Nanômetros: o que são e como afetam nossa CPU

Você já ouviu falar dos nanômetros de um processador ? Bem, neste artigo, vamos contar tudo sobre essa medida. E o mais importante, que influência os nanômetros têm sobre os chips eletrônicos e os diferentes elementos aos quais nos referimos com essas medições.

Qual é o nanômetro

Vamos começar precisamente definindo o que são nanômetros, porque esse fato simples dará muito trabalho não apenas para a computação, mas também para a biologia e outras ciências que importam estudos.

O nanômetro (nm) é uma medida de comprimento que faz parte do Sistema Internacional (SI). Se considerarmos que o medidor é a unidade padrão ou básica na balança, um nanômetro é um bilionésimo de metro ou o que seria o mesmo:

Em termos compreensíveis para um ser humano normal, algo que mede um nanômetro, só podemos vê-lo através de um microscópio eletrônico de alta potência. Por exemplo, um cabelo humano pode ter um diâmetro de aproximadamente 80.000 nanômetros, então imagine quão pequeno é um componente eletrônico de apenas 14 nm.

Essa medida sempre existiu, é óbvio, mas para a comunidade de hardware ela teve uma relevância especial nos últimos anos. Devido à forte concorrência dos fabricantes para criar circuitos integrados baseados em semicondutores ou transistores cada vez menores.

O transistor

Transistor e esquema eletrônico

Você provavelmente já ouviu conversas passivas e ativas sobre os transistores de um processador. Podemos dizer que um transistor é o menor elemento que pode ser encontrado em um circuito eletrônico, é claro, evitando elétrons e energia elétrica.

Transistores são elementos feitos de material semicondutor, como silício ou germânio. É um elemento que pode se comportar como condutor de eletricidade ou isolante, dependendo das condições físicas às quais está sujeito. Por exemplo, um campo magnético, temperatura, radiação etc. E, claro, com uma certa tensão, sendo o caso dos transistores de uma CPU.

O transistor está presente em absolutamente todos os circuitos integrados que existem hoje. Sua enorme importância reside no que é capaz de fazer: gerar um sinal de saída em resposta a um sinal de entrada, ou seja, permitir ou não a passagem de corrente antes de um estímulo, criando assim o código binário (1 corrente, 0 não atual).

Portões lógicos e circuitos integrados

Portas NAND

Através de um processo litográfico, é possível criar circuitos com uma certa estrutura composta por vários transistores para formar os portões lógicos. Um portão lógico é a próxima unidade atrás do transistor, um dispositivo eletrônico capaz de executar uma certa função lógica ou booleana. Com alguns transistores vinculados de uma maneira ou de outra, podemos adicionar, subtrair e criar portas SI, AND, NAND, OR, NOT, etc. É assim que a lógica é dada a um componente eletrônico.

É assim que os circuitos integrados são criados, com uma sucessão de transistores, resistores e capacitores capazes de formar o que agora é chamado de chips eletrônicos.

Litografia ou fotolitografia

Bolacha de silicone

A litografia é a maneira de construir esses chips eletrônicos extremamente pequenos, especificamente derivados do nome de fotolitografia e depois nanolitografia, já que essa técnica em seu início foi usada para registrar conteúdo em pedras ou metais.

O que está sendo feito atualmente é usar uma técnica semelhante para criar semicondutores e circuitos integrados. Para isso, são utilizadas pastilhas de silício com nanômetros de espessura que, através de processos baseados na exposição à luz de certos componentes e no uso de outros compostos químicos, são capazes de criar circuitos de tamanhos microscópicos. Por sua vez, essas bolachas são empilhadas até obterem um chip 3D complexo.

Quantos nanômetros os transistores de corrente possuem?

Os primeiros processadores baseados em semicondutores surgiram em 1971 pela Intel com seu inovador 4004. O fabricante conseguiu criar transistores de 10.000 nm, ou 10 micrômetros, tendo até 2.300 transistores em um chip.

Assim começou a corrida pela supremacia em microtecnologia, atualmente conhecida por nanotecnologia. Em 2019, temos chips eletrônicos com um processo de fabricação de 14 nm que vieram com a arquitetura Broadwel da Intel, 7 nm, com a arquitetura Zen 2 da AMD, e até mesmo testes de 5 nm estão sendo realizados pela IBM e outros fabricantes. Para nos colocarmos em uma situação, um transistor de 5 nm seria apenas 50 vezes maior que a nuvem de elétrons de um átomo. Alguns anos atrás, já era possível criar um transistor de 1 nm, embora seja um processo puramente experimental.

Você acha que todos os fabricantes fabricam seus próprios chips? Bem, a verdade é que não, e no mundo, podemos encontrar quatro grandes potências dedicadas à fabricação de chips eletrônicos.

• TSMC: Esta empresa de microtecnologia é uma das principais montadoras de chips do mundo. De fato, ele fabrica processadores de marcas como AMD (parte principal), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei ou Texas Instrument. É o principal fabricante de transistores de 7 nm. Fundições Globais - Esse é outro dos fabricantes de wafer de silício com mais clientes, incluindo AMD, Qualcomm e outros. Mas neste caso com transistores de 12 e 14 nm, entre outros. Intel: a gigante azul possui sua própria fábrica de processadores, portanto não depende de outros fabricantes para criar seus produtos. Talvez seja por isso que a arquitetura de 10nm esteja demorando tanto para se desenvolver contra seus concorrentes de 7nm. Mas tenha certeza de que essas CPUs serão brutais. Samsung: A empresa coreana também possui sua própria fábrica de silício, por isso estamos nos mesmos termos que a Intel. Criando seus próprios processadores para smartphone e outros dispositivos.

Lei de Moore e o limite físico

Transistor de grafeno

A famosa Lei de Moore nos diz que a cada dois anos o número de elétrons nos microprocessadores dobra, e a verdade é que isso acontece desde o início dos semicondutores. Atualmente, os chis são vendidos com transistores de 7 nm, especificamente a AMD possui processadores nessa litografia para desktops, o AMD Ryzen 3000 com a arquitetura Zen 2. Da mesma forma, fabricantes como Qualcomm, Samsung ou Apple também possuem Processadores de 7 nm para dispositivos móveis.

O nanômetro de 5 nm é definido como o limite físico para fazer um transistor baseado em silício. Devemos saber que os elementos são compostos de átomos, e estes têm um certo tamanho. Os menores transistores experimentais do mundo medem 1 nm e são feitos de grafeno, um material baseado em átomos de carbono muito menores que o silício.

Modelo Intel Tick-Tock

Modelo Intel Tick Tock

Este é o modelo que o fabricante Intel adotou desde 2007 para criar e evoluir a arquitetura de seus processadores. Esse modelo é dividido em duas etapas, baseadas na redução do processo de fabricação e na otimização da arquitetura.

A etapa Tick ocorre quando o processo de fabricação diminui, por exemplo, de 22 nm para 14 nm. Enquanto a etapa Tock, o que faz é manter o mesmo processo de fabricação e otimizá-lo na próxima iteração, em vez de diminuir ainda mais os nanômetros. Por exemplo, a arquitetura Sandy Bridge de 2011 foi o Tock (uma melhoria em relação aos 32 nm de Nehalem), enquanto a Ivy Bridge foi o Tick em 2012 (diminuiu para 22 nm).

A priori, este plano que ele pretendia fazer era um ano Tick e ele continua Tock, mas já sabemos que o gigante azul abandonou essa estratégia a partir de 2013 com a continuação de 22 nm em Haswell e a mudança para 14 nm em 2014. Desde então, todo o passo foi Tock, ou seja, os 14 nm continuaram sendo otimizados até atingir a 9a geração do Intel Core em 2019. Espera-se que, neste mesmo ano ou no início de 2020, haja uma nova etapa de Tick com a chegada de 10 nm.

O próximo passo: o computador quântico?

Possivelmente, a resposta para as limitações da arquitetura baseada em semicondutores está na computação quântica. Esse paradigma muda completamente a filosofia da computação desde o início dos computadores, sempre baseada na máquina de Turing.

Um computador quântico não seria baseado em transistores, nem em bits. Eles se tornariam moléculas e partículas e Qbits (bits quânticos). Essa tecnologia tenta controlar o estado e as relações das moléculas na matéria por meio de elétrons para obter uma operação semelhante à de um transistor. Obviamente, 1 Qbit não é igual a 1 bit, uma vez que essas moléculas podem criar não dois, mas três ou mais estados diferentes, multiplicando a complexidade, mas também a capacidade de executar operações.

Mas, por tudo isso, temos algumas pequenas limitações, como a necessidade de temperaturas próximas ao zero absoluto (-273 ^o C) para controlar o estado das partículas ou a instalação do sistema sob vácuo.

• Para mais informações sobre tudo isso, visite este artigo que estudamos há pouco sobre o que é o processador quântico.

O que os nanômetros influenciam nos processadores?

Deixamos para trás esse mundo emocionante e complexo da eletrônica, no qual apenas os fabricantes e seus engenheiros realmente sabem o que estão fazendo. Agora veremos quais benefícios ele tem para diminuir os nanômetros de um transistor para um chip eletrônico.

Transistores de 5nm

Maior densidade de transistor

A chave são os transistores, eles determinam o número de portas e circuitos lógicos que podem ser colocados dentro de um silício de apenas alguns milímetros quadrados. Estamos falando de quase 3 bilhões de transistores em uma matriz de 174 mm ², como o Intel i9-9900K de 14 nm. No caso do AMD Ryzen 3000, cerca de 3, 9 bilhões de transistores em uma matriz de 74 mm ² com 7 nm.

Maior velocidade

O que isso faz é fornecer ao chip muito mais poder de processamento, pois é capaz de travar com muito mais estados em um chip com uma densidade mais alta de semicondutores. Dessa maneira, mais instruções por ciclo são alcançadas, ou o que é o mesmo, aumentamos o IPC do processador, como por exemplo, se compararmos os processadores Zen + e Zen 2. Na verdade, a AMD alega que seus novos CPUs aumentaram sua CPI principal até 15% em comparação com a geração anterior.

Maior eficiência energética

Por ter transistores com menos nanômetros, a quantidade de elétrons que passam por eles é menor. Consequentemente, o transistor muda de estado com uma fonte de alimentação mais baixa, o que melhora muito a eficiência energética. Então, digamos que podemos fazer o mesmo trabalho com menos energia, por isso estamos gerando mais poder de processamento por watt consumido.

Isso é muito importante para equipamentos alimentados por bateria, como laptops, smartphones etc. A vantagem de ter processadores de 7 nm, nos fez ter telefones com incríveis autonomias e desempenho espetacular com o novo Snapdragon 855, o novo A13 Bionic da Apple e o Kirin 990 da Huawei.

Chips menores e mais frescos

Por último, mas não menos importante, temos a capacidade de miniaturização. Da mesma forma que podemos colocar mais transistores por unidade de área, também podemos diminuir isso para ter chips menores que geram menos calor. Chamamos isso de TDP, e é o calor que um silício pode gerar com sua carga máxima, cuidado, não é a energia elétrica que consome. Graças a isso, podemos reduzir os dispositivos e aquecer muito menos com o mesmo poder de processamento.

Existem também desvantagens

Todo grande passo à frente tem seus riscos, e o mesmo pode ser dito na nanotecnologia. Ter transistores com menos nanômetros torna o processo de fabricação muito mais difícil de executar. Precisamos de meios técnicos muito mais avançados ou caros, e o número de falhas aumenta substancialmente. Um exemplo claro é que o desempenho por wafer de chips corretos diminuiu no novo Ryzen 3000. Enquanto no Zen + 12 nm tínhamos cerca de 80% dos chips perfeitamente funcionais por wafer, no Zen 2 esse percentual teria diminuído para 70%.

Da mesma forma, a integridade dos processadores também é comprometida, exigindo sistemas de energia mais estáveis ​​e com melhor qualidade de sinal. É por isso que os fabricantes das novas placas de chipset AMD X570 tomaram cuidado especial ao criar um VRM de qualidade.

Conclusões sobre nanômetros

Como podemos ver, a tecnologia avança aos trancos e barrancos, embora em alguns anos encontraremos processos de fabricação que já estarão no limite físico dos materiais usados ​​com transistores de até 3 ou 1 nanômetro. Qual será o próximo? Bem, certamente não sabemos, porque a tecnologia quântica é muito verde e é praticamente impossível construir um computador fora de um ambiente de laboratório.

O que teremos por enquanto é ver se, nesse caso, o número de núcleos é aumentado ainda mais, ou se materiais como o grafeno, que admitem uma maior densidade de transistores para circuitos eletrônicos, são iniciados.

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Você acha que veremos processadores de 1 nm? Qual processador você tem? Esperamos que o artigo seja interessante, conte-nos o que você pensa.