すべての電子部品 コンピューターに基づいて構築された トランジスタ。 トランジスタの動作原理は、1940 年代後半にベル研究所で働く 3 人の科学者によって発見されました。 これらの科学者は、ウィリアム・ショックレー、ジョン・バーディーン、ウォルター・ブレテンです。 1954 年に彼らはノーベル賞を受賞しました。 コンピュータ産業のさらなる発展にとってトランジスタの発見の重要性と重要性は、かつての車輪と火の起こし方の発見に匹敵します。
ENIAC (電子数値統合器およびコンピューター) と呼ばれる最初のコンピューターは、40 年代初頭に開発されました。
真空管をベースにした ENIAC コンピューター。
当時はトランジスタが発明されていなかったため、コンピュータは数千本の大きくて不便な真空管で作られており、それを収容するためにいくつかの部屋が必要でした。 重量は27トンに達しました。 真空管は非常に熱くなり、信頼性が非常に低く、大量の電力を必要としました。 ENIACをオンにすると、そのたびに近くの街の明かりが暗くなりました。 ENIAC はいくつかの機能のみを実行しました。 現在、これらの操作はどのポケット電卓でも実行できます。
最初のトランジスタの発明以来、コンピュータ技術の分野では大きな進歩が遂げられました。 トランジスタは製造が容易で、安価、軽量、信頼性が高く、消費エネルギーも大幅に少なくなります。
最初のトランジスタは 40 個の真空管を置き換え、より高速で動作し、より安価で信頼性が高くなりました。
どうすればトランジスタを動作させることができるでしょうか? 簡単に言うと、ソフトウェアを使ってコンピュータにトランジスタのオン・オフを指示し、最終的に問題の解決に導きます。 プログラムの実行中、一連の電気パルス (デジタル信号) が 2 つの電圧レベルの形式で生成されます。 このシーケンスによってトランジスタの動作が決まります。
当然のことながら、ソフトウェアの汎用性が高く、使用されるトランジスタの数が増えるほど、コンピュータが実行できる作業はより複雑で時間のかかるものになります。
コンピュータでは、トランジスタはスイッチのように機能し、コレクタ、エミッタ、ベースの 3 つの主要な要素で構成されます。 トランジスタのコレクタが 6 ボルト電池の正極に接続され、エミッタが負極に接続されていると仮定します。 電子はトランジスタを通過しません（閉じられています）。 しかし、ベースに小さな（開放）電圧を加えると、トランジスタはが開き、コレクタ・エミッタ間で電流が流れます。
コンピューターには何百万ものトランジスタが使用されています。 たとえば、Intel core i7 プロセッサには約 10 億個のトランジスタが含まれています。
プロセッサ、マザーボード、さまざまな拡張カード、周辺機器のトランジスタは、他のデバイスからのデジタル信号に応答します。
したがって、現代のコンピュータは電子スイッチ、つまりトランジスタのセットです。
最近、モスクワ工芸博物館でコンピューター技術の展示台が大幅に更新されました。インテルはそこに「」と呼ばれる展示台を設置しました。 砂から加工品まで「今後、このスタンドは修学旅行に不可欠な要素になるでしょうが、大人であってもこの施設への訪問を 5 年以上先延ばしにしないことをお勧めします。インテルは、2016 年までに博物館を本格的に「アップグレード」する予定です。世界の科学博物館トップ 10 にランクインしましょう!
このイベントのために、同名の 3 部構成の講演シリーズが開催されました。 すでに 2 つの講義が終了しています。その内容はカットの下にあります。 これらすべてに興味がある場合は、3 番目の講義に参加する時間はまだあります。その情報については投稿の最後にあります。
この文章の大部分が実際には私が行った最初の講義の要約であることを認めることを恥ずかしく思いません ニコライ・スエティン, ロシアのインテル社の研究開発外部プロジェクトのディレクター。 講演の大部分は、現代の半導体技術とそれが直面する問題についてでした。
興味深いものから読み始めることをお勧めします。非常に基本的なことから始めます。
CPU
技術的には、最新のマイクロプロセッサは、数十億個の要素で構成される 1 つの超大型集積回路の形で作られています。これは、人間が作成した最も複雑な構造の 1 つです。 マイクロプロセッサの重要な要素は個別のスイッチ、つまりトランジスタです。 電流を遮断したり通過させたり (オン-オフ) することにより、コンピューターの論理回路が 2 つの状態、つまり 2 値システムで動作できるようになります。 トランジスタのサイズはナノメートル単位で測定されます。 1 ナノメートル (nm) は 10 億分の 1 (10−9) メートルです。プロセッサを作成する際の作業の大部分は人間ではなく、ロボット機構によって行われます。ロボット機構がシリコンウェーハを前後に運びます。 各プレートの生産サイクルには最大 2 ～ 3 か月かかる場合があります。
プロセッサーの製造テクノロジーについては、今後さらに詳しく (そして明確に) 説明しますが、ここでは簡単に説明します。
このプレートは実際には砂から作られています。ケイ素は地殻内で酸素に次いで 2 番目に豊富に存在します。 酸化ケイ素（SiO 2 ）を化学反応により徹底的に浄化し、「汚れ」をきれいにします。 マイクロエレクトロニクスには、溶融物から得られる単結晶シリコンが必要です。 すべては小さな結晶（溶融物に浸される）から始まり、後にそれは人の大きさの特別な単結晶「ブール」に変わります。 次に、主な欠陥が除去され、特別な糸（ダイヤモンドパウダーを使用）を使用してブールがディスクに切断されます。各ディスクは、完全に平らで滑らかな（原子レベルで）表面に慎重に加工されます。 各プレートの厚さは約1 mmです。これは、単に破損したり曲がったりしないように、つまり快適に作業できるようにするためです。
各プレートの直径は正確に 300 mm です。少し後には、この領域に数百、さらには数千のプロセッサが「成長」することになります。 ちなみに、インテル、サムスン、東芝、TSMCは、450mmウェーハを処理できる装置を開発中であることをすでに発表しています（より多くのプロセッサがより広い領域に収まり、各プロセッサの価格が安くなります） - それらへの移行2012年に予定されています
プロセッサの断面図は次のとおりです。
上部には金属製の保護カバーがあり、保護機能に加えてヒートスプレッダとしても機能します。これは、クーラーを取り付けるときにサーマルペーストをたっぷりと塗布するものです。 ヒート スプレッダーの下には、すべてのユーザー タスクを実行する同じシリコン部分があります。 さらに下には、プロセッサをマザーボードのソケットに取り付けることができるように、接点をルーティングする（および「脚」の面積を増やす）ために必要な特別な基板があります。
チップ自体はシリコンで構成されており、その上に最大9層のメタライゼーション（銅）層があります。これは、特定の法則に従って、チップの表面にあるトランジスタを接続できるようにするために必要な層の数です。シリコン（これすべてを 1 つのレベルで実行することは単純に不可能であるため）。 基本的に、これらの層は接続ワイヤとして機能しますが、規模は非常に小さいです。 「ワイヤ」が互いに短絡するのを防ぐために、それらは酸化物（低誘電率）の層によって分離されています。
上で書いたように、プロセッサの基本セルは電界効果トランジスタです。 最初の半導体製品はゲルマニウムから作られ、最初のトランジスタもゲルマニウムから作られました。 しかし、電界効果トランジスタ（ゲートの下には、トランジスタの「スイッチオン」と「スイッチオフ」を制御する薄い誘電体膜である特別な絶縁層がある）が製造され始めるとすぐに、ゲルマニウムはすぐに「死んだ」シリコンに道を譲りました。 過去 40 年間、二酸化シリコン (SiO2) は、その製造容易性と、サイズの縮小に伴ってトランジスタの性能を系統的に向上させる能力により、主要なゲート誘電体材料として使用されてきました。
スケーリング規則は単純です。トランジスタのサイズを縮小すると、誘電体の厚さも比例して減少します。 たとえば、65 nm プロセス技術を使用したチップでは、SiO 2 ゲート誘電体層の厚さは約 1.2 nm で、これは 5 原子層に相当します。 実際、これはこの材料の物理的な限界です。トランジスタ自体がさらに縮小する (つまり、二酸化シリコン層が減少する) 結果、ゲート誘電体を通るリーク電流が大幅に増加し、大幅な電流損失と過剰な電流損失が発生するからです。熱の発生。 この場合、二酸化シリコンの層は電子の量子トンネリングに対する障害ではなくなるため、トランジスタの状態を確実に制御できる可能性が失われます。 したがって、すべてのトランジスタ（現代のプロセッサの数は数十億個に達する）が理想的に製造されているとしても、そのうちの少なくとも 1 つの誤った動作はプロセッサ ロジック全体の誤った動作を意味し、それは容易に惨事につながる可能性があると考えられています。マイクロプロセッサは、事実上すべてのデジタル デバイス (最新の携帯電話から自動車の燃料システムに至るまで) の動作を制御します。
トランジスタの微細化のプロセスは物理法則に反しませんでしたが、ご覧のとおり、コンピューターの進歩は止まりませんでした。 これは、誘電体の問題が何らかの形で解決されたことを意味します。 そしてインテルは、45nm に移行する際に、絶望的に薄い二酸化シリコン層を置き換える新しい材料、いわゆる high-k 誘電体を使用し始めました。 高い（SiO 2 の場合は 4 に対して 20）誘電率 k（high-k）を持つ希土類金属ハフニウムの酸化物をベースにした層は厚くなりましたが、これにより漏れ電流を 10 分の 1 以上減らすことができました。トランジスタの正確かつ安定した動作を制御する能力を維持しながら。 新しい誘電体はポリシリコンゲートとの互換性が低いことが判明しましたが、これは障害にはなりませんでした。性能を向上させるために、新しいトランジスタのゲートは金属でできていました。
こうしてインテルは、ハフニウムを使用したマイクロプロセッサの量産に切り替えた世界初の企業となった。 さらに、手のひらはまだ企業のものであり、今のところ誰もこの技術を再現できません。 誘電体膜は原子堆積法を使用して作成され、材料はわずか 1 原子の厚さで連続層に堆積されます。
これらの段落を読んで、何十億ものトランジスタがどのように設計、製造され、このような小さな領域に収まるのか、少しでも理解できたでしょうか? そして、それは最終的にどのように機能し、同時にかなり妥当な費用がかかるのでしょうか? 私はとても思慮深くなりましたが、以前はこれらすべてが当然のことだと考えていて、「」と考える良心さえ持っていました。 ねえ、なぜそんなに高いのですか？ プロセッサーが 1 つの場合のみ!»:)
1965 年、インテル コーポレーションの創設者の 1 人であるゴードン ムーアは、後に彼の名を冠した有名な法則となる経験的観察を記録しました。 メモリ チップの性能の向上をグラフ化した結果、彼は興味深いパターンを発見しました。つまり、チップの新しいモデルは、前世代のチップが登場してから同じ間隔 (約 18 ～ 24 か月) で開発され、そのたびにチップの容量が約 2 倍になったのです。
ゴードン・ムーアは後にあるパターンを予測し、マイクロプロセッサーのトランジスタの数が 2 年ごとに 2 倍になることを示唆しました。実際、インテルは常に革新的なテクノロジーを生み出すことで、40 年以上にわたってムーアの法則が確実に満たされるようにしてきました。
プロセッサの「出力」のサイズは比較的変化していないにもかかわらず、トランジスタの数は増加し続けています。 繰り返しますが、秘密はありません。これは、次の依存関係を見れば明らかです。
ご覧のとおり、2 年ごとにトポロジ次元は 0.7 倍減少します。 トランジスタのサイズを縮小した結果、スイッチング速度が向上し、価格が下がり、消費電力が低くなります。
現在、Intel は 32nm テクノロジーを使用してプロセッサを製造しています。 45nm テクノロジーとの主な技術的な違い:
- 9 レベルのメタライゼーションが使用されています
- 新世代の High-k 誘電体が使用されています (これも酸化ハフニウムですが、特別な添加物が含まれています - 結果として得られる層は 0.9 nm の酸化シリコンに相当します)
メタルゲートを作成するための新しい技術プロセスの創出により、すべてのトランジスタの性能が 22% 向上し (45nm と比較)、最高の電流密度を必要とする最高の素子密度が実現しました。
生産
インテルは、米国、イスラエル、アイルランドの 3 か国でプロセッサを生産しています。 同社は現在、32nm技術を使用したプロセッサの量産工場を4つ持っている。 これ： D1Dそして D1Cオレゴン州で ファブ32アリゾナと ファブ11Xニューメキシコ州で。 これらの工場の設計や仕事には興味深いことがたくさんありますが、それについては次回お話しします。
このようなプラントのコストは約 50 億ドルで、一度に複数のプラントを建設すると、投資額は安全に何倍にもなる可能性があります。 技術の変化が 2 年ごとに起こることを考慮すると、工場が投資した 50 億ドルを「回収」して利益を上げるには、ちょうど 4 年かかることがわかります。 これは明白な結論につながります。技術進歩の発展は経済学によって大きく左右されます...しかし、これらすべての膨大な数字にもかかわらず、1 つのトランジスタの製造コストは低下し続けており、現在では 10 億分の 1 ドル未満になっています。
いくつかの工場が 32nm に移行したことで、すべてが突然この技術プロセスを使用して生産されるとは考えないでください。同じチップセットや他の周辺回路は単純にこれを必要としません。ほとんどの場合、45nm が使用されます。 来年には 22nm のマイルストーンに完全に到達する予定で、2013 年までには 16nm になる可能性が高いです。 少なくとも今年は、プロセッサの動作に必要なすべての要素の性能が実証されたテストプレート（22nm）がすでに作成されていました。
*nE0からのUPD* ゲート誘電体の厚さを減らす必要性は、フラット コンデンサの単純な式によって決まります。
トランジスタのゲート面積は減少しますが、トランジスタが動作するには、ゲート誘電体の静電容量を維持する必要があります。
したがって、厚さを薄くする必要があり、それが不可能になったとき、より誘電率の高い材料が見つかった。
シリコンの時代はいつ終わるのでしょうか？ 正確な日付はまだわかっていませんが、そう遠くないことは間違いありません。 それは間違いなく22nmテクノロジーで「戦う」でしょう、おそらく16nmに残るでしょう...しかし、そこから楽しみが始まります。 周期表は原則として非常に大きく、そこから選択できるものがたくさんあります）しかし、おそらく、すべては化学だけではありません。 プロセッサの効率を上げるには、トポロジー次元を削減するか (これが現在行われていることです)、キャリア移動度がより高い他の化合物 (おそらくガリウムヒ素、おそらく「注目度の高い」有望なグラフェン) を使用することによって達成できます。ちなみに、その移動度はシリコンの数百倍です）。 しかし、ここにも問題があります。 現在、技術は直径 300 mm のウェーハを処理するように設計されています。そのようなウェーハに必要なガリウムヒ素の量は自然界には存在せず、このサイズのグラフェン (Word では「カラフェ」と書くことを強く勧めています) を加工するのは依然として非常に困難です。プロデュース - 私たちはその方法を学びましたが、複製、ドーピングなど、多くの欠陥や問題があります。
おそらく、次のステップはシリコン上に単結晶ガリウムヒ素を堆積し、その後グラフェンを堆積することになるでしょう。 そしておそらく、マイクロエレクトロニクスの発展は、技術を改善するという道に沿って進むだけでなく、根本的に新しいロジックを開発するという道に沿って進む可能性もあり、これも排除することはできません。 賭けてみませんか、皆さん。 ;)
一般に、現在、テクノロジーと高機動性をめぐる争いが起こっています。 しかし、一つだけ明らかなことは、進歩を止める理由はないということです。
カチカチ
プロセッサの製造プロセスは 2 つの大きな「部分」で構成されます。 1つ目は製造技術自体を持っている必要があり、2つ目は何をどのように作るか、つまりアーキテクチャ（トランジスタがどのように接続されているか）を理解する必要があります。 新しいアーキテクチャと新しいテクノロジーを同時に作成すると、失敗した場合に「犯人」を見つけるのが難しくなります。「建築家」の責任だと言う人もいれば、技術者の責任だと言う人もいます。 一般に、そのような戦略に従うことは非常に近視眼的です。インテルでは、新しいテクノロジーとアーキテクチャの導入は時間の経過とともに分散されます。テクノロジーは 1 年で導入されます (そして、すでに実証済みのアーキテクチャは新しいテクノロジーを使用して作成されます)。何か「問題」が発生した場合、その責任は技術者にあります。 ); そして、新しいテクノロジーが証明されると、アーキテクトはそのテクノロジーに合わせて新しいアーキテクチャを作成します。そして、証明されたテクノロジーで何かが機能しない場合は、アーキテクトの責任になります。 この戦略は「チクタク」と呼ばれていました。
より明確に:
現在の技術開発のペースでは、研究開発への多大な投資が必要です。インテルはこの問題に毎年 40 ～ 50 億ドルを投資しています。 仕事の一部は社内で行われますが、多くは社外で行われます。 研究室全体を一緒に保つだけです ベル研究所（ノーベル賞受賞者を輩出するのは）現代ではほぼ不可能だ。
原則として、最初のアイデアは大学で生まれます。大学が取り組む意味があること（どの技術が需要があり、何が関連するか）を正確に知るために、すべての「半導体企業」がコンソーシアムに統合されました。 その後、彼らは一種のロードマップを提供します。それは、今後 3 ～ 5 ～ 7 年間に半導体業界が直面するであろうすべての問題について述べています。 理論的には、どの企業も文字通り大学に行って、さまざまな革新的な開発を「利用」する権利を持っていますが、それらに対する権利は原則として大学の開発者にあります。このアプローチは「オープンイノベーション」と呼ばれます。 」 インテルも例外ではなく、定期的に学生のアイデアに耳を傾けています。防御、エンジニアリング レベルでの選択、実際の条件でのテストを経て、そのアイデアは新しいテクノロジーになる可能性が十分にあります。
以下は、インテルが協力している世界中の研究センター (大学を除く) のリストです。
生産性の向上は工場の価格の上昇につながり、これが自然淘汰につながります。 したがって、たとえば、4 年間で元を取るには、Intel の各工場は 1 時間あたり少なくとも 100 枚の稼働ウェーハを生産する必要があります。 各ウェーハには何千ものチップが搭載されています...そして、特定の計算を行うと、Intel が世界のプロセッサ市場の 80% を持っていなかったら、同社は単純にコストを回収することができないことが明らかになります。 結論は、独自の「デザイン」と独自の製品の両方を持つことは、現代では非常に高価であり、少なくとも巨大な市場が必要であるということです。 自然選択の結果を以下に示します。ご覧のとおり、「設計」と製造において技術進歩に追いついている企業はますます少なくなってきています。 他の企業はすべてファブレス モードに移行する必要がありました。たとえば、Apple も NVIDIA も、AMD さえも独自の工場を持たず、他社のサービスを使用する必要がありました。
Intel のほかに、22nm テクノロジーに対応できる可能性があるのは世界中で 2 社だけです。Samsung と、昨年工場に 10 億ドル以上を投資した TSMC です。 さらに、TSMC には独自の設計部門はありません (鋳造工場のみ)。実際には、他社からの注文を受け入れる単なるハイテク鍛造工場であり、多くの場合、何を鍛造しているのかさえわかっていません。
ご覧のとおり、自然選択は非常に早く、わずか 3 年で起こりました。 これから 2 つの結論を導き出すことができます。 1 つ目は、自社の工場がなければ、業界のリーダーになれる可能性は低いということです。 2 つ目 - 実際、独自の工場がなくても成功できます。 一般的に、優れたコンピューター、頭脳、そして「絵を描く」能力があれば十分です。市場への参入障壁は大幅に下がり、多くの「スタートアップ」が登場したのはこのためです。 誰かが、特定の市場が存在する、または特定の市場が人工的に作成される特定の計画を思いつきます - 初心者の生産者が立ち上がります...利益！ しかし、ファウンドリ市場への敷居は大幅に上昇しており、今後も成長し続けるでしょう...
近年、他に何が変わったのでしょうか？ 覚えていると思いますが、2004 年までは、「プロセッサの周波数は高いほど良い」という主張は非常に公平なものでした。 2004 年から 2005 年にかけて、プロセッサ周波数の成長がほぼ止まりました。これは、ある種の物理的な限界に達したことが原因です。 現在では、マルチコアを使用してタスクを並行して実行することにより、生産性を向上させることができます。 しかし、1 つのチップ上に多くのコアを作成することは大きな問題ではありません。負荷の下でコアを正しく動作させることははるかに困難です。 その結果、この瞬間からソフトウェアの役割は劇的に増大し、「プログラマー」という職業の重要性は近い将来ますます高まるでしょう。
以上を大まかにまとめると、:
- ムーアの法則は引き続き適用されます
- 新技術や新素材の開発コスト、工場維持コストの高騰
- 生産性も向上しています。 450mm プレートに移行するとジャンプが予想されます
結果として:
- 企業を「ファブレス」と「ファウンドリ」に分割
- コアの研究開発を外部委託する
- ソフトウェア開発による差別化
終わり
読んで面白かったですか？ 希望。 少なくとも、これを書くのは私にとって興味深いものでしたし、それを聞くのはさらに興味深いものでした...最初は「この講義では何を話すのだろう」とも思いましたが。先週、2回目の講義がモスクワ工科博物館で行われた。
現代の電子機器の消費者を驚かせるのは非常に困難です。 私たちは、ポケットがスマートフォンで正当に占められ、ラップトップがバッグの中にあり、スマートウォッチが手で素直に歩数を数え、アクティブノイズリダクションシステムを備えたヘッドフォンが耳を撫でているという事実にすでに慣れています。
面白いことに、私たちは 1 台ではなく、2 台、3 台、あるいはそれ以上のコンピューターを同時に持ち歩くことに慣れています。 結局のところ、これはまさに、次の機能を備えたデバイスと呼ぶことができます。 CPU。 そして、特定のデバイスがどのように見えるかはまったく問題ではありません。 その動作を担うのは、激動の急速な開発過程を乗り越えてきた超小型チップです。
なぜプロセッサの話題を取り上げたのでしょうか? それは簡単です。 過去 10 年間にわたり、モバイル デバイスの世界では真の革命が起こりました。
これらのデバイス間には 10 年の違いしかありません。 しかし、当時の私たちにとって Nokia N95 は宇宙機器のように見えました。そして今日、私たちはある種の不信感を持って ARKit を見ています
しかし、すべてが違った展開になっていた可能性もあり、ボロボロの Pentium IV は平均的な購入者の究極の夢のままだったかもしれません。
私たちは複雑な技術用語を避け、プロセッサがどのように動作するかを説明し、どのアーキテクチャが未来であるかを明らかにしようとしました。
1. すべてはどのように始まったのか
最初のプロセッサは、PC のシステム ユニットの蓋を開けたときに見えるものとはまったく異なりました。
20 世紀の 40 年代には超小型回路の代わりに、 電気機械リレー、真空管で補われています。 ランプはダイオードとして機能し、その状態は回路内の電圧を下げたり上げたりすることで調整できます。 そのようなデザインは次のようになります。
1 台の巨大なコンピューターを動作させるには、数百、場合によっては数千のプロセッサーが必要でした。 しかし同時に、このようなコンピュータでは、標準の Windows や macOS に搭載されている NotePad や TextEdit などの単純なエディタさえも実行できません。 コンピューターの電力が足りないだけです。
2. トランジスタの登場
初め 電界効果トランジスタ 1928年に登場しました。 しかし、世界が変わったのは、いわゆる バイポーラトランジスタ、1947年にオープンしました。
1940 年代後半、実験物理学者のウォルター ブラッテンと理論家のジョン バーディーンは、最初のポイントツーポイント トランジスタを開発しました。 1950 年に最初のプレーナー トランジスタに置き換えられ、1954 年に有名なメーカーであるテキサス インスツルメンツがシリコン トランジスタを発表しました。
しかし、本当の革命は 1959 年に起こり、科学者ジャン・アンリがモノリシック集積回路の基礎となる最初のシリコンプレーナー (フラット) トランジスタを開発したときでした。
はい、少し複雑なので、もう少し深く掘り下げて理論的な部分を理解しましょう。
3. トランジスタの仕組み
したがって、このような電気コンポーネントのタスクは、 トランジスタ電流を制御することです。 簡単に言えば、この小さなトリッキーなスイッチは電気の流れを制御します。
従来のスイッチに対するトランジスタの主な利点は、人間の立ち会いを必要としないことです。 それらの。 このような素子は、電流を独立して制御することができる。 さらに、電気回路を自分でオンまたはオフにするよりもはるかに速く動作します。
学校のコンピューター サイエンスの授業で、コンピューターは「オン」と「オフ」の 2 つの状態の組み合わせによって人間の言語を「理解」する、ということをおそらく覚えているでしょう。 機械の理解では、これは「0」または「1」の状態です。
コンピューターの仕事は、電流を数値として表すことです。
そして、以前は状態を切り替えるタスクが不器用でかさばる非効率な電気リレーによって実行されていたとしたら、現在はトランジスタがこの日常的な作業を引き受けています。
60 年代初頭以降、トランジスタはシリコンから作られるようになり、プロセッサをよりコンパクトにするだけでなく、信頼性も大幅に向上させることが可能になりました。
まず、ダイオードについて考えましょう
ケイ素(別名 Si - 周期表の「ケイ素」) は半導体のカテゴリーに属します。つまり、一方では誘電体よりも電流を流しやすく、他方では金属よりも流しにくいということです。
好むと好まざるにかかわらず、プロセッサー開発の仕事とさらなる歴史を理解するには、1 つのシリコン原子の構造に飛び込む必要があります。 恐れることはありません。簡潔かつ明確に説明します。
トランジスタの役割は、追加の電源を使用して弱い信号を増幅することです。
シリコン原子には4つの電子があり、そのおかげで結合を形成します (正確には共有結合)近くに同じ 3 つの原子があり、結晶格子を形成します。 ほとんどの電子は結合していますが、そのうちのごく一部の電子は結晶格子を通って移動できます。 シリコンが半導体として分類されるのは、この電子の部分的な遷移のためです。
しかし、このように弱い電子の動きではトランジスタを実際に使用することはできないため、科学者たちは次のような方法でトランジスタの性能を向上させることにしました。 ドーピング、または簡単に言うと、電子の特徴的な配置を持つ元素の原子をシリコン結晶格子に追加することです。
そこで彼らは 5 価のリン不純物を使用し始めました。 n型トランジスタ。 追加の電子の存在により、電子の動きが加速され、電流が増加することが可能になりました。
トランジスタにドーピングする場合 p型 3つの電子を含むホウ素がそのような触媒となりました。 電子が 1 つ存在しないため、結晶格子に正孔が発生します (正電荷として機能します)。しかし、電子がこれらの孔を満たすことができるため、シリコンの導電率は大幅に増加します。
シリコンウェーハを取り、その一部に p 型ドーパントをドープし、他の部分に n 型ドーパントをドープしたとします。 それで、私たちは得ました ダイオード– トランジスタの基本要素。
ここで、n 部分にある電子は、p 部分にある正孔に移動する傾向があります。 この場合、n 側はわずかにマイナスの電荷を持ち、p 側はわずかにプラスの電荷を持ちます。 この「重力」の結果として形成される電場、つまり障壁は、電子のさらなる移動を妨げます。
プレートのp側に「－」、n側に「＋」が触れるようにダイオードに電源を接続すると、ホールが引き寄せられて電流が流れなくなります。電源のマイナス接点に電流が流れると、電子がプラス側に引き寄せられ、結合層の膨張によりp側電子とn側電子の結合が失われます。
しかし、電源を十分な電圧で逆に接続すると、つまり、 ソースから p 側に「+」、n 側に「-」 - を付けると、n 側に配置された電子は負極によって反発されて p 側に押し出され、正孔を占有します。 P領域。
しかし、電子は電源の正極に引き寄せられ、p ホールを通って移動し続けます。 この現象はこう呼ばれた ダイオードの順バイアス.
ダイオード + ダイオード = トランジスタ
トランジスタ自体は、互いに接続された 2 つのダイオードと考えることができます。 この場合、p 領域 (ホールが位置する領域) がそれらの間で共通になり、「ベース」と呼ばれます。
N-P-N トランジスタには、電子が追加された 2 つの n 領域があり、これらは「エミッタ」および「コレクタ」でもあり、ホールを含む 1 つの弱い領域は「ベース」と呼ばれる p 領域です。
電源 (V1 とします) をトランジスタの n 領域 (極に関係なく) に接続すると、1 つのダイオードが逆バイアスになり、トランジスタは 閉まっている.
しかし、別の電源 (V2 と呼びます) を接続するとすぐに、「+」接点を「中央」の p 領域 (ベース) に設定し、「-」接点を n 領域 (エミッタ) に設定します。一部の電子は再び形成された鎖 (V2) を流れ、一部は正の n 領域に引き付けられます。 その結果、コレクタ領域に電子が流れ込み、微弱な電流が増幅されます。
息を吐きましょう！
4. では、コンピュータはどのように動作するのでしょうか?
そしていま 最も重要な.
印加電圧に応じて、トランジスタは次のいずれかになります。 開ける、 または 閉まっている。 電圧がポテンシャル障壁（p プレートと n プレートの接合点における同じ障壁）を克服するのに不十分な場合、トランジスタは閉じた状態、つまりバイナリ システムの言葉で言えば「オフ」状態になります。 0」。
十分な電圧がある場合、トランジスタが開き、2進法で「オン」または「1」という値が得られます。
この0か1の状態をコンピュータ業界では「ビット」と呼びます。
それらの。 私たちは、人類にコンピュータへの道を開いたまさにスイッチの主要な財産を手に入れました。
最初の電子デジタル コンピュータ ENIAC、より簡単に言うと最初のコンピュータは、約 18,000 個の三極管ランプを使用しました。 コンピューターはテニスコートほどの大きさで、重さは30トンあった。
プロセッサがどのように動作するかを理解するには、さらに 2 つの重要なポイントを理解する必要があります。
瞬間1。 それで、それが何であるかが決まりました 少し。 しかし、その助けを借りても、何かの特徴を 2 つしか取得できません。それは「はい」か「いいえ」のいずれかです。 コンピューターが私たちをよりよく理解できるようにするために、彼らは 8 ビット (0 または 1) の組み合わせを考え出し、それを「 バイト.
バイトを使用すると、0 から 255 までの数値をエンコードできます。これらの 255 個の数値 (0 と 1 の組み合わせ) を使用すると、あらゆるものをエンコードできます。
瞬間2。論理のない数字や文字だけでは何も得られません。 だからこそこのコンセプトが登場したのです 論理演算子.
たった 2 つのトランジスタを特定の方法で接続することで、「および」、「または」などの複数の論理アクションを一度に実現できます。 各トランジスタの電圧と接続の種類の組み合わせにより、0 と 1 のさまざまな組み合わせが得られます。
プログラマーの努力により、0と1の値、つまり2進法が10進数に変換され始め、コンピューターが何を「言っている」のかを正確に理解できるようになりました。 コマンドを入力するには、キーボードから文字を入力するなど、通常のアクションをコマンドのバイナリ チェーンとして表現する必要があります。
簡単に言えば、各文字が 0 と 1 の組み合わせに対応するルックアップ テーブル (ASCII など) があると想像してください。キーボードのボタンを押した瞬間、プログラムのおかげでプロセッサ上でトランジスタが切り替わり、キーに書かれた文字が画面上に表示されます。
これはプロセッサとコンピュータの動作原理のかなり原始的な説明ですが、これを理解することで次に進むことができます。
5.そしてトランジスタレースが始まった
1952 年に英国のラジオ技術者ジェフリー・ダーマーがモノリシック半導体結晶の中に最も単純な電子部品を配置することを提案して以来、コンピュータ産業は飛躍的に進歩しました。
ダーマーが提案した集積回路から、エンジニアはすぐに マイクロチップ、トランジスタに基づいていました。 また、そのようなチップのいくつかはすでに形成されています。 CPU.
もちろん、そのようなプロセッサの寸法は現代のものとあまり似ていません。 さらに、1964 年まで、すべてのプロセッサには 1 つの問題がありました。 プロセッサごとに異なるプログラミング言語という個別のアプローチが必要でした。
- 1964 IBM システム/360。ユニバーサルコード対応パソコン。 あるプロセッサ モデルの命令セットを別のプロセッサ モデルに使用できる可能性があります。
- 70年代。最初のマイクロプロセッサの登場。 Intelのシングルチッププロセッサ。 Intel 4004 – 10 ミクロン TC、2,300 個のトランジスタ、740 KHz。
- 1973 年 Intel 4040 および Intel 8008。Intel 4040 では 3,000 個のトランジスタ、740 kHz、Intel 8008 では 500 kHz で 3,500 個のトランジスタ。
- 1974 インテル 8080。 6ミクロンTCと6000個のトランジスタ。 クロック周波数は約5,000kHzです。 Altair-8800 コンピューターで使用されていたのはこのプロセッサでした。 Intel 8080 の国内コピーは、キエフマイクロデバイス研究所によって開発された KR580VM80A プロセッサです。 8ビット。
- 1976 インテル 8080。 3ミクロンTCと6500個のトランジスタ。 クロック周波数は6MHz。 8ビット。
- 1976 ザイログ Z80。 3ミクロンTCと8500個のトランジスタ。 クロック周波数は最大 8 MHz。 8ビット。
- 1978 インテル 8086。 3 ミクロン TC と 29,000 個のトランジスタ。 クロック周波数は約25MHzです。 現在でも使用されている x86 命令システム。 16ビット。
- 1980 インテル 80186。 3 ミクロン TC と 134,000 個のトランジスタ。 クロック周波数 – 最大 25 MHz。 16ビット。
- 1982 インテル 80286。 1.5 ミクロン TC と 134,000 個のトランジスタ。 周波数 – 最大 12.5 MHz。 16ビット。
- 1982 モトローラ 68000。 3ミクロン、84,000個のトランジスタ。 このプロセッサは Apple Lisa コンピュータで使用されていました。
- 1985 インテル 80386。 1.5 ミクロンの TP および 275,000 個のトランジスタ周波数 – 386SX バージョンでは最大 33 MHz。
このリストは無期限に継続できるように思えましたが、インテルのエンジニアは深刻な問題に直面しました。
6. ムーアの法則、またはチップメーカーが前進する方法
80年代の終わりです。 60 年代初頭に遡り、インテルの創設者の 1 人であるゴードン ムーアは、いわゆる「ムーアの法則」を定式化しました。 次のように聞こえます。
24 か月ごとに、集積回路チップ上に配置されるトランジスタの数が 2 倍になります。
この法律を法律と呼ぶのは難しい。 経験的観察と言ったほうが正確だろう。 技術開発のペースを比較すると、同様の傾向が形成される可能性があるとムーア氏は結論付けた。
しかし、第 4 世代 Intel i486 プロセッサの開発中に、エンジニアはすでにパフォーマンスの上限に達しており、同じ領域にこれ以上のプロセッサを搭載できないという事実に直面していました。 当時のテクノロジーではこれは不可能でした。
解決策として、いくつかの追加要素を使用するオプションが見つかりました。
- キャッシュメモリ。
- コンベヤー。
- 内蔵コプロセッサ。
- 乗数
計算負荷の一部がこれら 4 つのノードの肩にかかりました。 その結果、キャッシュ メモリの登場により、プロセッサの設計が複雑になる一方で、プロセッサはより強力になりました。
Intel i486 プロセッサはすでに 120 万個のトランジスタで構成されており、その最大動作周波数は 50 MHz に達しました。
1995 年に AMD が開発に参加し、当時最速の 32 ビット アーキテクチャで i486 互換プロセッサ Am5x86 をリリースしました。 すでに350ナノメートルの技術プロセスで製造されており、搭載プロセッサ数は160万個に達した。 クロック周波数は133MHzに増加しました。
しかし、チップメーカーは、チップに搭載されるプロセッサの数をさらに増やしたり、すでに理想的な CISC (複雑命令セット コンピューティング) アーキテクチャの開発を追求する勇気はありませんでした。 その代わりに、アメリカのエンジニア David Patterson は、最も必要な計算命令だけを残してプロセッサの動作を最適化することを提案しました。
そこでプロセッサメーカーはRISC（縮小命令セットコンピューティング）プラットフォームに切り替えましたが、それだけでは不十分であることが判明しました。
1991 年に、100 MHz で動作する 64 ビット R4000 プロセッサがリリースされました。 3 年後、R8000 プロセッサが登場し、さらに 2 年後には、最大 195 MHz のクロック周波数を備えた R10000 が登場しました。 同時に、SPARC プロセッサの市場が発展しました。そのアーキテクチャ上の特徴は、乗算と除算の命令がないことでした。
チップメーカーはトランジスタの数を争う代わりに、自社の製品のアーキテクチャを再考し始めました。。 「不必要な」コマンドの拒否、1 クロック サイクルでの命令の実行、一般的な値のレジスタの存在、およびパイプライン化により、トランジスタの数を変えることなく、プロセッサのクロック周波数と電力を迅速に高めることが可能になりました。
以下に、1980 年から 1995 年の間に登場したアーキテクチャのほんの一部を示します。
- スパーク;
- 腕;
- パワーPC;
- インテル P5;
- AMD K5;
- インテルP6。
これらは RISC プラットフォームに基づいており、場合によっては CISC プラットフォームを部分的に組み合わせて使用していました。 しかし、テクノロジーの発展により、チップメーカーは再びプロセッサの拡張を続けるようになりました。
1999 年 8 月、250 ナノメートルのプロセス技術を使用して製造され、2,200 万個のトランジスタを備えた AMD K7 Athlon が市場に投入されました。 その後、基準は 3,800 万プロセッサに引き上げられました。 それから250万まで。
技術的なプロセッサが増加し、クロック周波数が増加しました。 しかし、物理学が言うように、すべてのものには限界があります。
7. トランジスタ競技会の終わりは近い
2007 年、ゴードン ムーアは非常に強い声明を発表しました。
ムーアの法則は間もなく適用されなくなります。 無制限の数のプロセッサを無限にインストールすることは不可能です。 その理由は物質の原子的な性質にあります。
2 つの大手チップ メーカーである AMD と Intel が、過去数年間でプロセッサ開発のペースを明らかに減速させてきたことは、肉眼で見てもわかります。 技術プロセスの精度はわずか数ナノメートルまで向上しましたが、さらに多くのプロセッサを搭載することは不可能です。
そして、半導体メーカーが 3DN やメモリと同等の多層トランジスタを発売すると脅している一方で、30 年前に壁にぶつかった x86 アーキテクチャには強力な競争相手が存在しました。
8. 「通常の」プロセッサーを待っているもの
ムーアの法則は2016年から無効になっています。 これはプロセッサメーカー最大手のIntelが正式に発表したもの。 チップメーカーはもはや、2 年ごとにコンピューティング能力を 100% 倍増させることはできません。
そして現在、プロセッサメーカーにはいくつかの有望な選択肢があります。
最初の選択肢は量子コンピューターです。 粒子を使用して情報を表現するコンピューターを構築する試みはすでに行われています。 世界には同様の量子デバイスがいくつかありますが、それらは複雑度の低いアルゴリズムにしか対応できません。
さらに、今後数十年間にそのようなデバイスが連続的に発売されることは問題外です。 高価、非効率、そして...遅い!
はい、量子コンピューターは現代のコンピューターよりも消費するエネルギーがはるかに少ないですが、開発者やコンポーネントメーカーが新しいテクノロジーに切り替えるまでは速度が遅くなります。
2 番目のオプションは、トランジスタの層を備えたプロセッサです。 Intel と AMD は両方ともこのテクノロジーについて真剣に検討しています。 トランジスタの一層の代わりに、彼らは複数のトランジスタを使用することを計画している。 将来的には、コアの数やクロック速度だけでなく、トランジスタ層の数も重要になるプロセッサが登場する可能性があります。
ソリューションには生存権があるため、独占企業はあと数十年は消費者から搾り取ることができるが、最終的にはテクノロジーは再び頭打ちになるだろう。
今日、インテルは ARM アーキテクチャの急速な発展を理解して、Ice Lake ファミリのチップを静かに発表しました。 このプロセッサは10ナノメートルのプロセス技術を使用して製造され、スマートフォン、タブレット、モバイル機器の基盤となる。 しかし、これは2019年に起こるでしょう。
9. ARM は未来です
つまり、x86 アーキテクチャは 1978 年に登場し、CISC プラットフォーム タイプに属します。 それらの。 それ自体、あらゆる場合に指示が存在することを前提としています。 多用途性が x86 の主な強みです。
しかし同時に、汎用性はこれらのプロセッサにとって残酷な冗談でもありました。 x86 にはいくつかの重要な欠点があります。
- コマンドの複雑さとその完全な複雑さ。
- 高いエネルギー消費と発熱。
高性能はエネルギー効率に別れを告げる必要がありました。 さらに、現在 2 社が x86 アーキテクチャに取り組んでおり、独占企業と考えられます。 それはインテルとAMDです。 x86 プロセッサを製造できるのは彼らだけです。つまり、テクノロジーの開発をコントロールしているのは彼らだけです。
同時に、いくつかの企業がARM（Arcon Risk Machine）を開発しています。 1985 年に遡ると、開発者はアーキテクチャをさらに開発するための基盤として RISC プラットフォームを選択しました。
CISC とは異なり、RISC では必要最小限の命令数で最大限の最適化を行ったプロセッサの開発が必要になります。 RISC プロセッサは CISC よりもはるかに小さく、エネルギー効率が高く、シンプルです。
さらに、ARM はもともと x86 の競合としてのみ作成されました。 開発者は、x86 よりも効率的なアーキテクチャを構築するという課題を設定しました。
1940 年代以来、エンジニアは、コンピュータのサイズ、そして何よりもまずプロセッサ自体のサイズを縮小することに取り組むことが優先課題の 1 つであることを理解していました。 しかし、ほぼ 80 年前には、本格的なコンピューターがマッチ箱よりも小さいとは誰も想像できなかったでしょう。
ARM アーキテクチャはかつて Apple によってサポートされており、Apple は ARM プロセッサの ARM6 ファミリに基づく Newton タブレットの生産を開始しました。
デスクトップ コンピュータの売上は急減している一方、年間に販売されるモバイル デバイスの数はすでに数十億台に達しています。 電子ガジェットを選択するとき、ユーザーはパフォーマンスに加えて、さらにいくつかの基準に関心を持つことがよくあります。
- 可動性;
- 自主性。
x86 アーキテクチャはパフォーマンスに優れていますが、アクティブな冷却を放棄すると、強力なプロセッサが ARM アーキテクチャと比較して情けないものに見えます。
10. ARM が議論の余地のないリーダーである理由
単純な Android であれ、Apple の 2016 年の主力製品であれ、あなたのスマートフォンが 90 年代後半の本格的なコンピューターよりも数十倍強力であることに驚く人はいないでしょう。
しかし、同じ iPhone はどれくらい強力なのでしょうか?
2 つの異なるアーキテクチャを比較すること自体、非常に困難です。 ここでの測定はおおよその値しか取得できませんが、ARM アーキテクチャに基づいて構築されたスマートフォン プロセッサが提供する大きな利点が理解できるでしょう。
この問題における普遍的なアシスタントは、人工的な Geekbench パフォーマンス テストです。 このユーティリティは、デスクトップ コンピュータと Android および iOS プラットフォームの両方で利用できます。
ミッドレンジおよびエントリーレベルのラップトップは明らかに iPhone 7 のパフォーマンスに遅れをとっています。トップセグメントではすべてがもう少し複雑ですが、2017 年に Apple は新しい A11 Bionic チップを搭載した iPhone X をリリースします。
ARM アーキテクチャはすでによく知られていますが、Geekbench のスコアはほぼ 2 倍になっています。 「最高層」のラップトップは緊張しています。
しかし、まだ1年しか経っていない。
ARM の開発は飛躍的に進んでいます。 Intel と AMD は毎年 5 ～ 10% のパフォーマンスの向上を示していますが、同じ期間にスマートフォン メーカーはプロセッサの能力を 2 ～ 2.5 倍に高めることに成功しています。
Geekbench のトップラインを通過する懐疑的なユーザーは、モバイル テクノロジではサイズが最も重要であることを思い出していただきたいと思います。
「ARM アーキテクチャをズタズタに引き裂く」強力な 18 コア プロセッサを搭載したオールインワン PC をテーブルに置き、その隣に iPhone を置きます。 違いを感じますか？
11. 撤退の代わりに
コンピュータ開発の 80 年の歴史を 1 つの資料で網羅することは不可能です。 しかし、この記事を読めば、コンピューターの主要な要素であるプロセッサーがどのように機能するのか、そして今後数年間に市場に何が期待されるのかを理解できるようになります。
もちろん、IntelとAMDは、1チップ上のトランジスタ数をさらに増やし、多層素子のアイデアを推進するよう取り組んでいくでしょう。
しかし、消費者として、そのような力が必要でしょうか?
iPad Pro や主力製品の iPhone X のパフォーマンスに不満があるとは考えにくいです。キッチンのマルチクッカーのパフォーマンスや 65 インチ 4K テレビの画質に不満があるわけではないと思います。 ただし、これらのデバイスはすべて、ARM アーキテクチャに基づいたプロセッサを使用しています。
Windows はすでに ARM に関心を持っていることを正式に発表しています。 同社は Windows 8.1 にこのアーキテクチャのサポートを組み込み、現在、大手 ARM チップメーカーである Qualcomm との連携に積極的に取り組んでいます。
Google は ARM にも注目しました。Chrome OS オペレーティング システムはこのアーキテクチャをサポートしています。 このアーキテクチャと互換性のある Linux ディストリビューションもいくつか登場しています。 そしてこれはほんの始まりにすぎません。
そして、エネルギー効率の高い ARM プロセッサとグラフェン バッテリーを組み合わせたらどれほど快適になるかを少し想像してみてください。 このアーキテクチャにより、未来を左右するモバイル人間工学に基づいたガジェットを入手できるようになります。
Sandy Bridge プロセッサと Ivy Bridge プロセッサの最大の違いはプロセス テクノロジです。 さらに、32 nm プロセス技術から 22 nm への移行だけでなく、3 次元ゲートを備えた新しいタイプのトランジスタも初めて採用しました。 この技術により、リーク電流を削減し、プロセッサのエネルギー効率を向上させることができます。その結果、技術プロセスの削減だけでなく、より効率的なトランジスタのおかげで、経済的なプロセッサが得られます。
Core i7-3770K には、統合された HD グラフィックス 4000 と
合計14億個のトランジスタ。 Sandy Bridge の場合、トランジスタの数はわずか 9 億 9,500 万個でした。
ダイサイズに関しては、Intel は面積を 216 mm² から 160 mm² に縮小することに成功しました。
Ivy Bridge モデルには、Sandy Bridge よりも約 4 億 500 万個多くのトランジスタが搭載されています。 しかし今回、Intelはキャッシュメモリやコア数を増やしなかった。 また、メモリ コントローラーはほとんど変更されず、システム エージェントも同じでした。 4億500万個のトランジスタはどこに使われたのでしょうか? ほとんどの場合、統合された Intel グラフィックス コアが使用されます。 さらに、インテルはバッファーのサイズを増やしただけでなく、コア計算ユニットの数も 2 倍にしました。
サイズを比較するのは興味深いことです。新しい Ivy Bridge チップは基板上で占めるスペースが約 25% 減りますが、含まれるトランジスタの数は大幅に多くなります。
通常、トランジスタの数が増えると、常により多くの熱が発生します。 しかし、インテリジェントな省エネ技術のおかげで、プロセッサのアクティブに使用される領域のみがエネルギーを消費します。 アイドル モードでは、プロセッサは個々のコア、キャッシュ メモリ、または統合グラフィックス コアの一部を無効にすることができます。 DDR3 および GT Power Gating ゲート テクノロジを追加します。 より小さな構造とトライゲート トランジスタのおかげで、インテルは消費電力の大幅な節約を達成することさえできました。 さらに、Intel Ivy Bridge プロセッサーは、1.35V で動作できる低電圧 DDR3 (DDR3L) メモリーをサポートするようになり、数ワットを節約できます。
Tri-Gate テクノロジーを採用した 22nm Intel トランジスタ
インテルは、これまでのいくつかのイベントで 22nm プロセス テクノロジーについて話してきました。 しかし今回、私たちは 22nm プロセス テクノロジーに関するいくつかの新鮮な情報を入手しました。基本的に、現代のプレーナー トランジスタはすべて、1974 年に開発された設計に従って作成されています。 もちろん、リーク電流を最小限に抑え、技術的プロセスを削減しながらトランジスタの動作を制御するために、さまざまな改善と最適化が適用されましたが、2000 年までに、リーク電流とは異なり、これに関する特別な問題は発生しませんでした。 私たちの読者は、Northwood、Prescott、および熱の問題に対処しなければならなかった他の多くのプロセッサーを覚えているかもしれません。
2003 年、インテルは酸化物ゲートを備えた NMOS および PMOS トランジスタ向けに歪みシリコン技術を使用した 90nm プロセスへの移行を開始し、特性と駆動電流が向上しました。 45 nm プロセス技術への移行に伴い、Intel は High-K メタル ゲート、つまり新しい誘電体 (SiO2) とハフニウム ベースのメタル ゲートを備えたトランジスタを発表しました。 これにより、リーク電流に関する新たな問題を引き起こすことなく、トランジスタの性能を向上させることが可能になりました。
22nmトランジスタの発表の場合、これらの半導体素子の構造自体が変わりました。
例としては、昨年のインテル開発者フォーラムの 22nm プロセスのスライドがあり、さまざまなシナリオでのさまざまな駆動電流でのリーク電流値が示されています。 高速プロセッサが必要な場合は、高い漏れ電流を我慢できます。 一方、リーク電流を低減するためにプロセッサを最適化することもできます。 その結果、ユースケースに応じて、特定のテクノロジー (高性能、標準パフォーマンス、低消費電力) をチップに実装できます。
22nm Tri-Gate プロセスの主な利点は次のとおりです。
- 漏れ電流に関しては明らかな利点があります。 電圧が低いと、トランジスタのスイッチングが速くなるため、オフ状態リークが大幅に低くなります。
- 高消費電力向けに最適化すると、はるかに高いスイッチング速度でプレーナー型トランジスタと同じオフ状態リークを得ることが可能になります。
- 全体として、トライゲート トランジスタは 0.7 V で 37% 高いスイッチング速度を実現し、逆に有効電力消費を 50% 削減します。
- より高いパフォーマンスが必要な場合、プロセッサの設計者はいくつかの簡単な変更を加えてそれを実現できます。
トランジスタの構造は上の図ではっきりとわかります。トランジスタのゲートはチャネル領域をより適切に「曲げ」、重大なリーク電流を防ぎます。
Intel は、Ivy Bridge プロセッサに 22nm P1270 プロセス テクノロジを使用しました。 しかし、2013年には同じくIntelが開発した14nm P1272プロセス技術に切り替える予定だ。 同社は5つの工場で新しいプロセッサーを生産する予定で、これらのプロセッサーは22nmプロセス技術に移行されるか、すでにその上で稼働している。 プロセッサーはオレゴン州の工場に加え、アリゾナ州のさらに2つの工場とイスラエルの工場でも生産される予定だ。
Intel は、従来のプロセッサ (Core、Xeon など) と SoC 製品 (Atom など) の両方に 22nm プロセスを使用します。 つまり、インテルは既存の設計を新しい Tri-Gate プロセスに合わせて最適化しています。 インテルは、統合デザイン アプローチ イニシアチブに適合するこの設計チームの調整の利点を認識しており、その結果、現在の設計チーム (SoC、CPU) が新しい市場分野の課題により迅速に対応できるようになります。
1. 技術プロセス
2. CPU周波数
3. 放熱
4. キャッシュメモリ、レベル
5. インテル、AMD
6. ソケット - プロセッサーの取り付け方法
7. プロセッサーはどのように選択すればよいですか?
技術プロセス
プロセッサ開発のプロセスは、夢中になれば興味深い作業です。 すべては周波数がキロヘルツで測定された超小型回路から始まりました。 その後、技術が進歩し、トランジスタの数が増え、そのサイズがますます小さくなり、それによって周波数が上がり、消費電力と発熱が減少しました。 その結果、今日では周波数が数ギガヘルツで測定されるプロセッサが登場し、技術プロセスの削減のおかげで、1つの基板に複数の結晶（コア）を取り付け、膨大な数のトランジスタを配置し、さらにメモリを追加することが可能になりました。プロセッサ（キャッシュ）に転送されます。
その結果、高周波数、複数レベルのメモリ、消費電力の削減、発熱の比較的低い効率的なマルチコア プロセッサを実現しました。
技術プロセスは 10 マイクロメートル (μm - 10 -6) から始まり、今日のプロセスは最大 10 ナノメートル (nm - 10 -9) です。
作成プロセスを簡単に説明すると、シリコン片を円筒形に溶かし、薄いウエハーに切断してマイクロ回路を貼り付け、それをすべてケースに取り付けて密封します。 生産のすべての段階は非常に複雑でハイテクです。
マイクロ回路が印刷されたプレートは次のようになります。
そして、既製のクリスタルを備えたプレートのわずかに拡大したバージョン。
22 nm および 20 nm の技術プロセスは、今日のプロセッサー (Intel Ivy Bridge、Intel Haswell (Celeron、Pentium、Core i3、Core i5、Core i7)) の製造に対応します。
このグループの Celeron と Pentium を現代的に修正したもの。 手頃な価格にするためにわずかに改善され、64 ビットのビット深度、キャッシュ メモリのサポートが追加されましたが、依然として最新のタスク、特に Celeron への対応が不十分です。
プロセッサのトランジスタの数は、その誕生以来、数千個から今日ではほぼ 20 億個まで変化しています。
限界があるのかな？
CPU周波数
周波数が高いほど良いと言われるかもしれませんが、これはまったく真実ではありません。 プロセッサが同じアーキテクチャに従って作られている方が良いでしょう。 また、パフォーマンスがプロセッサ アーキテクチャ、プロセッサ キャッシュのレベルとサイズ、システム バス周波数に依存する場合もあります。 それが低い場合 (通常は低いです)、プロセッサ周波数はその周波数まで低下し、システム バス (マザーボード) を介してデータが転送されている間、プロセッサはアイドル状態になります。
最初のプロセッサは 1971 年 11 月 15 日に導入され、周波数は 740 kHz でした。 現在、最も強力なプロセッサは最大 5 GHz の周波数に到達できます。
プロセッサがマルチコアで、たとえば 2.6 GHz の周波数を持つ場合、各コアはこの周波数で動作するという別の誤った意見も存在します (私自身も何人かから聞いたことがあります)。 これは絶対に 違います！これは、すべてのコアの合計周波数です。 この最大周波数をコアの数で割ると、1 つのコアの周波数が得られます。
以下は、プロセッサ周波数 (GHz) と技術プロセス (nm) の変化のおおよそのグラフです。
時間の経過とともに、プロセス技術は小さくなり、周波数は増加し、エネルギー消費は減少します。
熱放散 (TDP)
プロセッサーは大量の熱を発生します。冷却しないとわずか 4 秒で最大 90 度まで加熱し、自然に燃え尽きることがあります。過熱保護システムがある場合は、システムの電源を切ります。
したがって、クーラー付きラジエーターの状態を監視し、定期的にほこりを掃除し、必要に応じてクーラーに注油するか交換することが重要です。 オーバーヒートは、ブレーキやシステムの凍結によっても発生する可能性があります。
プロセッサ メーカーである Intel と AMD の熱放散を比較すると、後者の方がはるかに高いです。 それは一般的に私には個人的には合いません。 プロセッサーの温度が上昇し、冷却がより集中的に行われるため、より多くの空気と埃が一緒に送り込まれ、ラジエターとクーラーの急速な詰まり、ほこりのようなクラストの成長、ラジエターフィンの詰まり、障害物が発生します。より大きなパワーでシステムを冷却しようとするため、空気の通過や過熱、クーラーの集中的な回転による騒音が発生します。
キャッシュ - メモリ (SRAM)、レベル (L1、L2、L3)
ここで作品について簡単に説明します。 あらゆる種類のメモリについては、「ランダム アクセス メモリ (RAM)」の記事を参照してください。
プロセッサがあり、第 1 レベルの L1 メモリがあり、プロセッサの周波数と同じ周波数で動作します。つまり、このメモリに保存されたデータはプロセッサによって即座に処理されます。 このデータがこのメモリにない場合は、L2 レベルのメモリにアクセスします。これは若干遅くなりますが、その容量はわずかに大きくなります。 次に、上位レベルのメモリにデータがない場合は、L3 レベルのメモリにアクセスします。存在する場合は、同様に速度は遅くなりますが、サイズは大きくなります。 さて、最後になりましたが、RAM へのアクセスがあります。
RAM がアクセスされている間、プロセッサはアイドル状態になります。 ダウンタイムには数秒程度のわずかな時間がかかりますが、合計すると長い時間がかかる場合があります。
インテル、AMD
プロセッサ生産の市場リーダーは Intel と AMD であり、特に Intel は約 87% のシェアを占めています。
最も古いプロセッサから始めるつもりはありませんが、現在最も人気のあるプロセッサについて見ていきましょう。 マイクロアーキテクチャには独自のコード名で他の技術プロセスも含まれる場合があるため、このリストは一般的なものです。
ネハレム（初代）。
64 ビット プロセッサ: EM64T - マイクロアーキテクチャ サンディブリッジ(2代目)
64 ビット プロセッサ: EM64T - マイクロアーキテクチャ アイビーブリッジ(3代目)
64 ビット プロセッサ: EM64T - マイクロアーキテクチャ ハスウェル(4代目)
第 1 世代と第 2 世代の Intel Celeron および Intel Pentium は、購入時に検討する必要さえありません。すでにその有用性を超えており、最新のタスクを処理できません。
i3、i5、i7 は、非常に単純に世代によって、マーキングの最初の桁によって分割されます。次に例を示します。
Intel Core i3 2100T - 2.5 GHz、2100T の最初の桁は 2 で、第 2 世代プロセッサーを意味します。
Intel Core i5 3450 - 3.1 GHz、3450 の最初の桁は 3 で、第 3 世代プロセッサを意味します。
Intel Core i7 4770 - 3.4 GHz、4770 の最初の桁は 4 で、第 3 世代プロセッサーを意味します。
最初の数字 2、3、4 がマーキングにない場合、これはおそらく第 1 世代のプロセッサーです。
AMD FX プロセッサの現在の製品ラインを見てみましょう。
AMD デスクトップ マイクロアーキテクチャ - ブルドーザー
クアッドコアプロセッサ:
6コアプロセッサ:
8コアプロセッサ:
これらすべての共通の違いは、必要のないいくつかのテクノロジのサポート、コアの数、プロセッサ周波数です。 主な違いは価格です。 AMD は熱放散が大きいため好きではないとまだ書きましたが、Intel と同等のパワーでより安価なモデルを選択することもできます。 ただし、プロセッサーの熱がさらに高くなると、適切な冷却が必要になり、それにはかなりの費用がかかります。そのため、安価なアナログを探す価値はないかもしれません。
ソケット - プロセッサを取り付ける方法
ソケットは、プロセッサを取り付けるために設計されたマザーボード上の特別なコネクタです。 マザーボードでは、メーカーがサポートするプロセッサの種類を示しています。これは箱または説明文に記載されています。 また、プロセッサの説明には、プロセッサがサポートするソケットも示されています。 ので注意してください。 これはプロセッサのヒートシンク マウントにも当てはまります。 ラジエーター マウントはユニバーサル、つまり複数のソケットに適したものにすることができます。
プロセッサーをマザーボードに取り付けるときに、正しく取り付けるための「キー」(タグ) があります。 たとえば、プロセッサとソケットの面取りされた角、プロセッサ基板の突起やくぼみ、コネクタのその逆などです。
Socket AM3 でのラベルの例
ソケット 775 の例
そして、ソケットの最後の例は、LGA 1366、1150、1155、1156です。外見上は同じように見えますが、プロセッサを取り付けると、違いがわかり、ソケットに誤って取り付けられないことがわかります。 説明や特性を読む必要があります。
この多様性はどこから来るのでしょうか? プロセッサの製造は常に改良されており、ピンの数は変化しており、プロセッサのサポートと取り付けの際の混乱を避けるために、さまざまな取り付け方法が考案されています。
プロセッサーを選択するにはどうすればよいですか?
ゲームの場合は、トッププロセッサにはビデオが内蔵されており、さらに強力なビデオカードを購入する必要があるため、内蔵グラフィックスに余分に支払う必要があります。 それはすべてあなたの好み次第です。 コンピューターを何に使いますか? 文書を操作したり、インターネットサーフィンをしたり、ビデオを視聴したりする場合には、最も強力なプロセッサーは適していません。 また、彼らが内蔵グラフィックス以外のものを選択しているとも考えられますが、傾向としては、ほぼすべてのプロセッサーがすでにそれを実装しています。 ビデオ カードを別途購入する必要がなくなるので、おそらくさらに良いことでしょう。
おそらく現時点での最良の選択肢は、第 2 世代の Intel の i5 プロセッサを購入することでしょう。極端な場合には、LGA1155 ソケットの i3 を購入することでしょう。これらのプロセッサは、多かれ少なかれ手頃な価格のカテゴリにあるからです。 i7 のプロセッサーは高価すぎるため、将来的に価格が下がったときに、より強力なプロセッサーに簡単にアップグレードできるようになります。 私の意見では、残りの変更は、構成を更新する機能がないため、前世代のソケット上にあるものであり、検討する価値はありません。
たとえば、2008 年の Intel Core 2Duo プロセッサを搭載した Socket LGA775 マザーボードをまだ持っています。 アップグレードできる最大の方法は、RAM を追加し、たとえば SSD ドライブを取り付けることです。 コンピューターを改善したい場合は、コンピューター全体を更新する必要があります。マザーボードは新世代のプロセッサーをサポートしなくなり、RAM サポートは DDR2 のみになり、新しいものは DDR3 または 4 を搭載するためです。
いずれの場合も、将来ハードウェア構成を更新できる可能性を高めるために、現在広く普及しているソケットをサポートするプロセッサに焦点を当てる必要があります。 新しいタイプのプロセッサとコネクタが登場する可能性がありますので、現在市場にあるものを購入してください。 Intel のプロセッサは Windows 10 以降のオペレーティング システムのみをサポートするという噂もあります。それを好まない人はそれについても検討する必要があります。
CPUBoss という素晴らしい Web サイトがあり、パフォーマンス、パラメーター、価格の点でプロセッサーを比較できます。 したがって、プロセッサの名前を入力し、最適なものを選択してください。
