نانومتر یا تکنولوژی ساخت در سی پی یو به چه معناست؟

زمانی که گوشی جدید یا پردازنده جدیدی معرفی میشه به طور معمول میبینیم که از تکنولوژی ساخت و نانومتر حرف میزنند اما این نانومتر که در سی پی یو ها به کار میره به چه معناست و مثلا ۷ نانومتر با ۱۰ نانومتر چه تفاوتی داره؟ اگر شما هم سوالاتی از این دست دارید بهتون خوندن این مقاله را پیشنهاد میکنم.

ساختار پردازنده چیست؟

برای درک اینکه نانومتر چیست اول باید دانست که ساختار یک پردازنده(cpu) چیست.

امروزه پردازنده های رایج اعم از ARM و X86 همه از سیلیکون که نوعی عنصر نیمه رسانا است ساخته شده اند.

هر پردازنده(cpu) سیلیکونی از بخش های مختلفی تشکیل شده مثل مقاومت ها و ترانزیستور ها و خازن ها و مدار ها و ….

پردازنده سیلیکونی برای هر پردازش ولتاژ ۳ ولت و ۵ ولت را در نظر میگیرد که ۳ ولت به معنای ۰ یعنی خاموش و ۵ ولت به معنای ۱ یعنی روشن است .

مجموعه یک مقاومت و یک خازن در سطوح بسیار کوچک و یک ترانزیستور در سطوح بسیار کوچک میتوانند یک کد ۰ یا ۱ یعنی کد های باینری را بسازند این کد های باینری در سطوح سخت افزار ساخته میشوند و ذخیره داده تا پردازش داده همگی با کد های باینری یعنی ولتاژ های پشت سر هم ۳ ولت یا ۵ ولت انجام میشوند.

این داده ها در نهایت توسط کارت گرافیک یا چیپ گرافیک مجتمع با soc(system on chip) یا مجتمع با پردازنده شما به کد های باینری قابل نمایش تبدیل میشوند یعنی این کد ها به سطوح بالاتری از اعداد هشت هشتی یا نه نهی یا ده دهی بسته به مانیتور شما تبدیل میشوند و مانیتور بر اساس کد های از پیش تایین شده خود پیکسل ها را نمایش میدهد.

برای مثال کد ” ۱۰۰۱۰۱۰۰۱۰۰۱۰۰۱۰۰۰۱۱۰۱۰۰۰۰۱۰۱۱۰۱۱۱۱۱۰۱۰۰۰۰″ در مبنای باینری به صورت زیر ترجمه به اعداد ده دهی یا دسیمال میشود:

۲۵۵۲۴۳۲۲۱۱۹۲۰ که بسته به مانیتور این کد متفاوت است(درایوری که نصب میشود این کد را مشخص میکند)در این کد به صورت باینری برای مانیتور ۸ بیتی اعداد و حالات زیر تعریف شده:

۲۵۵٫۲۴۳٫۲۲٫۱٫۱۹۲۰ که به معنی این است که پیکسلی با رنگ HEX از نوع ۲۵۵ سطح قرمز و ۲۴۳ سطح سبز و ۲۲ سطح آبی در پیکسلی در سطر اول مانیتور در ۱۹۲۰ امین پیکسل از سمت چپ نشان بده.

پس فهمیدیم که پردازنده چگونه کار میکند و اطلاعات را برای ما نشان میدهد

نانومتر چیست؟

همانطور که گفتیم برای هر پردازش صفر و یا یک نیاز به مجموعه ای از یک ترانزیستور و خازن و مقاومت است که میتواند یک کد ۰ یا ۱ را پردازش کند این مجموعه که بر روی صفحه سیلیکونی چاپ میشود یک اندازه مشخصی دارد که آنرا با واحد نانومتر(هر یک میلی متر برابر یک میلیون نانومتر است) اندازه میگیرند برای مثال یک پردازنده ۸ نانومتری در یک فضای ۸ نانومتر در ۸ نانومتری توانسته یک مجموعه ترانزیستور و خازن و مقاومت جای دهد و از این مجموعه تا مجموعه بعدی فاصله ای برای سیم کشی و انتقال برق و اطلاعات بین مجموعه ها استفاده میشود که آن هم ۸ نانومتر است یعنی هر چه نانومتر کمتر تعداد ترانزیستور در پردازنده بیشتر و در نتیجه تعداد کد های ۰ یا ۱ که در هر واحد میتوان پردازش کرد بیشتر میشود.

حال شاید بپرسید که خب اگر نیاز به ترانزیستور های بیشتر است چرا به جای تلاش برای ساخت یک ترانزیستور کوچکتر به تلاش برای ساخت یک پردازنده بزرگتر نمی پردازند که جواب واضح است چرا که لپ تاپ ها و تلفن های همراه و هر وسیله دیگری فضای محدودی برای جای دادن پردازنده دارد و همچنین هر چه ترانزیستور بزرگتر باشد یعنی نانومتر بیشتر باشد مقدار بیشتری الکترون برای پردازش کردن آن ترانزیستور نیاز است که این یعنی برق بیشتری نیاز است و در نتیجه حرارت بیشتری تولید میشود که با توجه به فضای کم موبایل و لپ تاپ توانایی دفع آن را نداریم و حتی در کیس های پیشرفته هم نمیتوانیم پردازنده را خنک کنیم پس به جای بزرگ کردن سعی در کم کردن نانومتر میکنیم تا هم حرارت کمتری تولید شود و هم مصرف انرژی برای دستگاه های وابسته به باتری کمتر شود.

چرا ساخت پردازنده با نانومتر کمتر اینقدر پرهزینه است؟

خب شاید برایتان پرسش پیش بیاید که چرا ساخت ترانزیستور هایی با سایز کمتر اینقدر سخت و زمان بر و پر هزینه است در اینجا قوانین فیزیک را باید یاد آوری کرد.

هر ذره در صورتی که سرعت الکترون یا دمای آن زیاد شود شروع به الکترون پاشی میکند و الکترون پاشی در محیطی که ماده وجود داشته باشد منجر به گرفتن آن الکترون توسط دیگر اتم ها و تولید حرارت میشود.

در صورتی که ترانزیستور را کوچک تر کنیم احتمال این الکترون پاشی بیشتر میشود و در صورتی که نشت الکترون موجود باشد بدون اینکه پردازش انجام شده باشد این ذره از مدار خارج شده و به اتم های نامربوط می پیوندد و تبدیل به گرما میشود.

برای حل این مشکلات زمان و دقت و هزینه زیادی نیاز است.

در نهایت پردازنده های سیلیکونی به چه اندازه ای میرسند؟

به هر حال برای تولید یک ترانزیستور نیاز به تعدادی اتم است و اتم ها هم بالاخره به خودی خود حجم و اندازه مشخصی دارند که یعنی شاید حداکثر تا تکنولوژی ساخت ۱ آنگستروم(هر ۱ نانومتر برابر ۱۰ آنگستروم است)بتوان پیش رفت که اینتل و کوالکام این زمان را تا سال ۲۰۳۲ برآورد میکنند که زیاد دور نیست احتمالا تا آن زمان پردازنده های سیلیکونی برکنار بشوند و پردازنده های جدیدی برای استفاده خانگی منتشر شوند.

نویسنده: محمد امامی