Nanòmetres: què són i en què afecten a la nostra cpu

Has sentit parlar alguna vegada sobre els nanòmetres d'un processador? Doncs en aquest article et anem a explicar tot sobre aquesta mesura. I el més important, quina influència tenen els nanòmetres en els xips electrònics i els diferents elements a què ens referim amb aquestes mesures.

Què és el nanòmetre

Comencem precisament definint què són els nanòmetres, perquè aquest simple fet va a donar moltíssim joc no només per a la informàtica, sinó també en la biologia i les altres ciències que estudia la matèria.

El nanòmetre (nm) és una mesura de longitud que forma part de el Sistema Internacional (SI). Si tenim en compte que el metre és la unitat estàndard o bàsica en l'escala, un nanòmetre és-una mil milionèsima part d'un metre o el que seria el mateix:

En termes comprensibles per a un ésser humà normal, una cosa que mesura un nanòmetre, només podem veure-ho mitjançant un microscopi electrònic de gran potència. Per exemple, un pèl humà pot tenir un diàmetre aproximat de 80.000 nanòmetres, així que imagineu-què tan petit és un component electrònic que tan sols mesura 14 nm.

Aquesta mesura ha existit sempre, és obvi, però per a la comunitat de maquinari ha tingut una especial rellevància en els últims anys. A causa de la forta competència dels fabricants per crear circuits integrats basats en semiconductors o transistors cada vegada més petits.

el transistor

Transistor i esquema electrònic

Segurament hagis escoltat parlar per activa i per passiva dels transistors d'un processador. Podem dir que un transistor és l'element més petit que es pot trobar en un circuit electrònic, per descomptat, obviant els electrons i l'energia elèctrica.

Els transistors són elements fabricats de material semiconductor com ara silici o Germani. Es tracta d'un element que pot comportar-se com un conductor d'electricitat o com un aïllant de la mateixa, depenent de les condicions físiques a les que sigui sotmès. Per exemple, un camp magnètic, temperatura, radiació, etc. I per descomptat amb un determinat voltatge, sent el cas dels transistors d'una CPU.

El transistor es troba present en absolutament tots els circuits integrats que hi ha actualment. La seva enorme importància rau en el que és capaç de fer: generar un senyal de sortida com a resposta a un senyal d'entrada, és a dir, perm et o no el pas de corrent davant un estímul, creant així el codi binari (1 corrent, 0 no corrent).

Les portes lògiques i els circuits integrats

ports NAND

A través d'un procés de litografia, és possible crear circuits amb una determinada estructura composta per diversos transistors per formar les portes lògiques. Una porta lògica és la següent unitat després del transistor, un dispositiu electrònic que és capaç de realitzar una determinada funció lògica o booleana. Amb uns quants transistors units d'una manera o altra, podrem sumar, restar, i crear portes SI, AND, NAND, OR, NOT, etc. D'aquesta manera és com es dota de lògica a un component electrònic.

Així és com es creen els circuits integrats, amb una successió de transistors, resistències i condensadors que són capaços de formar el que avui anomenats xips electrònics.

Litografia o fotolitografia

Hòstia de silici

La litografia és la manera de construir aquests xips electrònics tan summament petits, concretament ha derivat en la denominació de fotolitografia i després de nanolitografía, ja que aquesta tècnica en els seus inicis servia per gravar contingut en pedres o metalls.

El que actualment es fa és usar una tècnica similar per crear els semiconductors i els circuits integrats. Per a això, s'utilitzen hòsties de silici de nanòmetres de gruix que, a través de processos basats en l'exposició a la llum de determinats components i l'ús d'altres compostos químics, són capaços de crear circuits de mides microscòpics. Al seu torn, es van apilant aquestes hòsties fins a aconseguir un xip 3D endimoniadament complex.

Quants nanòmetres tenen els transistors actuals?

Els primers processadors basats en semiconductors van aparèixer l'any 1971 de la mà d'Intel amb el seu nou 4004. El fabricant va aconseguir crear transistors de 10.000 nm, o 10 micròmetres, aconseguint així tenir dins d'un xip fins a 2.300 transistors.

D'aquesta manera va començar la carrera per la supremacia en microtecnologia, actualment renombrada a nanotecnologia. En 2019, tenim xips electrònics amb procés de fabricació de 14 nm que van arribar amb l'arquitectura Broadwel d'Intel, 7 nm, amb l'arquitectura Zen 2 de AMD, i fins i tot s'estan realitzant proves amb 5 nm per part d'IBM i altres fabricants. Perquè ens posem en situació, un transistor de 5 nm seria només 50 vegades més gran que el núvol d'electrons d'un àtom. Fa uns anys, ja es va aconseguir crear un transistor d'1 nm, tot i que és un procés purament experimental.

Creieu que tots els fabricants fabriquen els seus propis xips? Doncs la veritat és que no, i al món, podem trobar quatre grans potències que es dediquen a la fabricació de xips electrònics.

• TSMC: aquesta empresa de micro tecnologia és un dels principals assembladors de xips de el món. De fet, fabrica els processadors de marques com AMD (la part dels nuclis), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei o Texas Instrument. És el fabricant clau en els transistors de 7 nm. Global Foundries: aquest és un altre dels fabricants d'hòsties de silici amb més clients, entre els quals també estan AMD, Qualcomm i altres. Però en aquest cas amb transistors de 12 i 14 nm entre d'altres. Intel: el gegant blau té la seva pròpia fàbrica de processadors, de manera que no depèn d'altres fabricants per crear els seus productes. Potser sigui aquest el motiu pel que l'arquitectura de 10 nm està trigant tant a desenvolupar-enfront dels seus competidors que van pels 7nm. Però tingueu segur que aquestes CPU seran brutals. Samsung: l'empresa coreana també té una fàbrica pròpia de silicis, de manera que estem en els mateixos termes que Intel. Creant seus propis processadors per a smartphone i altres dispositius.

Llei de Moore i el límit físic

Transistor de grafè

La famosa Llei de Moore ens diu que cada dos anys es duplica la quantitat d'electrons en els microprocessadors, i la veritat és que això s'ha estat complint des dels inicis dels semiconductors. En l'actualitat, es comercialitzen Sanchis amb transistors de 7 nm, concretament AMD disposa de processadors en aquesta litografia per equips d'escriptori, els AMD Ryzen 3000 amb l'arquitectura Zen 2. De la mateixa manera, fabricants com Qualcomm, Samsung o Apple, també tenen processadors de 7 nm per a dispositius mòbils.

Els 5 nm nanòmetre estan fixats com el límit físic per fabricar un transistor basat en Silici. Hem de saber que els elements estan compostos d'àtoms, i aquests presenten una determinada mida. Els transistors experimentals més petits de l'món mesuren 1 nm, i estan fabricats en grafè, un material basat en àtoms de carboni molt més petits que els de silici.

Model Tick-Tock d'Intel

Model Tick Tock d'Intel

Aquest és el model que el fabricant Intel va adoptar des de 2007 per crear i evolucionar l'arquitectura dels seus processadors. Aquest model es divideix en dos passos els quals es basa en disminuir el procés de fabricació, i després optimitzar l'arquitectura.

El pas Tick es produeix quan el procés de fabricació disminueix, per exemple de 22 nm a 14 nm. Mentre que el pas Tock el que fa és mantenir aquest mateix procés de fabricació i optimitzar en la següent iteració en lloc de disminuir encara més els nanòmetres. Per exemple, l'arquitectura Sandy Bridge de 2011 era el Tock (una millora dels 32 nm de Nehalem), mentre que Ivy Bridge va ser el Tick el 2012 (disminució a 22 nm).

A priori, aquest pla el que pretenia era fer un any Tick i el segueix Tock, però ja sabem que el gegant blau ha abandonar aquesta estratègia a partir de 2013 amb la continuació dels 22 nm en Haswell i el pas als 14 nm en 2014. Des de llavors, tot el pas ha estat Tock, és a dir, els 14 nm han seguit optimitzant fins arribar a la 9a generació Intel Core en 2019. S'espera que aquest mateix any o principis de 2020 hi hagi un nou pas Tick amb l'arribada dels 10 nm.

El proper pas: ¿l'ordinador quàntic?

Possiblement la resposta a les limitacions de l'arquitectura basada en semiconductors estigui en la computació quàntica. Aquest paradigma canvia completament la filosofia de la computació des dels inicis de les computadores, basada sempre en la màquina de Turing.

Un ordinador quàntic no es basaria en transistors, ni tampoc en bits. Passarien a ser molècules i partícules i Qbits (bits quàntics). Aquesta tecnologia tracta de controlar l'estat i les relacions de les molècules en la matèria mitjançant electrons per obtenir un funcionament similar al d'un transistor. Això sí, 1 Qbit per a res és igual a 1 bit, ja que aquestes molècules poden crear no dos, sinó tres o més estats diferents, multiplicant així la complexitat, però també la capacitat de realitzar operacions.

Però per a tot això tenim algunes petites limitacions, com ara necessitar temperatures properes a l'zero absolut (-273 ^o C) per controlar l'estat de les partícules, o tenir el sistema muntat a el buit.

• Per a més informació sobre tot això, visita aquest article que ens currem fa un temps de què és el processador quàntic.

En què influeixen els nanòmetres en els processadors?

Deixem enrere aquest apassionant i complex món de l'electrònica en la qual només els fabricants i els seus enginyers saben realment el que fan. Ara veurem quins beneficis té el disminuir els nanòmetres d'un transistor per un xip electrònic.

Transistors de 5 nm

Major densitat de transistors

La clau són els transistors, ells determinen la quantitat de ports lògics i circuits es que poden ficar dins d'un silici de sol uns mil·límetres quadrats. Estem parlant de gairebé 3 mil milions de transistors en una matriu de 174 ^mm2 com és l'Intel i9-9900K de 14 nm. En el cas dels AMD Ryzen 3000, al voltant de 3, 9 milers de milions de transistors en una matriu de 74 ^mm2 amb 7 nm.

major velocitat

Això el que fa és dotar de molta més potència de processament el xip, ja que és capaç de travar amb molts més estats en un xip de major densitat de semiconductors. D'aquesta forma s'aconsegueix major quantitat d'instruccions per cicle, o el que és el mateix, vam pujar l'IPC de l'processador, com ara passa si comparem els processadors Zen + i Zen 2. De fet, AMD afirma que les seves noves CPU han augmentat la seva IPC per nucli en fins a un 15% respecte a la generació anterior.

Més eficiència energètica

A l'disposar de transistors amb menys nanòmetres, la quantitat d'electrons que passen per ells és menor. En conseqüència, el transistor canvia d'estat amb un menor subministrament d'energia, així que això millora moltíssim l'eficiència energètica. Diguem llavors, que podem fer la mateixa feina amb menys energia, de manera que estem generant més potència de processament per watt consumit.

Això és molt important de cara a equips que funcionen amb bateria, com portàtils, Smartphone, etc. L'avantatge de tenir processadors de 7 nm, ha fet que tinguem mòbils amb increïbles autonomies, i un rendiment espectacular amb els nous Snapdragon 855, els nous A13 Bionic d'Apple i els Kirin 990 de Huawei.

Xips més petits i frescos

Finalment i no menys important, tenim la capacitat de miniaturització. De la mateixa forma en què podem ficar més transistors per unitat d'àrea, també podem disminuir aquesta per tenir xips més petits i que generin menys calor. D'això en diem TDP, i és la calor que un silici pot generar amb la seva càrrega màxima, ull, no és la potència elèctrica que consumeix. Gràcies a això, podem fer dispositius més petits i que s'escalfin molt menys tenint la mateixa potència de processament.

També hi ha desavantatges

Tot gran pas endavant té els seus riscos, i en la nanotecnologia es pot dir el mateix. El comptar amb transistors de menys nanòmetres, fa que el procés de fabricació sigui molt més difícil de realitzar. Necessitem mitjans tècnics molt més avançats o costosos, i la quantitat de fallades s'incrementen de forma substancial. Un exemple clar és que el rendiment per hòstia de xips correctes ha disminuït en els nous Ryzen 3000. Mentre que en Zen + de 12 nm teníem al voltant de l'80% de xips perfectament funcionals per hòstia, en Zen 2 aquest percentatge hauria disminuït a l'70%.

De la mateixa manera, la integritat dels processadors també es veu compromesa, necessiten així sistemes d'alimentació més estables, i amb una millor qualitat en el senyal. És per això que els fabricants en les noves plaques amb chipset AMD X570 s'han posat en especial cura en crear un VRM de qualitat.

Conclusions sobre els nanòmetres

Com veiem la tecnologia avança a passos de gegant, encara que en molt pocs anys ens trobarem amb processos de fabricació que estaran ja en el límit físic dels materials usats amb transistors de fins i tot 3 o 1 nanòmetres. Què serà el següent? Doncs certament no ho sabem, perquè la tecnologia quàntica està una molt verd i és pràcticament impossible construir un computador d'aquest tipus fora d'un entorn de laboratori.

El que ens quedarà per ara és veure si en tal cas s'augmenta encara més el nombre de nuclis, o es comença a utilitzar materials com el grafè que admeten una major densitat de transistors per circuits electrònics.

Sense més, us deixem amb altres articles interessants:

Creus que arribarem a veure processadors d'1 m? ¿Quin processador és el que tens tu? Esperem que l'article hagi estat interessant, comenta'ns que t'ha semblat.