כשמדובר בהכרזות על מעבדים חדשים, היצרנים שלהם תמיד להוטים לציין שהם מיוצרים על "תהליך ננומטר" או "גודל תהליך" קטן יותר מאשר לפני שנה, ומכאן שהם פי n חזקים וחסכוניים באנרגיה. הכל בסדר, אבל אם אתם מהסוג הסקרן, אולי אתם תוהים מה זה גודל תהליך, האם הוא אוכל גזר, ואיך הוא קשור למהירות שבה הסמארטפון שלכם מריץ משחקים או מרוקן את הסוללה שלו.
חוץ מזה, האם זה לא קצת מנוגד לאינטואיציה שמעבדים בעצם הופכים קטנים יותר, אבל הם חזקים יותר, אבל פחות צריכות חשמל? אחרי הכל, אנחנו מותנים להאמין שגדול יותר פירושו גם חזק יותר, וחזק יותר פירושו שנדרש יותר כוח.
אל תדאג, זה לא כל כך מבלבל בפועל. ננסה להסביר את הרעיון של גודל התהליך כבר עכשיו.
מה זה ננומטר?
במהותו, מעבד מיקרו הוא לא הרבה יותר מחבורה של שכבות העשויות מחומרים שונים. ערימתם בדרכים מסוימות מניבה לנו את הרכיבים האלקטרוניים הזעירים המשמשים את המעבד כדי לקצץ מספרים - כגון טרנזיסטורים, נגדים וקבלים. אלה לא נראים כמו אלה בטלוויזיה השבורה שדוד ג'ו זרק לפח לפני עידנים. הם מיקרוסקופיים, ומונחים על רשת של ריבועים הפועלים כמתגי הפעלה וכיבוי. המרחק בין אותם רכיבי מעבד נמדד בננומטרים, המייצגים מיליארדית המטר. ככל שהמרחק קטן יותר, כך תוכל להכניס יותר דברים לשבב.
זה כל מה שיש בזה?
לא, כי ישנן דרכים נוספות שבהן הקטנת המרחק בין הרכיבים מביאה לשבבים יעילים יותר. כיווץ המיקרו-מעבד מביא לקיבול נמוך יותר בין מסופי הטרנזיסטור, מה שמגביר את תדירות המיתוג שלהם. ומכיוון שההספק הדינמי שצורך טרנזיסטור בעת החלפת אותות אלקטרוניים הוא פרופורציונלי ישר לקיבול, הטרנזיסטורים בסופו של דבר מהירים יותר ופחות צריכות חשמל!
מתוק, נכון? זה משתפר. אותם טרנזיסטורים קטנים צריכים פחות מתח כדי להפעיל אותם, ולכן הם מונעים על ידי מתחים נמוכים יותר. ואובדן הספק דינמי הוא פרופורציונלי לריבוע המתח. כאשר אתה מפחית את המתח הדרוש להנעת זרם דרך הטרנזיסטורים, אתה באורח קסם - לא, מתמטית - בסופו של דבר חותך את צריכת החשמל. והגורם האחרון שגורם ליצרני מוליכים למחצה לדחוף גדלי תהליכים קטנים יותר הוא העלות. ככל שרכיב קטן יותר, כך ניתן להכניס יותר ממנו בפרוסות שעליהן מייצרים מוליכים למחצה. למרות שגדלים קטנים יותר של תהליכים זקוקים לציוד יקר יותר, עלות ההשקעה מתקזזת על ידי העלות לכל רקיק.
אבל מדוע כיווץ גודל התהליך לוקח לתעשייה שנתיים בממוצע?
אבוי, לטבע יש את הדרכים שלו לאזן דברים לטובתו, במקום שלנו. זו הסיבה שהטרנזיסטורים הקטנים, החזקים והיעילים מהפסקה למעלה נוטים יותר לזרם דליפה. אם אתה מייצר מוליכים למחצה למחייתך, זה ממש הקיר שאפשר להכות בו את הראש. דליפות מתח מתרחשות בריבועים שנמצאים במצב Off, וגורמות לכך שהשבב צורך חשמל בזמן שהוא לא עושה כלום. בעולם אידיאלי, כל הריבועים האלה ברשת מסכת השכבות יהיו יציבים לחלוטין, אבל מפגעי חשמל קטנים כמו תנודות, שיפועים ודיפוזיה נהיים מטרידים יותר ככל שהאלקטרוניקה הופכת קטנה יותר.
אז כמה קטנים יכולים בסופו של דבר הרכיבים האלה להיות?
מהטבלה למטה, אתה יכול לראות שהמעבדים הניידים הפופולריים והחזקים ביותר כרגע נראים תלויים על 20nm או 28nm. אבל התהליך הקטן ביותר בפריסה מסחרית הוא 14 ננומטר, שהוקם על ידי אינטל ומשמש למעבדים שולחניים ומחשבים ניידים שלה. החברה מכוונת לתהליך של 5 ננומטר עבור שבבים ב-2020, וב-2028, התעשייה מצפה להגיע לתהליך של 1 ננומטר. זה עשוי להיגמר כגבול של טכנולוגיית הייצור הנוכחית שבה אנו משתמשים, ובנקודה זו, התעשייה תצטרך לשקול פיתוחים וחומרים אחרים. מכיוון שכבר היה לנו טרנזיסטור זעיר כמו אטום בודד בשנת 2012, בטוח לומר שיצרני השבבים ימצאו דרך להמשיך ולשפר את האומנות שלהם.
| מעבד | גודל תהליך (ננומטר) |
| קוואלקום Snapdragon 810 | 20 |
| קוואלקום Snapdragon 805 | 28 |
| אפל A8 | 20 |
| NVIDIA Tegra K1 | 28 |
| Samsung Exynos 7 Octa | 20 |
| MediaTek MT6795 | 28 |
