नैनोमीटर: वे क्या हैं और वे हमारे सीपीयू को कैसे प्रभावित करते हैं

क्या आपने कभी किसी प्रोसेसर के नैनोमीटर के बारे में सुना है ? खैर, इस लेख में हम आपको इस उपाय के बारे में बताने जा रहे हैं। और सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि नैनोमीटर का इलेक्ट्रॉनिक चिप्स और उन विभिन्न तत्वों पर क्या प्रभाव पड़ता है, जिनका हम इन मापों से उल्लेख करते हैं।

नैनोमीटर क्या है

आइए नैनोमीटर क्या है, इसे परिभाषित करके ठीक से शुरू करें, क्योंकि यह सरल तथ्य न केवल कंप्यूटिंग के लिए, बल्कि जीव विज्ञान और अध्ययन करने वाले अन्य विज्ञानों के लिए भी बहुत सारा खेल देगा।

नैनोमीटर (एनएम) लंबाई का एक माप है जो अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (SI) का हिस्सा है। यदि हम मानते हैं कि मीटर पैमाने पर मानक या बुनियादी इकाई है, तो एक नैनोमीटर मीटर का एक अरबवाँ हिस्सा होता है या क्या होता है:

एक सामान्य मनुष्य के समझने योग्य शब्दों में, एक नैनोमीटर को मापने वाली चीज, हम इसे केवल एक उच्च शक्ति वाले इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के माध्यम से देख सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक मानव बाल में लगभग 80, 000 नैनोमीटर का व्यास हो सकता है, इसलिए कल्पना करें कि एक इलेक्ट्रॉनिक घटक कितना छोटा है जो केवल 14 एनएम है।

यह उपाय हमेशा अस्तित्व में रहा है, यह स्पष्ट है, लेकिन हार्डवेयर समुदाय के लिए हाल के वर्षों में इसकी विशेष प्रासंगिकता रही है। तेजी से छोटे अर्धचालकों या ट्रांजिस्टर के आधार पर एकीकृत सर्किट बनाने के लिए निर्माताओं की मजबूत प्रतिस्पर्धा के कारण।

ट्रांजिस्टर

ट्रांजिस्टर और इलेक्ट्रॉनिक योजनाबद्ध

आपने शायद एक प्रोसेसर के ट्रांजिस्टर के बारे में निष्क्रिय और सक्रिय बात सुनी है । हम कह सकते हैं कि एक ट्रांजिस्टर सबसे छोटा तत्व है जो इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में पाया जा सकता है, ज़ाहिर है, इलेक्ट्रॉनों और विद्युत ऊर्जा से बचना।

ट्रांजिस्टर सेमीकंडक्टर सामग्री जैसे सिलिकॉन या जर्मेनियम से बने तत्व हैं। यह एक तत्व है जो बिजली के कंडक्टर के रूप में या एक इन्सुलेटर के रूप में व्यवहार कर सकता है, जो कि उस भौतिक स्थितियों पर निर्भर करता है जिसके अधीन यह किया गया है। उदाहरण के लिए, एक चुंबकीय क्षेत्र, तापमान, विकिरण, आदि। और निश्चित रूप से एक निश्चित वोल्टेज के साथ, एक सीपीयू के ट्रांजिस्टर का मामला है।

ट्रांजिस्टर बिल्कुल सभी एकीकृत सर्किट में मौजूद है जो आज मौजूद हैं। इसका बहुत बड़ा महत्व है कि यह क्या करने में सक्षम है: एक इनपुट सिग्नल के जवाब में एक आउटपुट सिग्नल उत्पन्न करता है, जो कि, उत्तेजना के पहले करंट के पारित होने की अनुमति देता है या नहीं, इस प्रकार बाइनरी कोड बनाता है (1 वर्तमान, 0) चालू नह) ं।

तर्क द्वार और एकीकृत सर्किट

नंद बंदरगाह

लिथोग्राफी प्रक्रिया के माध्यम से , तर्क फाटकों को बनाने के लिए कई ट्रांजिस्टर से बने एक निश्चित संरचना के साथ सर्किट बनाना संभव है। एक लॉजिक गेट ट्रांजिस्टर के पीछे की एक इकाई है, एक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण जो एक निश्चित तार्किक या बूलियन फ़ंक्शन करने में सक्षम है। एक या दूसरे तरीके से लिंक किए गए कुछ ट्रांजिस्टर के साथ, हम एसआई, और, नंद, या, नहीं, आदि फाटकों को जोड़ सकते हैं, घटा सकते हैं और बना सकते हैं । यह कैसे इलेक्ट्रॉनिक घटक को तर्क दिया जाता है।

यह कैसे एकीकृत सर्किट बनाया जाता है, ट्रांजिस्टर, प्रतिरोधों और कैपेसिटर के एक उत्तराधिकार के साथ जो अब इलेक्ट्रॉनिक चिप्स के निर्माण में सक्षम हैं।

लिथोग्राफी या फोटोलिथोग्राफी

सिलिकॉन वेफर

लिथोग्राफी इन अत्यंत छोटे इलेक्ट्रॉनिक चिप्स के निर्माण का तरीका है, विशेष रूप से यह फोटोलिथोग्राफी और फिर नैनोलिथोग्राफी के नाम से प्राप्त हुआ है, क्योंकि इसकी शुरुआत में इस तकनीक का उपयोग पत्थरों या धातुओं पर सामग्री उत्कीर्ण करने के लिए किया गया था।

वर्तमान में जो किया जा रहा है वह अर्धचालक और एकीकृत सर्किट बनाने के लिए एक समान तकनीक का उपयोग कर रहा है। ऐसा करने के लिए, नैनोमीटर-मोटी सिलिकॉन वेफर्स का उपयोग किया जाता है, जो कुछ घटकों के प्रकाश के संपर्क के आधार पर प्रक्रियाओं और अन्य रासायनिक यौगिकों के उपयोग के माध्यम से सूक्ष्म आकार के सर्किट बनाने में सक्षम हैं । बदले में, इन वेफर्स को तब तक स्टैक्ड किया जाता है जब तक उन्हें एक जटिल 3 डी चिप का नर्क नहीं मिल जाता है।

वर्तमान ट्रांजिस्टर कितने नैनोमीटर हैं?

इंटेल द्वारा अपने अभिनव 4004 के साथ पहला अर्धचालक आधारित प्रोसेसर 1971 में दिखाई दिया । निर्माता 10, 000 एनएम ट्रांजिस्टर, या 10 माइक्रोमीटर बनाने में कामयाब रहा, इस प्रकार एक चिप पर 2, 300 ट्रांजिस्टर हो सकते हैं।

इस प्रकार सूक्ष्म जीव विज्ञान में वर्चस्व की दौड़ शुरू हुई, जो वर्तमान में नैनो तकनीक के लिए प्रसिद्ध है । 2019 में, हमारे पास 14nm निर्माण प्रक्रिया के साथ इलेक्ट्रॉनिक चिप्स हैं जो इंटेल के ब्रॉडवेल आर्किटेक्चर, 7nm, AMD के Zen 2 आर्किटेक्चर के साथ आए हैं, और यहां तक ​​कि 5nm परीक्षण IBM और अन्य निर्माताओं द्वारा किए जा रहे हैं । हमारे लिए खुद को एक स्थिति में रखने के लिए, एक 5nm ट्रांजिस्टर एक परमाणु के इलेक्ट्रॉन क्लाउड से केवल 50 गुना बड़ा होगा। कुछ साल पहले, 1 एनएम ट्रांजिस्टर बनाना पहले से ही संभव था, हालांकि यह विशुद्ध रूप से प्रायोगिक प्रक्रिया है।

क्या आपको लगता है कि सभी निर्माता अपने स्वयं के चिप्स बनाते हैं? खैर, सच्चाई यह है कि नहीं, और दुनिया में, हम चार महान शक्तियां पा सकते हैं जो इलेक्ट्रॉनिक चिप्स के निर्माण के लिए समर्पित हैं।

• TSMC: यह माइक्रो-टेक्नोलॉजी कंपनी दुनिया के प्रमुख चिप असेंबलरों में से एक है। वास्तव में, यह प्रोसेसर को एएमडी (मुख्य भाग), एप्पल, क्वालकॉम, एनवीडिया, हुआवेई या टेक्सास इंस्ट्रूमेंट जैसे ब्रांडों से बनाता है। यह 7nm ट्रांजिस्टर में प्रमुख निर्माता है। ग्लोबल फाउंड्रीज़ - यह सबसे अधिक ग्राहकों के साथ सिलिकॉन वेफर निर्माताओं में से एक है, जिसमें एएमडी, क्वालकॉम और अन्य शामिल हैं। लेकिन इस मामले में अन्य लोगों के साथ 12 और 14 एनएम ट्रांजिस्टर के साथ। इंटेल: नीली विशाल का अपना प्रोसेसर कारखाना है, इसलिए यह अपने उत्पाद बनाने के लिए अन्य निर्माताओं पर निर्भर नहीं करता है। शायद इसीलिए 10nm आर्किटेक्चर को अपने 7nm प्रतियोगियों के खिलाफ विकसित होने में इतना समय लग रहा है। लेकिन निश्चिंत रहें कि ये सीपीयू क्रूर होंगे। सैमसंग: कोरियाई कंपनी का अपना सिलिकॉन कारखाना भी है, इसलिए हम इंटेल जैसी ही शर्तों पर हैं। स्मार्टफोन और अन्य उपकरणों के लिए अपना खुद का प्रोसेसर बनाना।

मूर का नियम और शारीरिक सीमा

ग्राफीन ट्रांजिस्टर

मूर के प्रसिद्ध नियम हमें बताते हैं कि हर दो साल में माइक्रोप्रोसेसरों में इलेक्ट्रॉनों की संख्या दोगुनी हो जाती है, और सच्चाई यह है कि अर्धचालक की शुरुआत के बाद से यह सच है। वर्तमान में, chis 7nm ट्रांजिस्टर के साथ बेचे जाते हैं, विशेष रूप से AMD में डेस्कटॉप के लिए इस लिथोग्राफी में प्रोसेसर हैं, Zen 2 आर्किटेक्चर के साथ AMD Ryzen 3000। इसी तरह, क्वालकॉम, सैमसंग या Apple जैसे निर्माता भी हैं। मोबाइल उपकरणों के लिए 7nm प्रोसेसर।

5 एनएम नैनोमीटर को सिलिकॉन आधारित ट्रांजिस्टर बनाने के लिए भौतिक सीमा के रूप में सेट किया गया है । हमें पता होना चाहिए कि तत्व परमाणुओं से बने होते हैं, और इनका एक निश्चित आकार होता है। दुनिया के सबसे छोटे प्रायोगिक ट्रांजिस्टर 1nm को मापते हैं, और ग्रेफीन से बने होते हैं, जो कि सिलिकॉन की तुलना में बहुत छोटे कार्बन परमाणुओं पर आधारित सामग्री है।

इंटेल टिक-टॉक मॉडल

इंटेल टिक टॉक मॉडल

यह वह मॉडल है जिसे निर्माता इंटेल ने 2007 से अपने प्रोसेसर की वास्तुकला को बनाने और विकसित करने के लिए अपनाया है । यह मॉडल दो चरणों में विभाजित है जो विनिर्माण प्रक्रिया को कम करने, और फिर वास्तुकला के अनुकूलन पर आधारित है।

टिक कदम तब होता है जब निर्माण प्रक्रिया घट जाती है, उदाहरण के लिए 22nm से 14nm तक। जबकि टॉक कदम यह क्या करता है कि उसी विनिर्माण प्रक्रिया को बनाए रखने और नैनोमीटर को और कम करने के बजाय अगले पुनरावृत्ति में इसे अनुकूलित करें । उदाहरण के लिए, 2011 सैंडी ब्रिज वास्तुकला टॉक (नेहेलम के 32nm से सुधार) था, जबकि 2012 में आइवी ब्रिज टिक था (22nm में कमी)।

एक प्राथमिकता, यह योजना जो उसने इरादा की थी वह एक साल टिक करने के लिए थी और वह टॉक जारी रखती है, लेकिन हम पहले से ही जानते हैं कि 2013 से नीले रंग के दिग्गज ने इस रणनीति को 22 एनएम और हसवेल में 22 एनएम की निरंतरता के साथ छोड़ दिया है । 2014 । तब से, पूरे चरण को टॉक किया गया है, अर्थात, 14 एनएम को 2019 में 9 वीं पीढ़ी के इंटेल कोर तक पहुंचने तक अनुकूलित किया गया है । यह उम्मीद की जाती है कि इसी वर्ष या 2020 की शुरुआत में 10 एनएम के आगमन के साथ एक नया टिक कदम होगा।

अगला कदम: क्वांटम कंप्यूटर?

संभवतः अर्धचालक आधारित वास्तुकला की सीमाओं का उत्तर क्वांटम कंप्यूटिंग में निहित है। यह प्रतिमान कंप्यूटर की शुरुआत से हमेशा ट्यूरिंग मशीन पर आधारित कंप्यूटिंग के दर्शन को पूरी तरह से बदल देता है।

क्वांटम कंप्यूटर ट्रांजिस्टर पर आधारित नहीं होगा, न ही बिट्स पर। वे अणु और कण और मात्राएं (क्वांटम बिट्स) बन जाएंगे । यह तकनीक एक ट्रांजिस्टर के समान एक ऑपरेशन प्राप्त करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से मामले में अणुओं के राज्य और संबंधों को नियंत्रित करने की कोशिश करती है। बेशक, 1 Qbit 1 बिट के बराबर नहीं है, क्योंकि ये अणु दो नहीं, बल्कि तीन या अधिक विभिन्न राज्यों का निर्माण कर सकते हैं, इस प्रकार जटिलता को गुणा कर सकते हैं, लेकिन संचालन करने की क्षमता भी।

लेकिन इस सब के लिए हमारे पास कुछ छोटी सीमाएँ हैं, जैसे कि कणों की स्थिति को नियंत्रित करने के लिए निरपेक्ष शून्य (-273 ^o C) के करीब तापमान की आवश्यकता, या सिस्टम को निर्वात में रखा जाना।

• इस सब पर अधिक जानकारी के लिए, इस लेख पर जाएं कि हमने कुछ समय पहले क्वांटम प्रोसेसर के बारे में अध्ययन किया था।

नैनोमीटर प्रोसेसर को क्या प्रभावित करते हैं?

हम इलेक्ट्रॉनिक्स की इस रोमांचक और जटिल दुनिया को पीछे छोड़ देते हैं जिसमें केवल निर्माता और उनके इंजीनियर वास्तव में जानते हैं कि वे क्या कर रहे हैं। अब हम देखेंगे कि इलेक्ट्रॉनिक चिप के लिए ट्रांजिस्टर के नैनोमीटर को कम करने से क्या लाभ हैं ।

5nm ट्रांजिस्टर

उच्च ट्रांजिस्टर घनत्व

कुंजी ट्रांजिस्टर है, वे तार्किक बंदरगाहों और सर्किटों की संख्या निर्धारित करते हैं जिन्हें केवल कुछ वर्ग मिलीमीटर के सिलिकॉन के अंदर रखा जा सकता है। हम 174 मिमी ² मैट्रिक्स में लगभग 3 बिलियन ट्रांजिस्टर के बारे में बात कर रहे हैं जैसे 14nm इंटेल i9-9900K । AMD Ryzen 3000 के मामले में, 74nm ² सरणी में 7nm के साथ लगभग 3.9 बिलियन ट्रांजिस्टर।

उच्च गति

यह क्या करता है चिप को अधिक प्रसंस्करण शक्ति प्रदान करता है , क्योंकि यह अर्धचालक के उच्च घनत्व के साथ चिप पर कई और राज्यों के साथ लॉक करने में सक्षम है। इस तरह, प्रति चक्र अधिक निर्देश प्राप्त होते हैं, या जो समान है, हम प्रोसेसर के आईपीसी को बढ़ाते हैं, उदाहरण के लिए यदि हम ज़ेन + और ज़ेन 2 प्रोसेसर की तुलना करते हैं। वास्तव में, एएमडी का दावा है कि इसके नए सीपीयू ने उनकी वृद्धि की है। पिछली पीढ़ी की तुलना में कोर सीपीआई 15% तक है।

अधिक ऊर्जा दक्षता

कम नैनोमीटर वाले ट्रांजिस्टर होने से, उनमें से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों की मात्रा कम होती है। नतीजतन, ट्रांजिस्टर कम बिजली की आपूर्ति के साथ राज्य को बदलता है, इसलिए यह ऊर्जा दक्षता में बहुत सुधार करता है। तो मान लें कि हम कम बिजली के साथ एक ही काम कर सकते हैं, इसलिए हम प्रति वाट खपत की अधिक प्रसंस्करण शक्ति पैदा कर रहे हैं ।

यह बैटरी से चलने वाले उपकरणों, जैसे लैपटॉप, स्मार्टफोन, आदि के लिए बहुत महत्वपूर्ण है । 7 एनएम प्रोसेसर होने का लाभ, हमारे पास अविश्वसनीय स्वायत्तता वाले फोन हैं, और नए स्नैपड्रैगन 855, ऐप्पल के नए ए 13 बायोनिक और Huawei से किरिन 990 के साथ शानदार प्रदर्शन है।

छोटे और फ्रेशर चिप्स

अंतिम लेकिन कम से कम, हमारे पास लघुकरण क्षमता है । इसी तरह से हम प्रति यूनिट क्षेत्र में अधिक ट्रांजिस्टर डाल सकते हैं, हम इसे कम करने के लिए छोटे चिप्स भी बना सकते हैं जो कम गर्मी उत्पन्न करते हैं । हम इसे टीडीपी कहते हैं, और यह गर्मी है जो एक सिलिकॉन अपने अधिकतम चार्ज के साथ उत्पन्न कर सकता है, सावधान रहें, यह बिजली की खपत नहीं है। इसके लिए धन्यवाद, हम उपकरणों को छोटा कर सकते हैं और उस गर्मी में समान प्रसंस्करण शक्ति कम हो सकती है।

इसके नुकसान भी हैं

हर बड़े कदम के अपने जोखिम हैं, और नैनो टेक्नोलॉजी में भी ऐसा ही कहा जा सकता है। कम नैनोमीटर के ट्रांजिस्टर होने से , निर्माण प्रक्रिया को प्रदर्शन करने में अधिक कठिन हो जाता है । हमें बहुत अधिक उन्नत या महंगे तकनीकी साधनों की आवश्यकता है, और विफलताओं की संख्या में पर्याप्त वृद्धि होती है। एक स्पष्ट उदाहरण है कि नए Ryzen 3000 में सही चिप्स के वेफर प्रति प्रदर्शन में कमी आई है। जबकि Zen + 12 nm में हमारे पास लगभग 80% पूरी तरह कार्यात्मक चिप्स प्रति वेफर है, Zen 2 में यह प्रतिशत घटकर 70% हो जाएगा। ।

इसी प्रकार, प्रोसेसर की अखंडता से भी समझौता किया जाता है, इस प्रकार अधिक स्थिर बिजली प्रणालियों की आवश्यकता होती है, और बेहतर सिग्नल गुणवत्ता के साथ। यही कारण है कि नए एएमडी एक्स 570 चिपसेट बोर्डों में निर्माताओं ने गुणवत्ता वीआरएम बनाने में विशेष ध्यान रखा है।

नैनोमीटर के बारे में निष्कर्ष

जैसा कि हम देखते हैं, तकनीक छलांग और सीमा से आगे बढ़ रही है, हालांकि कुछ वर्षों में हम विनिर्माण प्रक्रियाएं पाएंगे जो पहले से ही 3 या 1 नैनोमीटर के ट्रांजिस्टर के साथ उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की भौतिक सीमा पर होगी। आगे क्या होगा? वैसे हम निश्चित रूप से नहीं जानते हैं, क्योंकि क्वांटम तकनीक बहुत हरी है और प्रयोगशाला वातावरण के बाहर इस तरह के कंप्यूटर का निर्माण करना व्यावहारिक रूप से असंभव है।

अब हमारे पास क्या होगा यह देखने के लिए कि क्या इस मामले में कोर की संख्या और भी अधिक बढ़ जाती है, या ग्रेफीन जैसी सामग्री जो इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के लिए ट्रांजिस्टर के उच्च घनत्व को स्वीकार करना शुरू कर देती है।

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