Nanometri: cosa sono e come influenzano la nostra cpu

Hai mai sentito parlare dei nanometri di un processore ? Bene, in questo articolo ti parleremo di questa misura. E, soprattutto, quale influenza hanno i nanometri sui chip elettronici e sui diversi elementi a cui ci riferiamo con queste misurazioni.

Qual è il nanometro

Cominciamo precisamente definendo cosa sono i nanometri, perché questo semplice fatto giocherà non solo per l'informatica, ma anche per la biologia e le altre scienze che contano gli studi.

Il nanometro (nm) è una misura della lunghezza che fa parte del Sistema Internazionale (SI). Se consideriamo che il contatore è l'unità standard o di base sulla scala, un nanometro è un miliardesimo di metro o quale sarebbe lo stesso:

In termini comprensibili per un normale essere umano, qualcosa che misura un nanometro, possiamo vederlo solo attraverso un microscopio elettronico ad alta potenza. Ad esempio, un capello umano può avere un diametro di circa 80.000 nanometri, quindi immagina quanto è piccolo un componente elettronico che è solo 14 nm.

Questa misura è sempre esistita, è ovvio, ma per la comunità hardware ha avuto una rilevanza speciale negli ultimi anni. A causa della forte concorrenza dei produttori per creare circuiti integrati basati su semiconduttori o transistor sempre più piccoli.

Il transistor

Transistor e schema elettronico

Probabilmente hai sentito parlare passivo e attivo dei transistor di un processore. Possiamo dire che un transistor è l'elemento più piccolo che può essere trovato in un circuito elettronico, ovviamente, evitando elettroni ed energia elettrica.

I transistor sono elementi realizzati in materiale semiconduttore come silicio o germanio. È un elemento che può comportarsi come un conduttore di elettricità o come un suo isolante, a seconda delle condizioni fisiche a cui è sottoposto. Ad esempio, un campo magnetico, temperatura, radiazione, ecc. E ovviamente con una certa tensione, essendo il caso dei transistor di una CPU.

Il transistor è presente in tutti i circuiti integrati che esistono oggi. La sua enorme importanza sta in ciò che è in grado di fare: generare un segnale di uscita in risposta a un segnale di ingresso, ovvero consentire o meno il passaggio di corrente prima di uno stimolo, creando così il codice binario (1 corrente, 0 non attuale).

Porte logiche e circuiti integrati

Porte NAND

Attraverso un processo litografico, è possibile creare circuiti con una certa struttura composta da diversi transistor per formare le porte logiche. Un gate logico è l'unità successiva dietro il transistor, un dispositivo elettronico in grado di eseguire una determinata funzione logica o booleana. Con alcuni transistor collegati in un modo o nell'altro, possiamo aggiungere, sottrarre e creare porte SI, AND, NAND, OR, NOT, ecc. Ecco come viene data la logica a un componente elettronico.

Ecco come vengono creati i circuiti integrati, con una successione di transistor, resistori e condensatori in grado di formare quelli che ora vengono chiamati chip elettronici.

Litografia o fotolitografia

Wafer di silicio

La litografia è il modo per costruire questi chip elettronici estremamente piccoli, in particolare è derivato in nome della fotolitografia e quindi della nanolitografia, poiché questa tecnica ai suoi inizi è stata utilizzata per incidere il contenuto su pietre o metalli.

Quello che si sta attualmente facendo è usare una tecnica simile per creare semiconduttori e circuiti integrati. Per fare ciò, vengono utilizzati wafer di silicio spessi nanometri che, attraverso processi basati sull'esposizione alla luce di determinati componenti e sull'uso di altri composti chimici, sono in grado di creare circuiti di dimensioni microscopiche. A loro volta, questi wafer vengono impilati fino a ottenere un inferno di un chip 3D complesso.

Quanti nanometri hanno gli attuali transistor?

I primi processori basati su semiconduttori apparvero nel 1971 da Intel con il suo innovativo 4004. Il produttore è riuscito a creare transistor da 10.000 nm, o 10 micrometri, con un massimo di 2.300 transistor su un chip.

Iniziò così la corsa alla supremazia nella microtecnologia, attualmente nota per la nanotecnologia. Nel 2019, abbiamo chip elettronici con un processo di produzione a 14 nm fornito con l'architettura Intel Broadwel, 7 nm, con l'architettura Zen 2 di AMD e persino test a 5 nm sono stati effettuati da IBM e altri produttori. Per metterci in una situazione, un transistor da 5 nm sarebbe solo 50 volte più grande della nuvola di elettroni di un atomo. Alcuni anni fa era già possibile creare un transistor da 1 nm, sebbene si tratti di un processo puramente sperimentale.

Pensi che tutti i produttori producano i propri chip? Bene, la verità è che no, e nel mondo, possiamo trovare quattro grandi potenze dedicate alla produzione di chip elettronici.

• TSMC: questa azienda di micro-tecnologia è uno dei principali assemblatori di chip al mondo. In effetti, produce processori di marchi come AMD (la parte principale), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei o Texas Instrument. È il produttore chiave nei transistor a 7nm. Global Foundries - Questo è un altro dei produttori di wafer di silicio con il maggior numero di clienti, tra cui AMD, Qualcomm e altri. Ma in questo caso con transistor a 12 e 14 nm tra gli altri. Intel: il gigante blu ha una propria fabbrica di processori, quindi non dipende da altri produttori per creare i suoi prodotti. Forse è per questo che l'architettura a 10 nm sta impiegando così tanto tempo a svilupparsi contro i suoi concorrenti a 7 nm. Ma stai certo che queste CPU saranno brutali. Samsung: la società coreana ha anche una propria fabbrica di silicio, quindi siamo alle stesse condizioni di Intel. Creazione di processori personalizzati per smartphone e altri dispositivi.

Legge di Moore e limite fisico

Transistor al grafene

La famosa Legge di Moore ci dice che ogni due anni il numero di elettroni nei microprocessori raddoppia, e la verità è che questo è stato vero fin dall'inizio dei semiconduttori. Attualmente, i chis sono venduti con transistor a 7 nm, in particolare AMD ha processori in questa litografia per desktop, AMD Ryzen 3000 con l'architettura Zen 2. Allo stesso modo, anche produttori come Qualcomm, Samsung o Apple hanno Processori 7nm per dispositivi mobili.

Il nanometro da 5 nm è impostato come limite fisico per realizzare un transistor a base di silicio. Dobbiamo sapere che gli elementi sono costituiti da atomi e questi hanno una certa dimensione. I transistor sperimentali più piccoli al mondo misurano 1nm e sono realizzati in grafene, un materiale basato su atomi di carbonio molto più piccoli del silicio.

Modello Intel Tick-Tock

Modello Intel Tick Tock

Questo è il modello che il produttore Intel ha adottato dal 2007 per creare ed evolvere l'architettura dei suoi processori. Questo modello è diviso in due fasi che si basa sulla riduzione del processo di produzione e quindi sull'ottimizzazione dell'architettura.

La fase di spunta si verifica quando il processo di produzione diminuisce, ad esempio da 22nm a 14nm. Mentre il passo Tock, ciò che fa è mantenere lo stesso processo di produzione e ottimizzarlo nella prossima iterazione invece di ridurre ulteriormente i nanometri. Ad esempio, l'architettura del Sandy Bridge del 2011 è stata la Tock (un miglioramento rispetto a 32 nm di Nehalem), mentre l'Ivy Bridge è stato il tick nel 2012 (ridotto a 22 nm).

A priori, questo piano intendeva fare un anno Tick e continua Tock, ma sappiamo già che il gigante blu ha abbandonato questa strategia dal 2013 con la continuazione di 22 nm in Haswell e il passaggio a 14 nm in 2014 Da allora, l'intero passo è stato Tock, ovvero i 14 nm hanno continuato a essere ottimizzati fino a raggiungere la Intel Core di nona generazione nel 2019. Si prevede che nello stesso anno o all'inizio del 2020 ci sarà un nuovo passo Tick con l'arrivo di 10 nm.

Il prossimo passo: il computer quantistico?

Probabilmente la risposta ai limiti dell'architettura basata sui semiconduttori risiede nell'informatica quantistica. Questo paradigma cambia completamente la filosofia dell'informatica fin dall'inizio dei computer, sempre basata sulla macchina di Turing.

Un computer quantistico non sarebbe basato su transistor, né su bit. Diventerebbero molecole e particelle e Qbit (bit quantici). Questa tecnologia cerca di controllare lo stato e le relazioni delle molecole nella materia per mezzo di elettroni per ottenere un'operazione simile a quella di un transistor. Naturalmente, 1 Qbit non è affatto uguale a 1 bit, poiché queste molecole possono creare non due, ma tre o più stati diversi, moltiplicando così la complessità, ma anche la capacità di eseguire operazioni.

Ma per tutto ciò abbiamo alcune piccole limitazioni, come la necessità di temperature vicine allo zero assoluto (-273 ^o C) per controllare lo stato delle particelle o di avere il sistema montato sotto vuoto.

• Per ulteriori informazioni su tutto ciò, visita questo articolo che abbiamo studiato qualche tempo fa su cos'è il processore quantico.

Cosa influenzano i nanometri nei processori?

Lasciamo alle spalle questo emozionante e complesso mondo dell'elettronica in cui solo i produttori e i loro ingegneri sanno davvero cosa stanno facendo. Ora vedremo quali vantaggi ha la riduzione dei nanometri di un transistor per un chip elettronico.

Transistor a 5 nm

Maggiore densità del transistor

La chiave sono i transistor, determinano il numero di porte e circuiti logici che possono essere inseriti in un silicio di pochi millimetri quadrati. Stiamo parlando di quasi 3 miliardi di transistor in una matrice da 174 mm ² come Intel i9-9900K da 14 nm. Nel caso dell'AMD Ryzen 3000, circa 3, 9 miliardi di transistor in un array da 74 mm ² con 7 nm.

Maggiore velocità

Quello che fa è fornire al chip molta più potenza di elaborazione, poiché è in grado di bloccarsi con molti più stati su un chip con una maggiore densità di semiconduttori. In questo modo, vengono ottenute più istruzioni per ciclo o, ciò che è lo stesso, aumentiamo l'IPC del processore, come ad esempio se confrontiamo i processori Zen + e Zen 2. In effetti, AMD afferma che le sue nuove CPU hanno aumentato il loro CPI core fino al 15% rispetto alla generazione precedente.

Maggiore efficienza energetica

Avendo transistor con meno nanometri, la quantità di elettroni che li attraversano è inferiore. Di conseguenza, il transistor cambia stato con un alimentatore inferiore, quindi questo migliora notevolmente l'efficienza energetica. Quindi diciamo che possiamo fare lo stesso lavoro con meno energia, quindi stiamo generando più potenza di elaborazione per watt consumato.

Questo è molto importante per le apparecchiature alimentate a batteria, come laptop, smartphone, ecc. Il vantaggio di avere processori a 7 nm ci ha fatto avere telefoni con incredibili autonomie e prestazioni spettacolari con il nuovo Snapdragon 855, il nuovo A13 Bionic di Apple e il Kirin 990 di Huawei.

Chip più piccoli e più freschi

Ultimo ma non meno importante, abbiamo la capacità di miniaturizzazione. Allo stesso modo in cui possiamo mettere più transistor per unità di area, possiamo anche diminuirlo per avere chip più piccoli che generano meno calore. Chiamiamo questo TDP, ed è il calore che un silicio può generare con la sua massima carica, attenzione, non è l'energia elettrica che consuma. Grazie a ciò, possiamo ridurre i dispositivi e riscaldarli molto meno con la stessa potenza di elaborazione.

Ci sono anche degli svantaggi

Ogni grande passo avanti ha i suoi rischi e lo stesso si può dire della nanotecnologia. Avere transistor di meno nanometri rende il processo di fabbricazione molto più difficile da eseguire. Abbiamo bisogno di mezzi tecnici molto più avanzati o costosi e il numero di guasti aumenta sostanzialmente. Un chiaro esempio è che le prestazioni per wafer di chip corretti sono diminuite nel nuovo Ryzen 3000. Mentre in Zen + 12 nm avevamo circa l'80% di chip perfettamente funzionanti per wafer, in Zen 2 questa percentuale sarebbe diminuita al 70%.

Allo stesso modo, anche l'integrità dei processori è compromessa, richiedendo quindi sistemi di alimentazione più stabili e con una migliore qualità del segnale. Ecco perché i produttori delle nuove schede chipset AMD X570 hanno prestato particolare attenzione alla creazione di un VRM di qualità.

Conclusioni sui nanometri

Come possiamo vedere, la tecnologia avanza a passi da gigante, anche se tra qualche anno troveremo processi di produzione che saranno già al limite fisico dei materiali utilizzati con i transistor anche di 3 o 1 nanometri. Quale sarà il prossimo? Beh, certamente non lo sappiamo, perché la tecnologia quantistica è molto ecologica ed è praticamente impossibile costruire un tale computer al di fuori di un ambiente di laboratorio.

Quello che avremo per ora è vedere se in tal caso il numero di core è aumentato ancora di più o se iniziano a essere utilizzati materiali come il grafene che ammettono una maggiore densità di transistor per circuiti elettronici.

Senza ulteriori indugi, ti lasciamo con altri articoli interessanti:

Pensi che vedremo processori da 1nm? Quale processore hai? Speriamo che l'articolo sia stato interessante, dicci cosa ne pensi.