательно, минимальное практичное значение техпроцесса ограничивается областью порядка нескольких нанометров. Дальнейшее уменьшение потребует перехода к новым технологиям и материалам, возможно, основанным на принципах спинтроники, фотонных технологий или мемристоров.

В данный момент ученые работают над несколькими потенциальными направлениями для обхода текущих ограничений:

  • Использование альтернативных материалов. Кремний постепенно заменяется новыми материалами, такими как углеродные нанотрубки, графен или II-VI полупроводники, которые имеют лучшие свойства для сверхмалых размеров;
  • Разрабатываются трехмерные конструкции. Многослойные структуры могут позволить размещать компоненты вертикально, решая проблему плотности транзисторов;
  • Ищут новые подходы к архитектуре. Развитие специализированных нейроморфных и аналоговых вычислителей способно снизить потребность в традиционной цифровой обработке, облегчая задачи проектирования.

Итог

В настоящий момент минимальный рабочий техпроцесс составляет около 3-5 нанометров, но физическое ограничение лежит в районе единиц нанометров, где вступают в силу законы квантовой физики. Будущие достижения будут зависеть от открытия новых материалов и концептуально новых способов организации вычислительных процессов.

Изображение в превью:
Автор: rawpixel.com
Источник: www.freepik.com
Другое
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)

1 комментарий

s
Вообще то ограничение накладывает кремний и его структура, и к его ограничения уже давно приблизилась а замены пока ищут. И стоило упомянуть что реальные нанометры другие, те что указывают это маркетинг компаний и часто только один компонент может быть самым маленьким остальные гораздо крупнее, а указывается как вся плата сделана с одним тех процессом, в общем врут.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Обзор ZiiGaat x Vivir Digital Rumba: универсальные бюджетные наушники с акцентом на басе

ZiiGaat Rumba — динамические наушники, созданные в сотрудничестве с Vivir Digital (популярным латиноамериканским аудиообзорщиком). Наушники позиционируются как универсальные —...

Зачем Audi и Mazda ещё 30 лет назад устанавливали солнечные панели на серийные машины

Сегодня солнечные панели на автомобили вряд ли вызовут какие-либо эмоции у обычного человека, и здесь все логично, учитывая «зелёную» повестку и современные технологии. Но для чего солнечные...

Почему почти вся Япония сместилась на восток через 15 минут после землетрясения 2011 года: научное объяснение феномена

11 марта 2011 года в Тихом океане у северо-восточного побережья острова Хонсю произошло землетрясение Тохоку магнитудой 9,0. Оно стало сильнейшим в истории наблюдений Японии. Основной...

Мозг способен воспринимать «невидимый» текст: как мы понимаем значение слов, которые не успели рассмотреть

Группа когнитивных нейробиологов из Франции и Великобритании экспериментально доказала, что человек способнен осознать абстрактный смысл визуального стимула, даже если его физические характеристики...

Из свалки в музей: как старые неоновые вывески Лас-Вегаса стали популярной туристической локацией

Не всякая свалка становится музеем, но местечку в Неваде близ Лас-Вегаса повезло совершить невероятный карьерный рост. Возможно, потому что в нем собраны не просто железки, а железки с историей!...

Почему песок из Сахары нельзя использовать в строительстве даже при дефиците сырья

В мире существует огромный спрос на песок, используемый в строительстве. Но почему же пески Сахары не могут удовлетворить спрос строителей из Каира или Дубая, а заказчикам приходится...