Napisz do nas

TechPolska.pl

Znajdziesz nas

Producenci procesorów lubują się w prześciganiu, kto stworzył wydajniejszy układ, zawarł w nim nowsze technologie, uczynił go bardziej energooszczędnym czy pokazał, że jest po prostu lepszym wyborem.
Nieodłącznym elementem tych zmagań jest proces technologiczny. Mało kto wie, co tak naprawdę oznacza, lecz imponuje nawet ludziom nieobytym z tematem. 14 nanometrów? To przecież brzmi jak szaleństwo!

Postaram się dzisiaj przybliżyć budowę tranzystora MOSFET, zasadę jego działania i problemów z tym związanych. Przedstawię, jak to się odnosi do procesora i skupię się na wytłumaczeniu, dlaczego 14 nanometrów to mocne…
No właśnie – nadużycie czy niedopowiedzenie?

 

Słów kilka o tranzystorze

Zanim przejdę do wspomnianego wyżej tranzystora typu FET, pasuje powiedzieć kilka słów o typowym, bipolarnym odpowiedniku, który króluje na rynku już od lat ’50  XX wieku! Z wielkim powodzeniem zastąpił lampę elektronową i wprowadził ludzkość w erę miniaturyzacji.

Składa się on z trzech elektrod:

Kolektora (C)
Bazy (B)
Emitera (E)

tranzystor

Prąd płynie od kolektora do emitera, a całością steruje baza. Daje nam to możliwość ukierunkowania bardzo małym prądem działania tranzystora wedle naszych upodobań.

Jest to także konstrukcja półprzewodnikowa. Wyszczególniamy tu typ NPN oraz PNP. To, jak nasz tranzystor będzie działał, zależne jest od jego ułożenia.

tranzystor - konstrukcja

Z najpopularniejszych zastosowań tranzystora można wymienić wzmacnianie sygnału oraz pracę jako przełącznik.

W pierwszym stanie świetnie sprawdzi się przy wzmacnianiu natężenia prądu płynącego w układzie. Skorzystały na tym tanie i popularne, tranzystorowe wzmacniacze audio. Należy jednak pamiętać, że to tylko jedno z milionów jego zastosowań!
Kiedy potrzebujemy jednak zbudować układ cyfrowy, gdzie nie obejdzie się bez bramek logicznych czy prostych switchy sterujących sygnałem – tutaj również pomoże nam tranzystor.

switche

 

Dlaczego MOSFET?

Skoro to taka dobra konstrukcja, to dlaczego wykorzystuje się jakieś MOSFETy? Czym one się różnią? Jakie mają właściwości i co oznacza ten skrót? Zacznijmy od ostatniej kwestii:

M – Metal
O – Oxide
S – Semiconductor
F – Field
E – Effect
T – Transistor

W naszym kraju określa się je mianem tranzystorów polowych z izolowaną bramką.

Powinno to już wiele rozjaśnić w umysłach. Bo o ile typowy tranzystor NPN jest sterowany prądowo, tak w MOSFETach odbywa się to za pomocą napięcia (dlatego polowy).  

Ponownie tranzystor posiada trzy elektrody:

Dren (D)
Bramkę (G)
Źródło (S)

n-channel

Wyróżniamy także tranzystory z kanałem typu N oraz P, do tego wzbogacanym lub zubożanym (widoczny na obrazku wyżej, w praktyce jednak rzadko spotykany).

Inteligentnie zaplanowany układ okazuje się być świetnym przełącznikiem. Kiedy tranzystor pracuje w stanie nasycenia, jego kanał ma bardzo niewielką rezystancję. Oznacza to znakomitą wydajność przy małej stracie mocy.

tranzystor z kanełem n i p

Problemy MOSFETów

Gdzie więc występuje problem? Gdzie nasza róża ma kolce?
Uważni i ciut bardziej obeznani z elektroniką już pewnie zauważyli – na izolowanym złączu bramki tranzystora tworzy się kondensator.
Stwarza on problemy przy podawaniu impulsów o bardzo wysokiej częstotliwości, bo nie dość, że musi się naładować, to jeszcze potem rozładować.
Przez to nie wolno stosować rezystorów na wejściu bramki. W połączeniu z kondensatorem stworzą filtr dolnoprzepustowy i nie wzbudzą naszego tranzystora. 

I dzięki tej informacji możemy zgrabnie przejść do kwestii, dlaczego nasze procesory tak bardzo się grzeją.
Im częściej chcemy przełączać nasz MOSFET, tym wydajniejsze musi być nasze źródło prądowe, bo bramki logiczne w technologii CMOS zwiększają swoje zapotrzebowanie na energię wraz ze wzrostem częstotliwości pracy.

nanometr - cmos

Jest to niemalże bezpośrednia przyczyna wysokich temperatur oraz zapotrzebowań na coraz wyższe napięcie przy overclockingu.

 

Przekraczanie granic

Jak to jednak jest z częstotliwością przełączania samego tranzystora? Czy można na tej podstawie mierzyć wydajność całego układu? Czy oznacza to prędkość naszego CPU?
Wiele portali podało informację, że IBM stworzyło procesor zdolny pracować z częstotliwością 500 GHz.
Jest to okrutna nadinterpretacja!

Owszem, IBM ma swoim portfolio taki projekt, ale mówimy tu o tranzystorze!
Konkretnie o krzemowo-germanowym  tworze zdolnym przełączać swoje stany z częstotliwością ok. 350 GHz w temperaturze pokojowej i 500 GHz  w bliskiej zeru absolutnemu.

nanometr - ibm

Co to oznacza?
Że to nie jest efektywna częstotliwość pracy całego układu! Przełączanie samego tranzystora jest dalekie od taktowania naszego procesora.
Stareńkie Pentiumy 4 mimo bycia powolnymi kobyłami miały zawarte w sobie piekielnie szybkie tranzystory.
Czyli jednak nie ma się czym ekscytować? Wręcz przeciwnie!
To badania i próby przekraczania granic napędzają technologię. Dzisiaj śledzimy pojedyncze i ostrożne kroki – jutro operujemy na terahercach w pojęciu domowym!

 

Era FinFETów

Mamy już wystarczająco informacji, by porozmawiać o procesie technologicznym.
Czy 14nm oznacza rozmiar naszego tranzystora? Jego bramki? Może ścieżek na waflu krzemowym? Nie do końca…

Musimy sobie także uświadomić, że odchodzimy od klasycznego rozwiązania tranzystora, na rzecz FinFETów, dumnie określanych “MOSFETem w 3D”. Niesie to ze sobą masę korzyści; jak mniejsze zapotrzebowanie na prąd, wydajniejsze układy, mniejsze tranzystory.
Jest tutaj jednak pewien problem.

Nanometry w dzisiejszych czasach oznaczają nie tyle rozmiary, co bardziej swoiste kamienie milowe.
Firma Global Foundries – jeden z liderów dzisiejszego rynku coraz mniejszych tranzystorów – na podstawie technologii 20nm stworzyła FinFET, który został usprawniony i przemianowany krótko potem na… 14nm. Czy w takim razie zostaliśmy okłamani? Czy firmy produkujące procesory stosują to jako chwyt marketingowy? Cóż… Jest w tym ziarno prawdy.

nanometr - tranzystor

 

Chodzi tutaj bardziej o dokładność, z jaką możemy składać nasze CPU. Nanometry pozwalają określić skok technologiczny w stosunku do poprzednich rozwiązań. To dzięki nim szary człowiek ma świadomość, jak ten świat pędzi do przodu. Jeszcze nie tak dawno temu mówiono, że granicą są 22nm, potem spadło to do 10nm, a aktualnie firmy tworzą w swoich laboratoriach i w 5nm procesie technologicznym!

Dodatkowo pozwala nam to upchnąć jeszcze więcej naszych FETów na milimetrze kwadratowym wafla krzemowego. Jednak czy więcej tranzystorów zawsze oznacza większą wydajność?
Oczywiście, że tak. Pod warunkiem, że mówimy o tej samej architekturze.

Liczba tranzystorów wykorzystywana do budowy dawnego flagowca Nvidii – GTX 980 Ti, to ok. 8 miliardów
GTX 1070 – dzisiejszej wysokiej półki, jednak dalekiej od flagowca – 7,2 miliarda tranzystorów.

Obydwie karty można śmiało do siebie przyrównać, a w wielu zastosowaniach Pascal wygrywa, mimo mniejszej ilości FETów.

Dlatego proces technologiczny jest tak ważny. To on tak naprawdę określa wydajność komponentów naszego komputera. Jeśli przestalibyśmy go rozwijać i szukać coraz to lepszych rozwiązań, gdzie dziś byśmy byli?

Poza tym należy pamiętać, że układy scalone, mikroprocesory i kontrolery, to nie są jakieś magiczne pudełeczka, które liczą za nas skomplikowane problemy.
Wszystko to, od A do Z, zaprojektował człowiek. Przewidział możliwości, rozplanował i zaprogramował. Dał innym sposobność za niewielkie pieniądze doświadczyć niewyobrażalnej technologii w swoim domu.

Nieważne czy to Intel, AMD, Cortex, Nvidia, Atmel, Mikrotik czy cokolwiek innego – to ludzie tam pracujący dają nam dzisiaj możliwość rozwoju nas samych, ale także otaczającego świata. Ich wspólny (mimo konkurencji) wysiłek wszystkim przynosi zyski.

W czasach królowania Amigi podniecaliśmy się syntezowanym dźwiękiem MIDI (Cannon Fodder – kto grał ten wie o czym mówię).
Dzisiaj bezstratne formaty nie robią na nas większego wrażenia.

Można tak wymieniać godzinami, ale to dzięki “mistycznym” nanometrom i ludziom stojącym za sukcesem wyżej wymienionych firm – możemy dzisiaj oglądać śmieszne koty w internecie.

Rozmiar ma znaczenie

Czy możemy jednak zmniejszać się tak w nieskończoność? Oczywiście, że nie.
Pierwsza i najważniejsza kwestia to sama struktura krystaliczna krzemu, na podstawie którego produkujemy dzisiejsze procesory.

Druga sprawa to proces tunelowania kwantowego.
W klasycznych CPU jest to ogromnym problemem, ponieważ tranzystor przestaje być barierą dla elektronów. Mogą one swobodnie przemieszczać się po ścieżkach, ignorując stan w jakim znajduje się MOSFET.
Można to przyrównać do teleportacji, chociaż nie jest to odpowiednie.

Czy jest na to jakieś rozwiązanie?
Aktualnie trwają prace, by efekt tunelowania wykorzystać na naszą korzyść za pomocą tranzystorów TFET (Tunnel Field-Effect Transistor), które w ciągu najbliższych dekad mają zastąpić tradycyjne MOSFETy.

 

Mówi się także o tranzystorach, których bramka jest zbudowana wokół kanału przewodzenia. Trwają nad tym pierwsze badania prowadzone przez koncern IBM, lecz znowu pojawia się problem rozmiaru wraz ze strukturą krystaliczną krzemu.

Metry na nanometry – jak to obliczać?

Skoro już mowa o nanometrach, warto też bonusowo odpowiedzieć na pytanie, które zdaje się trapić większość osób nimi zainteresowanych. Czyli ile to właściwie jest nanometr i jak przekładać go na bardziej znane jednostki?

Nanometr to jednostka miary wynosząca jedną miliardową metra. Jedną miliardową – to brzmi aż nierealnie! Taka jednak jest rzeczywistość. Aż ciężko w słowach ująć, jak niewielką jednostką jest nanometr. Jeśli więc chcemy przekładać metry na nanometry, jedyne co musimy zrobić, to… pomnożyć je razy miliard. Nanometr inaczej można zapisać jako 109 m.

Czym są w takim razie mikrometry? Podpowiedź: zapisać je można jako 106 m. Co to oznacza w praktyce? Jednostka ta równa się jednej milionowej metra. Jedna milionowa kontra jedna miliardowa – różnica w zapisie jest niewielka, ale w praktyce – ogromna. Wobec tego jeden nanometr równa się 0,001 mikrometra, a 1 mikrometr – 1000 nanometrów.

Warto o tym pamiętać, aby tych określeń ze sobą nie pomieszać. Jak widać, jeśli chcemy przeliczyć metry na nanometry czy mikrometry na nanometry, niepotrzebny jest nam żaden kalkulator. Możemy to prosto i szybko zrobić nawet w myślach. Czy to nie jest fantastyczne, że możemy tak łatwo obliczać coś, co jest tak małe, że nie jesteśmy nawet w stanie tego dostrzec gołym okiem?

Mam nadzieję, że po przeczytaniu artykułu droga czytelnika się nie skończy. Zachęcam do poszukiwań i swoistych badań na własną rękę. Co to za frajda żyć w świecie, którego się nie rozumie? Jak można pracować na kalkulatorze, który nawet nie wiemy, jak tak naprawdę liczy?

Nigdy nie należy przestać zadawać pytań. Ciekawość i chęć poznania to dwie najważniejsze cechy człowieka, których nie wolno nam utracić! To one nas napędzają do dalszych działań.

Tym oto krótkim wywodem zakończę artykuł. Temat na pewno jeszcze kiedyś powróci, jak nie w takiej, to w innej formie. Zagadnienia z tej dziedziny to temat rzeka, a dzisiaj przedstawiłem wstęp do poważniejszych rozważań.

Cheers!

Share:

administrator, bbp_keymaster

TechPolska - Zespół, który tworzy naszą stronę składa się głównie z młodych amantów rozwiązań technologicznych oraz informatyki. W swoich treściach stawiamy przede wszystkim na obiektywność i rzetelność, co niejednokrotnie zostało docenione przez naszych czytelników.

1 Comment

  • Nanometry w procesie technologicznym - check-it.pl, 28 listopada 2019 @ 16:41 Reply

    […] wiedzy, oraz posługiwania się wieloma specjalistycznymi narzędziami, takimi jak na przykład nanometr. Co oznaczają nanometry w procesie technologicznym? Otóż oznaczają one usprawnienie procesu […]

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *