لیتوگرافی 7 و 10 نانومتری در پردازندهها به چه معناست و چقدر اهمیت دارد؟
تراشههای موبایلی و کامپیوتری امروزی از میلیونها ترانزیستور تشکل شدهاند که هر یک با اعمال ولتاژ به گیت خروجی در حل معادلات منطقی صفر و یک نقشی ایفا میکنند. شیوه قرار گیری این قطعات در کنار یکدیگر اصطلاحاً لیتوگرافی نامیده میشود. ما در ادامه در فارنت تفاوت دو نسل از این فناوری و ویژگیهای آنها را بررسی خواهیم کرد.
خارج از بحث شیوه شکل گیری CPU و قطعات تشکیل دهنده آن، هر مرکز پردازش موبایلی یا کامپیوتری را میلیونها ترانزیستور تشکیل میدهند که با همکاری یک دیگر میتوانند معادلات منطقی را حل کنند. یک ترانزیستور به تنهایی کار خاصی انجام نمیدهد بلکه زمانی که تعدادی از آنها در کنار یکدیگر قرار دهیم میتوان عملیات خاصی را توسط آنها انجام داد. با کنار هم قرار گرفتن ترانزیستورها میتوان گیتهای منطقی ایجاد نمود که توسط آنها اعمال منطقی انجام میشود.
لیتوگرافی پردازنده چیست؟
با رشد و توسعه دستگاه های جدید و نیاز به قدرت پردازشی بیشتر، شرکتهای سخت افزاری مجاب به افزایش تعداد هستههای پردازشگرها و به طبع افزایش تعداد ترانزیستورها هستند. دقیقاً با توجه به همین نیاز، شاهد تولید مقولهای با نام لیتوگرافی هستیم که بر روی کاهش فاصله میان ترانزیستورهای یک پردازنده و ارتقا عملکرد آنها فوکوس میکند.
فاصله میان اجزای پردازنده با نانومتر سنجیده میشود؛ فاصلهای که یک میلیونیام متر است. هرچه فاصله اجزای پردازنده کمتر باشد، اجزای بیشتری روی تراشه جای میگیرد؛ به عبارت دیگر نانومتر یک میلیارد برابر کوچکتر از متر است. وقتی فناوری لیتوگرافی یا چاپ مدارت تراشهها بهبود پیدا میکند و امکان چاپ ظریفتری را به تولید کنندگان پردازنده میدهد، آنها قادر خواهند بود تا تعداد ترانزیستورهای بیشتری را در فضای کمتری جای دهند.
به عنوان مثال بد نیست که بدانید اینتل از سه ماه پایانی سال 2019 تولید تراشههای 10 نانومتری را آغاز خواهد کرد. در سوی دیگر شرکتهای زیادی مانند کوالکام، اپل، سامسونگ، مدیاتک و TSMC فرآیند تولید تراشههای 7 نانومتری را از سال گذشته آغاز کردهاند.
به چه دلیل لیتوگرافی در ساخت یک پردازنده از اهمیت بالایی برخوردار است؟
بر اساس قانون مور، تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه هر سال دو برابر و هزینه تولید آن نصف میشود. طبیعی است که این دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها به معنای این است که ابعاد ترانزیستورها در حال نصف شدن است. بر همین اساس به زوید به جایی خواهیم رسید که محدودیتهای فیزیکی اجازه این نصف شدن ابعاد را نخواهند داد؛ یعنی نزدیک شدن به پایان قانون مور، هر چند احتمالاً این قانون تا حدود سال 2020 همچنان معتبر خواهد بود.
البته بر کسی پوشیده نیست که هر فناوری محدودیتهایی دارد و بر همین اساس نیز اینتل از سال 2014 تا کنون از یک لیتوگرافی در ساخت پردازندههای جدید خود استفاده کرده است که نشان میدهد قانون مور در حال نقض شدن است. البته این رویه در ساخت تراشههای موبایلی به شکل دیگری دنبال میشود و تقریباً دو سال است که تراشههایی مانند کایرین 990 یا A13، با فناوری 7 نانومتری تولید میشوند.
در سوی دیگر AMD نیز از فناوری TSMC’s 7nm در ساخت نسل جدید پردازندههای کامپیوتری خود استفاده کرده که نشان از حضور مدعیان دیگری در بازار تولید ریزتراشه و پایان سلطه اینتل در این عرصه است؛ دست کم تا زمانی که این شرکت روند عرضه پردازندههای 10 نانومتری “Sunny Cove” خود را آغاز کند.
نانومتر در حقیقت به چه معناست؟
پردازندهها تحت شیوهای به نام لیتوگرافی نوری ساخته میشوند که در آن پس از نشاندن یک لایه پلیمری حساس به نور (پلیمر واسط یا پلیمر مقاوم) روی سطح زیر لایه، پرتو همگن از یک ماسک عبور کرده و طرحی روی پلیمر ایجاد میکند. شیوه دقیق انجام این کار به دلیل فشردگی، با معیاری تحت عنوان گره پردازش یا process node سنجیده میشود که نشان دهنده میزان توانایی سازنده در کوچک ساختن ترانزیستورها را مورد ارزیابی قرار میدهد.
پرواضح است که هرچه پایههای ورودی و خروجی ترانزیستورها به یکدیگر نزدیکتر باشد، به انرژی کمتری برای پردازش اطلاعات نیاز است. در سوی دیگر این کاهش ابعاد موجب کم شدن گرمای حاصل از فعالیت میلیونها ترانزیستور میگردد. نتیجه آنکه کوچک سازی و از طرفی افزایش تعداد ترانزیستورهای یک پردازنده، با افزایش قدرت سخت افزاری رابطه مستقیم و با میزان گرمای تولیدی و انرژی مصرفی رابطه عکس دارد.
فناوری 7 نانومتری عملاً دو برابر فشردهتر از فناوری 14 نانومتری است و به شرکتهایی مانند AMD امکان میدهد که تراشههای سرور 64 هستهای ارائه کنند. این تراشهها نسبت به تراشههای قبلی 32 هستهای، به مراتب از قدرت پردازشی بیشتری برخوردار هستند. البته در نظر داشته باشید که نانومتر صرفاً یک معیار برای سنجش میزان توانایی شرکتها در دستیابی به فناوری فشرده سازی بوده و این یعنی آنکه پارامترهای دیگری نیز در افزایش راندمان پردازنده دخیل هستند.
برای درک بهتر موضوع به عنوان مثال دلیل نمیشود تراشههای 7 نانومتری TSMC بتوانند توانی دو برابر بیشتر از پردازندههای 14 نانومتری اینتل را ارائه کنند. در سوی دیگر هر شرکت از تکنیک و فناوری خاصی در توسعه CPU استفاده میکند و نتیجه نهایی در عمل سنجیده میشود؛ پس بهتر است اعداد ارقامی مانند لیتوگرافی 14، 10 یا 7 نانومتری را صرفاً یک ترفند بازاریابی برای شرکتها قلمداد کنید تا معماری برای میزان سنجش توان پردازندهها.
تراشههای موبایلی بیشترین ارتقا را دریافت خواهند کرد
کوچک سازی ریز تراشهها صرفاً به افزایش عملکرد منجر نمیشود و همانطور که گفته شد باعث کاهش مصرف انرژی در گجتهایی با ظرفیت باتری کم مانند لپ تاپ ها و گوشیهای هوشمند هم میگردد. در لیتوگرافی 7 نانومتری در مقابل با لیتوگرافی 14 نانومتری میتوان با مصرف توان یکسان، 25 درصد عملکرد بیشتر به دست آورد؛ به عبارت دیگر علی رغم افزایش توان خروجی میتوان به عمر شارژ باتری طولانیتر برای گجتهای همراه دست پیدا کرد.
نمونه بارز این موضوع را میتوان در تراشههای موبایلی جدید مانند تراشه 7 نانومتری Apple A13 Bionic مشاهده کرد که قدرت پردازشی آن به مراتب بیشتر از تراشههای قدیمی کامپیوتری اینتل است؛ در حالی که به هیچ سیستم خنک کنندگی داخلی احتیاجی نداشته و به راحتی درون یک گوشی 6.1 اینچی جای گرفته است.
کاهش ابعاد پردازندهها در کل خبر خوبی است، چراکه تولید تراشههای سریعتر و با قدرت بیشتر میتواند بر روی فناوری جاری در زندگی ما اثرگذار باشد. سال 2019 و با از راه رسیدن نسل جدید تراشهها، سالی هیجانانگیز برای علاقهمندان فناوری خواهد بود و نشان میدهد که قانون مور هنوز نمرده است.