کدام فرایند تولید پردازنده بهتر است: 20 نانومتری یا 14 نانومتری؟

وقتی از پردازنده‌های جدید گوشی‌های هوشمند صحبت می‌شود، تولیدکننده‌ها از فرایند تولید 14 نانومتری، 20 نانومتری و... حرف می‌زنند و اغلب سعی می‌کنند درباره نانومترهای کمتری که نسبت به سال گذشته ارائه کرده‌اند تبلیغات گسترده‌ای به راه بیندازند و تراشه‌های جدیدشان را چند برابر قدرتمندتر و با مصرف انرژی بهینه‌تر معرفی کنند.

حتما شما هم تاکنون کنجکاو شده‌اید که بدانید این فرایندها به چه معنی است: چه تفاوتی میان فرایند تولید 14 نانومتری با فرایند تولید 20 نانومتری وجود دارد؟ این فرایندها چگونه بر کارایی پردازنده و بهینه کردن مصرف انرژی تاثیر می‌گذارند؟ اصلا چطور هرچه پردازنده‌ها کوچک‌تر می‌شوند، کارایی‌شان بیشتر می‌شود و مصرف باتری آنها کاهش می‌یابد؟

نانومتر چیست؟

در اصل یک میکروپردازنده چیزی بیش از لایه‌هایی از مواد مختلف نیست! این قطعات الکترونیکی کوچک را به صورتی خاص کنار هم قرار می‌دهند تا پردازنده‌ها از آنها استفاده کنند؛ قطعاتی مثل خازن‌ها، مقاومت‌ها و ترانزیستورها. البته منظور ما آن چیزهایی نیست که در تلویزیون‌های قدیمی، هنگامی که خراب می شدند، می‌دیدیم! بلکه این اجزا بسیار کوچک‌اند و به‌عنوان سوییچ‌های خاموش و روشن در شبکه عمل می‌کنند. فاصله میان اجزای پردازنده با نانومتر سنجیده می‌شود؛ فاصله‌ای که یک میلیونیوم متر است. هرچه فاصله اجزای پردازنده کمتر باشد، اجزای بیشتری روی تراشه جای می‌گیرد.

آیا این تنها کاری است که برای بهبود پردازنده باید انجام داد؟

راه‌های زیادی برای کاهش فاصله میان اجزای پردازنده وجود دارد؛ راه‌هایی که به بهبود تراشه‌ها می‌انجامد. کوچک کردن میکروپردازنده‌ها باعث استفاده از خازن‌های کوچک‌تر میان ترانزیستور و ترمینال‌ها می‌شود و درنتیجه فرکانس سوئیچینگ آنها بالا می‌رود. با بالا رفتن فرکانس، سرعت فعال و غیرفعال شدن ترانزیستورها زیاد می‌شود. این موضوعات در حالی اتفاق می‌افتند که خازن‌ها کوچک‌تر شده‌اند و ظرفیتشان کمتر شده است. از آنجا که انرژی لازم برای روشن و خاموش شدن ترانزیستورها را خازن‌ها فراهم می‌کنند، درنتیجه ترانزیستور در زمان کمتری فعال یا غیرفعال می‌شود. زمان کمتر یعنی انرژی کمتر و انرژی کمتر یعنی افزایش عمر باتری.

ترانزیستورهای کوچک‌تر برای فعال شدن ولتاژ کمتری لازم دارند؛ بنابراین آنها با ولتاژهای کمتر کار می‌کنند. از دست دادن قدرت داینامیک هم با مجذور ولتاژ (V^2) نسبت مستقیم دارد. وقتی شما ولتاژ مورد نیاز ترانزیستور را کاهش می‌دهید، باعث کاهش مصرف انرژی می‌شوید. البته عامل نهایی که باعث می‌شود تولیدکنندگان به سوی تراشه‌هایی با فرایند تولید کوچک‌تر بروند هزینه است. هرچه اجزای کوچک‌تری انتخاب کنید، تعداد بیشتری را می‌توانید در وافری قرار دهید که نیمه‌هادی‌ها در آن تولید می‌شوند. اگرچه فرایند تولید کوچک‌تر لوازم گران‌تری برای تولید نیاز دارد، هزینه نهایی با هزینه هر وافر جبران می‌شود.

اما چرا کوچک‌تر کردن فرایندها هر بار دو سال زمان می‌برد؟

برخلاف انسان‌ها، طبیعت همه کارهای خود را به گونه‌ای متعادل انجام می‌دهد. شاید اگر این کار هم برعهده طبیعت بود، شاهد نتیجه‌ای سریع‌تر بودیم! کوچک‌تر کردن فرایند تولید نیازمند اقدامات پیچیده‌ای است که باید روی کل شبکه صورت بگیرد تا شاهد نتیجه‌ای پایدار باشیم.

این اجزا چقدر کوچک می‌شوند؟

در جدول زیر می‌بینید که پردازنده‌های معروف و قدرتمندترین پردازنده‌های گوشی‌های هوشمند اغلب با فرایند 20 یا 28 نانومتری ساخته شده‌اند. اما کوچک‌ترین فرایندی که در تبلیغات از آن صحبت شده فرایند 14 نانومتری است که اینتل پایه‌گذاری کرده و برای پردازنده‌های نوت‌بوک و دسکتاپ استفاده می‌شود. این شرکت برنامه‌ریزی کرده که در سال 2020 به فرایند تولید 5 نانومتری و در 2028 به فرایند تولید 1 نانومتری دست یابد. اگر چنین چیزی به وقوع بپیوندد، ممکن است به پایان این تکنولوژی تولید پردازنده برسیم و صنعت به سمت توسعه موارد دیگر برود. با توجه به این که در سال 2012 ترانزیستورهایی به کوچکی اتم ساخته شدند، این احتمال وجود دارد که تولیدکننده‌های تراشه‌ها نیز راهی برای بهبود تراشه‌ها پیدا کنند.