Czym są nanometry i dlaczego są tak ważne dla procesorów? Scott Lang jest uwięziony i wymyśla sposób na ucieczkę. Nagle wkłada garnitur Ant-Mana, umieszcza cząsteczkę Pyma za pasem i naciska przycisk, który powoduje, że kurczy się, jakby nie było jutra. Jest taki moment, kiedy jest tak mały, że jego wielkość można zmierzyć jedynie w nanometrach i chociaż będzie kontynuował, na tym poprzestaniemy. Bez spekulacji i fantazji, bez świata kwantowego i podróży w czasie.
Ponieważ nanometry są właśnie taką jednostką miary, a jej nazwa od dawna jest ważna przy opisywaniu wydajności procesorów, zarówno mobilnych, jak i stacjonarnych. I choć może to zabrzmieć dziwnie, mniejsze w tym przypadku równa się lepsze, choć zawsze są niuanse. Przyjrzyjmy się, czym dokładnie są nanometry i jak wpływają na wydajność procesora.
Co mamy na myśli, gdy mówimy o nanometrach?
Wyścig nanometrowy to jeden z najważniejszych wyścigów rozgrywających się w świecie procesorów, obok innych takich jak sztuczna inteligencja czy częstotliwość taktowania. Na przykład najnowsza generacja chipów mobilnych jest budowana w procesach pięcionanometrowych i wszystko wskazuje na to, że pod koniec tego roku zrobimy kolejny krok naprzód, schodząc o nowy szczebel do czterech nanometrów.
Kiedy mówimy o nanometrach w procesorze, mamy na myśli wielkość jego najmniejszych elementów, tranzystorów, które stanowią zdecydowaną większość jego powierzchni. Aby były coraz mniejsze, coraz bardziej konieczne jest opracowywanie maszyn zdolnych do przeprowadzenia procesu, a jednocześnie opracowywanie technik, które unikają logicznych problemów związanych z posiadaniem komponentów tej wielkości.
Nanometr to jedna miliardowa metra, 10 podniesione do -9, żeby dać nam wyobrażenie. Aby zdawać sobie sprawę z jego wielkości, jeden milimetr zawiera milion nanometrów. Tak malutki jest nanometr. Oznacza to, że najnowsze tranzystory produkowane na przykład dla Snapdragon 888 czy Apple A14 Bionic mierzą 5 razy więcej. Innymi słowy, są 200 000 razy mniejsze niż milimetr. To skandaliczna kwota.
Wytwarzanie tak małych elementów wymaga nie tylko coraz bardziej zaawansowanych maszyn, ale także oznacza, że mamy do czynienia z takimi problemami, jak fakt, że atom helu ma wielkość 0,1 nanometra. Tak więc jeden tranzystor w Snapdragon 888 mierzy równowartość 50 atomów helu. To całkiem sporo. A liczba ta spada z pokolenia na pokolenie, aż nie mamy innego wyjścia, jak uciekać się do obliczeń kwantowych.
Tak z grubsza działa procesor
Bez wchodzenia w sprawy nadmiernie techniczne, które tylko nieliczni zrozumieją (a ja nie byłbym wśród nich), procesor to złożona sieć tranzystorów połączonych w taki sposób, że są w stanie wykonywać bardzo złożone operacje matematyczne. Elektryczność przepływa przez powierzchnię procesora i problemy są wykonywane z pełną prędkością, ponieważ elektryczność jest matką wszystkiego.
Wszystko to jest o wiele bardziej skomplikowane, ponieważ w procesorze znajdują się pamięci do przechowywania danych, jednostki sterujące koordynujące każdy element oraz słynny zegar wewnętrzny, który określa GHz procesora (każdy herc to aktywacja procesora na sekundę, gigaherc to miliard aktywacji na sekundę). Ale w skrócie, tak to działa i jak jest zbudowane.
O kodzie binarnym mówimy w wielu instancjach technologicznych i tak też jest w świecie procesorów. Przez tranzystory wykonujące operacje płynie prąd i jak przez jeden przechodzi światło, to się włącza i mamy jedynkę, a jak nie, to się wyłącza i mamy zero. I tak pomiędzy zerami a jedynkami procesor wykonuje każdą ze swoich operacji.
Zrozumienie tego jest kluczem do zrozumienia znaczenia nanometrów, ponieważ im mniejszy tranzystor, tym szybciej energia przez niego przepłynie, a zatem tym szybciej rozwiąże równania postawione przez algorytm, który próbujemy na nim wykonać. Mamy więc już pierwszy z kluczy, redukując tranzystory, zmniejszamy również odległość, jaką pokonuje światło podczas pracy procesora. Następnie zwiększamy moc obliczeniową procesora, a także wykorzystujemy to, aby zmniejszyć zużycie energii.
Z drugiej strony produkcja coraz mniejszych tranzystorów oznacza, że zajmują one coraz mniej miejsca i dlatego możemy zmieścić więcej tranzystorów na tej samej powierzchni lub możemy zachować tę samą liczbę tranzystorów, ale procesor staje się mniejszy. Chociaż to ostatnie praktycznie nigdy się nie zdarza, a każdy nanometr stracony w produkcji zwiększa gęstość każdego procesora. Mamy więc już drugi klucz: mniejsze tranzystory to więcej tranzystorów na procesor i większa zdolność rozwiązywania równań. Innymi słowy, znowu więcej mocy.
Dochodzimy więc do wniosku, że zmniejszenie rozmiaru tranzystorów dzięki nowej technologii wytwarzania umożliwia zwiększenie ich mocy surowej. Następnie jest tysiąc innych czynników, które decydują o tym, co się dzieje z tym wzrostem mocy i znajdujemy się z mniej lub bardziej wydajnymi chipami pod względem energii lub wykonania kodu, ale podsumowanie sprowadza się do tego: im mniejszy, tym mocniejszy . Świat do góry nogami.