لیتوگرافی یا فرآیند تولید و شکل‌گیری مدارات در دنیای پردازنده چیست ؟

لیتوگرافی
اشتراک

لیتوگرافی یا فرآیند تولید و شکل‌گیری مدارات در دنیای پردازنده چیست ؟

منظور از لیتوگرافی در دنیای پردازنده ، فرآیند تولید و شکل‌گیری مدارات و قطعات آن است.

لیتوگرافی ۱۴ نانومتری و مانند آن به فاصله‌ی بین اجزای روی پردازنده اشاره می‌کند. پردازنده ای با لیتوگرافی ظریف‌تر، توان مصرفی و عملکرد بهینه‌تری دارد و ممکن است سرعت کلاک بیشتری داشته باشد. FinFET هم نوعی خاص از ترانزیستور است که حالت صفحه‌ای ندارد بلکه سه‌بعدی است و به جای یک گیت، چند گیت دارد و کاربرد آن بسیار گسترده شده است.

در معرفی هر پردازنده ی جدیدی اعم از انواع پردازنده های کوآلکام، اپل و سامسونگ و همچنین محصولات اینتل، AMD و انویدیا، یکی از مهم‌ترین فاکتورها این است که لیتوگرافی پردازنده چند نانومتری است. اما در ادامه می‌خواهیم ببینیم که وقتی می‌گویم تکنولوژی تولید پردازنده ای ۲۰ نانومتری است، چه اهمیتی و چه اثری روی کارکرد و توان مصرفی آن دارد؟

نانومتر چیست؟

یک متر را به هزار بخش تقسیم کنید تا به میلی‌متر برسید، حال آن را ۱۰۰۰ برابر کوچک‌تر کنید تا به میکرومتر برسید. نانومتر ۱۰۰۰ برابر کوچک‌تر از میکرومتر است! به عبارت دیگر نانومتر ۱ میلیارد برابر کوچک‌تر از متر است.

هر پردازنده ای از چندین لایه‌ی مختلف تشکیل شده که هر کدام جنسی خاص دارند. روی هم قرار دادن لایه‌هایی از جنس‌های مختلف به شکل‌گیری ترانزیستور و مدارات دیگر می‌انجامد. در تصویر زیر ۱۳ لایه‌‎ی مختلف پردازنده های برودول-وای اینتل را مشاهده می‌کنید:

.

13 لایه‌ی مختلف در برودول-وای اینتل

13 لایه‌ی مختلف در برودول-وای اینتل

.

ترانزیستور در ساده‌ترین حالت دارای سه پایه است، وقتی به یکی از پایه‌ها سیگنالی داده شود، اجازه‌ی عبور جریان از طریق دو پایه‌ی دیگر صادر می‌شود. همین عبور کردن و عبور نکردن جریان به منزله‌ی صفر و یک است و دنیای دیجیتال کامپیوتر و تمام محصولات الکترونیکی از همین صفر و یک ساده شروع می‌شود.

نام دقیق پردازنده، میکروپروسسور است چرا که در ابتدای شکل‌گیری پردازنده ها، ابعاد پردازنده و ترازیستورها در حدی که امروز می‌شناسیم نبود. شاید بهتر باشد به پردازنده های امروزی نانوپروسسور بگوییم!

.

مایکروپراسزور متشکل از اجزایی با ابعاد نانومتر است

میکروپروسسور متشکل از اجزایی با ابعاد نانومتر است

.

منظور از واژه‌ای مثل لیتوگرافی ۲۰ نانومتری این است که فاصله‌ی بین اجزای اصلی هر واحد پردازشی ۲۰ نانومتر است. دقت کنید که در این فاصله‌ی بسیار کم تنها ترانزیستور جای نگرفته بلکه اجزای دیگری هم در کنار آن قرار دارد که در نهایت عمل پردازش را ممکن می‌کند.

.

لیتوگرافی ۱۴ نانومتری و فاصله‌ی کمتر بین اجزای روی تراشه

لیتوگرافی ۱۴ نانومتری و فاصله‌ی کمتر بین اجزای روی پردازنده

.

مزایای لیتوگرافی ظریف‌تر

همان طور که اشاره شد وقتی لیتوگرافی یک پردازنده ظریف‌تر باشد، ترانزیستورهای بیشتری روی آن جا می‌شود و عملکرد آن ارتقا می‌یابد.

 

مقاومت کمتر یا بیشتر؟

با کم شدن فاصله‌ی بین اجزا، مقاومت مدارات کاهش پیدا می‌کند و توان مصرفی که بخشی از آن به خاطر تبدیل الکتریسیته به گرما در مقاومت هدر می‌رود، کاهش می‌یابد. البته باریک شدن مدارات داخلی پردازنده یک عامل منفی است چرا که باریک شدن هر سیمی مقاومت آن را افزایش می‌دهد.

 

خازن و ترانزیستور سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر

نکته‌ی دیگر به بخش‌های خازنی مربوط می‌شود، هر چه فاصله‌ی اجزا کمتر باشد، ظرفیت خازن کمتر شده و با فرکانس بالاتری می‌توان عمل سوییچ کردن را انجام داد. توان مصرفی ترانزیستور با ظرفیت خازن رابطه‌ی عکس دارد، از این رو معمولاً لیتوگرافی‌های جدید و پیشرفته‌تر منجر به تولید تراشه‌هایی با سرعت کلاک بالاتر و در عین حال توان مصرفی کمتر می‌شوند.

 

ترانزیستوری با ولتاژ کاری پایین‌تر

ترازیستوری که با لیتوگرافی ظریف‌تر تولید شده، با ولتاژ کمتری فعال می‌شود و توان مصرفی هم با مربع ولتاژ رابطه دارد. به همین جهت توان مصرفی ترانزیستور کاهش می‌یابد.

 

هزینه‌ی تولید

همه چیز به نفع سرعت کلاک بالاتر و توان مصرفی پایین‌تر است ولیکن یک مزیت بسیار مهم دیگر کاهش هزینه‌ی تولید است. در ابتدای توسعه‌ی یک لیتوگرافی پیشرفته‌تر احتمالاً هزینه‌ها چند برابر می‌شود چرا که دقت تجهیزات و روش‌های تولید متحول شده است ولیکن در ادامه موضوع بسیار مهم کاهش هزینه‌ی سیلیکون مورد نیاز است.

در تولید پردازنده ها از مواد نیمه‌هادی مثل سیلیکون استفاده می‌شود که خلوص بسیار بالا یکی از خواص اصلی آنهاست. ویفرهای سیلیکونی به قطعات سیلیکونی با خلوص بسیار بالا گفته می‌شود که در نهایت به پردازنده تبدیل می‌شوند. هزینه‌ی این ویفرها که طی فرآیندهای شیمیایی به خلوص بسیار بالا رسیده‌اند کم نیست و از این رو اگر بتوان تراشه‌ها را کوچک‌تر کرد و ترانزیستور بیشتری در مساحت برابر جای داد، هزینه‌ی کلی کاهش پیدا می‌کند.

لیتوگرافی ظریف‌تر همیشه هم بهتر نیست

روشن است که هر چه اجزا کوچک‌تر باشند، لیتوگرافی پیشرفته‌تر است و تراکم ترانزیستورها افزایش می‌یابد. وقتی بین پردازنده های که مساحت یکسانی دارند مقایسه انجام می‌دهیم، پردازنده ای بهتر است که لیتوگرافی ظریف‌تری داشته باشد. داشتن واحد‌های پردازشی بیشتر و حتی حافظه‌ی کش بیشتر یک مزیت بسیار مهم است. در تصویر زیر مقایسه بین لیتوگرافی ۲۲ نانومتری و ۱۴ نانومتری نشان می‌دهد که با مصرف ۵۴۴ درصد مساحت می‌توان به همان مقدار حافظه‌ی قبلی رسید:

.

لیتوگرافی ۱۴ نانومتری و حافظه‌ی مجتمع بیشتر

لیتوگرافی ۱۴ نانومتری و حافظه‌ی مجتمع بیشتر

.

اما همیشه اینگونه نیست که پردازنده ای با لیتوگرافی بهتر و پیشرفته‌تر، عملکرد بالاتری هم داشته باشد و حتی ممکن است توان مصرفی آن هم بهینه‌تر نباشد!

.

بهینه بودن طراحی واحد‌های پردازشی، طراحی پاور گیتینگ که در واقع واحد‌های پردازشی را فعال و غیرفعال می‌کند و همچنین سرعت کلاکشان را بالا و پایین می‌برد، ارتباط بین سطوح کش و واحد‌های پردازشی، ارتباط پردازنده با حافظه‌ی رم و مواردی از این دست هم روی کارایی کلی یک پردازنده موثر است.

موضوع دیگر نشت ولتاژ است. هر چه لیتوگرافی ظریف‌تر می‌شود، احتمال نشت ولتاژ بیشتر می‌شود. پردازنده ای که در حالت خاموش قرار دارد، باز هم کمی انرژی مصرف می‌کند. این انرژی نتیجه‌ی نشت ولتاژ است. البته نشت ولتاژ بسیار کوچک است و شاید در مقایسه با دنیای بزرگی که ما می‌شناسیم اصلاً مهم نباشد اما وقتی به دنیای میکروسکوپیک پردازنده ها مسافرت کنیم، نشت بسیار کم هم مهم است.

وضعیت فعلی لیتوگرافی‌های مختلف

در حال حاضر مثل همیشه اینتل پیشتاز عرضه‌ی لیتوگرافی برتر است و برای تولید انبوه پردازنده های مختلف دسکتاپ و لپ‌تاپ و همچنین موبایل با لیتوگرافی ۱۴ نانومتری گام بر‌می‌دارد .

سایر شرکت ها از لیتوگرافی ۲۰ و ۲۸ نانومتری استفاده می‌کنند ولیکن به زودی سراغ لیتوگرافی ۱۶ نانومتری خواهند رفت.

.

تراشه‌های مختلف لیتوگرافی متفاوتی دارند

پردازنده های مختلف لیتوگرافی متفاوتی دارند

.

لیتوگرافی چند پردازنده ی مطرح را در جدول زیر ببینید:

.

.

قرار است در سال ۲۰۲۰ لیتوگرافی ۵ نانومتری و در سال ۲۰۲۸ لیتوگرافی ۱ نانومتری به مراحل تولید انبوه نزدیک شود. پس از آن احتمالاً سازندگان پردازنده سراغ مواد جدید و روش‌های بهتر می‌روند و مباحثی مثل رایانش کوآنتومی که در حال حاضر هر از گاهی خبرهای آن را در فضای وب می‌بینیم جدی می‌شوند.

ارسال دیدگاه

Your email address will not be published. Required fields are marked *

5 × یک =

*