اسکای لیک و مفهوم نانومتر در پردازنده ها

      یکی از مهم ترین فاکتورها در معرفی هر تراشه‌ جدید "اعم از انواع تراشه‌های کوآلکام، اپل و سامسونگ و همچنین محصولات اینتل، AMD و انویدیا"، لیتوگرافی تراشه چند نانومتری آن است. اما در ادامه می‌خواهیم ببینیم که وقتی می‌گویم تکنولوژی تولید تراشه‌ای 14 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 تراشه‌ از چندین لایه‌ی مختلف تشکیل شده که هر کدام جنسی خاص دارد. روی هم قرار دادن لایه‌هایی از جنس‌های مختلف به شکل‌گیری ترانزیستور و مدارات دیگر می‌انجامد. 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، مایکروپراسزور است، چرا که در ابتدای شکل‌گیری تراشه‌‌ها، ابعاد تراشه و ترانزیستورها در حدی که امروز می‌شناسیم، نبود. شاید بهتر باشد به تراشه‌های امروزی نانوپراسروز بگوییم! 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.مزایای لیتوگرافی ظریف‌تر ،همان طور که اشاره شد، هنگامی که لیتوگرافی یک تراشه 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 تراشه یک عامل منفی است، چرا که باریک شدن هر سیمی مقاومت آن را افزایش می‌دهد.

خازن و ترانزیستور سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر
      نکته‌ی دیگر مربوط به بخش‌های خازنی می باشد. 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
      ترانزیستوری 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 تراشه‌ها از مواد نیمه‌هادی مثل سیلیکون استفاده می‌شود، خلوص بسیار بالا از خواص اصلی آنهاست. ویفرهای سیلیکونی به قطعات سیلیکونی با خلوص بسیار بالا گفته می‌شود که در نهایت به تراشه 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.

وضعیت فعلی لیتوگرافی‌های مختلف
      درحال حاضر مثل همیشه اینتل پیشتاز عرضه‌ی لیتوگرافی برتر است و برای تولید انبوه تراشه‌های مختلف دسکتاپ، لپ‌تاپ و همچنین موبایل با لیتوگرافی ۱۴ نانومتری Skylake گام بر‌می‌دارد. سایر کمپانی‌ها از لیتوگرافی ۲۰ و ۲۸ نانومتری استفاده می‌کنند ولیکن به زودی سراغ لیتوگرافی ۱۶ نانومتری خواهند رفت.
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 تراشه سراغ مواد جدید و روش‌های بهتر می‌روند.  
 

برگرفته شده از Bidnessetc