Nanomètres: ce qu'ils sont et comment ils affectent notre CPU

Avez-vous déjà entendu parler des nanomètres d'un processeur ? Eh bien, dans cet article, nous allons tout vous dire sur cette mesure. Et surtout, quelle influence les nanomètres ont-ils sur les puces électroniques et les différents éléments auxquels nous nous référons avec ces mesures.

Quel est le nanomètre

Commençons précisément par définir ce que sont les nanomètres, car ce simple fait donnera beaucoup de jeu non seulement à l'informatique, mais aussi à la biologie et aux autres sciences qui comptent.

Le nanomètre (nm) est une mesure de longueur qui fait partie du système international (SI). Si nous considérons que le mètre est l'unité standard ou de base sur l'échelle, un nanomètre est un milliardième de mètre ou ce qui serait le même:

En termes compréhensibles pour un être humain normal, quelque chose qui mesure un nanomètre, nous ne pouvons le voir qu'à travers un microscope électronique à haute puissance. Par exemple, un cheveu humain peut avoir un diamètre d'environ 80 000 nanomètres, alors imaginez la petite taille d'un composant électronique qui n'est que de 14 nm.

Cette mesure a toujours existé, c'est évident, mais pour la communauté du matériel, elle a eu une pertinence particulière ces dernières années. En raison de la forte concurrence des fabricants pour créer des circuits intégrés basés sur des semi - conducteurs ou transistors de plus en plus petits.

Le transistor

Transistor et schéma électronique

Vous avez probablement entendu parler passif et actif des transistors d'un processeur. On peut dire qu'un transistor est le plus petit élément que l'on puisse trouver dans un circuit électronique, évitant bien sûr les électrons et l'énergie électrique.

Les transistors sont des éléments en matériau semi - conducteur tels que le silicium ou le germanium. C'est un élément qui peut se comporter comme conducteur d'électricité ou comme isolant de celle-ci, selon les conditions physiques auxquelles il est soumis. Par exemple, un champ magnétique, une température, un rayonnement, etc. Et bien sûr avec une certaine tension, comme c'est le cas des transistors d'un CPU.

Le transistor est présent dans absolument tous les circuits intégrés qui existent aujourd'hui. Son énorme importance réside dans ce dont il est capable: générer un signal de sortie en réponse à un signal d'entrée, c'est-à-dire permettre ou non le passage du courant avant un stimulus, créant ainsi le code binaire (1 courant, 0 pas à jour).

Portes logiques et circuits intégrés

Ports NAND

Grâce à un processus de lithographie, il est possible de créer des circuits avec une certaine structure composée de plusieurs transistors pour former les portes logiques. Une porte logique est la prochaine unité derrière le transistor, un appareil électronique qui est capable d'exécuter une certaine fonction logique ou booléenne. Avec quelques transistors liés d'une manière ou d'une autre, nous pouvons ajouter, soustraire et créer des portes SI, AND, NAND, OR, NOT, etc. C'est ainsi que la logique est donnée à un composant électronique.

C'est ainsi que se créent les circuits intégrés, avec une succession de transistors, résistances et condensateurs capables de former ce qu'on appelle aujourd'hui des puces électroniques.

Lithographie ou photolithographie

Plaquette de silicium

La lithographie est le moyen de construire ces puces électroniques extrêmement petites, en particulier elle a dérivé au nom de la photolithographie puis de la nanolithographie, car cette technique à ses débuts était utilisée pour enregistrer le contenu des pierres ou des métaux.

Ce qui se fait actuellement, c'est d'utiliser une technique similaire pour créer des semi-conducteurs et des circuits intégrés. Pour ce faire, des tranches de silicium d'épaisseur nanométrique sont utilisées qui, grâce à des processus basés sur l'exposition à la lumière de certains composants et l'utilisation d'autres composés chimiques, sont capables de créer des circuits de tailles microscopiques. À leur tour, ces plaquettes sont empilées jusqu'à ce qu'elles obtiennent un enfer d'une puce 3D complexe.

Combien de nanomètres les transistors actuels ont-ils?

Les premiers processeurs à base de semi-conducteurs sont apparus en 1971 par Intel avec son 4004 innovant. Le fabricant a réussi à créer des transistors de 10 000 nm, soit 10 micromètres, ayant ainsi jusqu'à 2 300 transistors sur une puce.

C'est ainsi qu'a commencé la course à la suprématie en microtechnique, actuellement réputée pour la nanotechnologie. En 2019, nous avons des puces électroniques avec un processus de fabrication de 14 nm qui sont venues avec l'architecture Broadwel d'Intel, 7 nm, avec l'architecture Zen 2 d'AMD, et même des tests de 5 nm sont effectués par IBM et d'autres fabricants. Pour nous mettre dans une situation, un transistor de 5 nm ne serait que 50 fois plus grand que le nuage d'électrons d'un atome. Il y a quelques années, il était déjà possible de créer un transistor 1 nm, bien qu'il s'agisse d'un processus purement expérimental.

Pensez-vous que tous les fabricants fabriquent leurs propres puces? Eh bien, la vérité est que non, et dans le monde, nous pouvons trouver quatre grandes puissances dédiées à la fabrication de puces électroniques.

• TSMC: Cette entreprise de micro-technologie est l'un des principaux assembleurs de puces au monde. En fait, il fabrique les processeurs de marques comme AMD (la partie centrale), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei ou Texas Instrument. C'est le principal fabricant de transistors 7 nm. Fonderies mondiales - C'est un autre des fabricants de plaquettes de silicium ayant le plus de clients, y compris AMD, Qualcomm et d'autres. Mais dans ce cas avec des transistors 12 et 14 nm entre autres. Intel: Le géant bleu a sa propre usine de processeurs, il ne dépend donc pas d'autres fabricants pour créer ses produits. C'est peut-être la raison pour laquelle l'architecture 10 nm prend autant de temps à se développer contre ses concurrents 7 nm. Mais soyez assuré que ces processeurs seront brutaux. Samsung: La société coréenne possède également sa propre usine de silicium, nous sommes donc dans les mêmes conditions qu'Intel. Création de vos propres processeurs pour smartphone et autres appareils.

La loi de Moore et la limite physique

Transistor graphène

La célèbre loi de Moore nous dit que tous les deux ans, le nombre d'électrons dans les microprocesseurs double, et la vérité est que cela est vrai depuis le début des semi-conducteurs. Actuellement, les chis sont vendus avec des transistors 7 nm, en particulier AMD a des processeurs dans cette lithographie pour ordinateurs de bureau, l' AMD Ryzen 3000 avec l'architecture Zen 2. De même, des fabricants tels que Qualcomm, Samsung ou Apple, ont également Processeurs 7 nm pour appareils mobiles.

Le nanomètre de 5 nm est défini comme la limite physique pour fabriquer un transistor à base de silicium. Il faut savoir que les éléments sont constitués d'atomes, et ceux-ci ont une certaine taille. Les plus petits transistors expérimentaux du monde mesurent 1 nm et sont faits de graphène, un matériau basé sur des atomes de carbone beaucoup plus petits que le silicium.

Modèle Intel Tick-Tock

Modèle Intel Tick Tock

C'est le modèle que le constructeur Intel a adopté depuis 2007 pour créer et faire évoluer l'architecture de ses processeurs. Ce modèle est divisé en deux étapes qui consistent à réduire le processus de fabrication, puis à optimiser l'architecture.

L'étape Tick se produit lorsque le processus de fabrication diminue, par exemple de 22 nm à 14 nm. Alors que l'étape Tock, elle maintient ce même processus de fabrication et l'optimise dans la prochaine itération au lieu de diminuer davantage les nanomètres. Par exemple, l'architecture Sandy Bridge de 2011 était le Tock (une amélioration par rapport aux 32 nm de Nehalem), tandis que le Ivy Bridge était le Tick en 2012 (diminué à 22 nm).

A priori, ce plan qu'il entendait faire faire un an Tick et il continue Tock, mais on sait déjà que le géant bleu a abandonné cette stratégie à partir de 2013 avec la poursuite du 22 nm à Haswell et le passage au 14 nm en 2014. Depuis lors, toute l'étape a été Tock, c'est-à-dire que les 14 nm ont continué d'être optimisés jusqu'à atteindre le processeur Intel Core de 9e génération en 2019. Il est prévu que cette même année ou début 2020 il y aura une nouvelle étape Tick avec l'arrivée de 10 nm.

La prochaine étape: l'ordinateur quantique?

La réponse aux limites de l'architecture basée sur les semi-conducteurs réside peut-être dans l'informatique quantique. Ce paradigme change complètement la philosophie de l'informatique depuis le début des ordinateurs, toujours basée sur la machine de Turing.

Un ordinateur quantique ne serait pas basé sur des transistors, ni sur des bits. Ils deviendraient des molécules et des particules et des Qbits (bits quantiques). Cette technologie tente de contrôler l'état et les relations des molécules dans la matière au moyen d'électrons pour obtenir un fonctionnement similaire à celui d'un transistor. Bien sûr, 1 Qbit n'est pas égal à 1 bit du tout, car ces molécules peuvent créer non pas deux, mais trois états différents ou plus, multipliant ainsi la complexité, mais aussi la capacité d'effectuer des opérations.

Mais pour tout cela, nous avons quelques petites limitations, telles que la nécessité de températures proches du zéro absolu (-273 ^o C) pour contrôler l'état des particules, ou le montage du système sous vide.

• Pour plus d'informations sur tout cela, visitez cet article que nous avons étudié il y a quelque temps sur ce qu'est le processeur quantique.

Qu'est-ce que les nanomètres influencent les processeurs?

Nous laissons derrière nous ce monde passionnant et complexe de l'électronique dans lequel seuls les fabricants et leurs ingénieurs savent vraiment ce qu'ils font. Nous allons maintenant voir quels avantages il a à diminuer les nanomètres d'un transistor pour une puce électronique.

Transistors 5 nm

Densité de transistor plus élevée

La clé est les transistors, ils déterminent le nombre de ports et de circuits logiques qui peuvent être placés à l'intérieur d'un silicium de quelques millimètres carrés seulement. On parle de près de 3 milliards de transistors dans une matrice de 174 mm ² comme l'Intel i9-9900K 14nm. Dans le cas de l'AMD Ryzen 3000, environ 3, 9 milliards de transistors dans une matrice de 74 mm ² à 7 nm.

Vitesse plus élevée

Cela permet de fournir à la puce beaucoup plus de puissance de traitement, car elle est capable de se verrouiller avec beaucoup plus d'états sur une puce avec une densité de semi-conducteurs plus élevée. De cette façon, plus d'instructions par cycle sont obtenues, ou ce qui est le même, nous augmentons l'IPC du processeur, comme par exemple si nous comparons les processeurs Zen + et Zen 2. En fait, AMD prétend que ses nouveaux processeurs ont augmenté leur IPC de base jusqu'à 15% par rapport à la génération précédente.

Une plus grande efficacité énergétique

En ayant des transistors avec moins de nanomètres, la quantité d'électrons qui les traversent est moindre. Par conséquent, le transistor change d'état avec une alimentation plus faible, ce qui améliore considérablement l'efficacité énergétique. Disons donc que nous pouvons faire le même travail avec moins d'énergie, donc nous générons plus de puissance de traitement par watt consommé.

Ceci est très important pour les équipements alimentés par batterie, tels que les ordinateurs portables, les smartphones, etc. L'avantage d'avoir des processeurs 7 nm, nous a fait avoir des téléphones avec des autonomies incroyables, et des performances spectaculaires avec le nouveau Snapdragon 855, le nouveau A13 Bionic d'Apple et le Kirin 990 de Huawei.

Copeaux plus petits et plus frais

Enfin et surtout, nous avons la capacité de miniaturisation. De la même manière que nous pouvons mettre plus de transistors par unité de surface, nous pouvons également réduire cela pour avoir des puces plus petites qui génèrent moins de chaleur. Nous appelons cela TDP, et c'est la chaleur qu'un silicium peut générer avec sa charge maximale, attention, ce n'est pas la puissance électrique qu'il consomme. Grâce à cela, nous pouvons rendre les appareils plus petits et qui chauffent beaucoup moins avec la même puissance de traitement.

Il y a aussi des inconvénients

Chaque grand pas en avant a ses risques, et on peut en dire autant de la nanotechnologie. Le fait d'avoir des transistors de moins de nanomètres rend le processus de fabrication beaucoup plus difficile à réaliser. Nous avons besoin de moyens techniques beaucoup plus avancés ou coûteux et le nombre de pannes augmente considérablement. Un exemple clair est que les performances par tranche de puces correctes ont diminué dans le nouveau Ryzen 3000. Alors qu'en Zen + 12 nm, nous avions environ 80% de puces parfaitement fonctionnelles par tranche, dans Zen 2, ce pourcentage aurait diminué à 70%.

De même, l'intégrité des processeurs est également compromise, nécessitant ainsi des systèmes d'alimentation plus stables et avec une meilleure qualité de signal. C'est pourquoi les fabricants des nouvelles cartes à puce AMD X570 ont pris un soin particulier à créer un VRM de qualité.

Conclusions sur les nanomètres

Comme nous le voyons, la technologie progresse à pas de géant, bien que dans quelques années, nous trouverons des processus de fabrication qui seront déjà à la limite physique des matériaux utilisés avec des transistors de 3 ou 1 nanomètres même. Quelle sera la prochaine étape? Eh bien, nous ne le savons certainement pas, car la technologie quantique est très verte et il est pratiquement impossible de construire un tel ordinateur en dehors d'un environnement de laboratoire.

Ce que nous aurons pour l'instant, c'est de voir si dans ce cas le nombre de noyaux est encore augmenté, ou des matériaux tels que le graphène qui admettent une densité plus élevée de transistors pour les circuits électroniques commencent à être utilisés.

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Pensez-vous que nous allons voir des processeurs 1 nm? De quel processeur disposez-vous? Nous espérons que l'article était intéressant, dites-nous ce que vous en pensez.