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納米是長度單位!芯片里的單位納米,代表芯片(處理器、半導體)制造工藝的不同工藝階段,根據國際半導體技術藍圖(ITRS)【2017年后不再更新,繼任者是被國際設備和系統路線圖(IRDS)】,對半導體制程過程節點的定義如下:

芯片里的單位納米是什么意思?是否是越小越先進呢?

 

芯片的技術節點(工藝節點、節點等)指一個特定的半導體制造工藝和其設計規則,不同的節點通常意味著不同的電路設計和架構。通常,技術節點越小意味著特征尺寸越小,從而生產出更小且速度更快且功率效率更高的晶體管。從這個意義上講,越小的技術節點(納米數?。?,代表著生產難度更大,所需要的工藝水平越高,自然,技術也就越先進。

芯片中的納米意味著什么?

納米是什么米?納米是用于測量長度的測量單位。1納米等于一米的十億分之一,因此,納米絕對不是用來測量長距離的。相反,它們用于測量極小的物體,例如現代CPU中的原子結構或晶體管,單個納米比毫米小一百萬倍。所以,納米非常小。

芯片中晶體管是什么結構?任何芯片、IC、處理器、內存或GPU都是由大量晶體管的集成制成的。由于此類芯片是在內部集成了大量晶體管制成的,通常將其稱為IC(集成電路)。并且根據制造這種芯片組的集成晶體管的數量,將它們分為SSI(小規模集成),LSI(大規模集成)或VLSI(超大規模集成)。晶體管由于集成電路(例如計算機處理器)包含微觀組件,因此納米對于測量其尺寸非常有用。實際上,納米定義了不同的處理器時代,代表處理器(芯片)制造工藝的不同工藝階段,這基本上是一種工藝技術,其中包括所涉及的制造工藝(如光刻)和物理參數(如尺寸和厚度)等,其中數字定義了晶體管與CPU中其他組件之間的距離。

芯片里的單位納米是什么意思?是否是越小越先進呢?

 

晶體管實質上由漏極(Drain),源極(Source)和柵極(Gate)組成。在源極和漏極之間有一條使電子(從而電流)流動的路徑,稱為通道。Gate負責控制通道的寬度。通道越寬,電子在通道中流動的速度越慢,反之亦然。處理器中提到的納米技術是通道之間平均距離的度量。晶體管越小,源極與漏極之間的距離越小,形成柵極下方的導電溝道所需的電子或空穴的數量就越少。需要較小的輸入電壓以產生較少的功耗,柵極的最小寬度就是工藝制程中的X納米。

處理器架構——納米技術:任何芯片,無論是處理器,內存還是GPU,都是通過集成大量晶體管制成的。晶體管只是電子信號的開關,具有兩種狀態(ON/OFF)。納米架構是晶體管的大小。尺寸越小,可將更多晶體管嵌入到處理器芯片中,從而增加其計算量。45nm,32nm,28nm,14nm,10nm和7nm基本上是采用新制造技術的晶體管的縮放比例。芯片的長度越短,電流(或信息)可以流過的速度就越快。同樣,較短的芯片消耗的電壓更少。

為什么納米小一點好?

過程節點的大?。ㄒ约{米為單位)描述了芯片最小可能元素的大小??梢赃@樣想象:如果芯片的設計是數字圖像,則一個"像素"的大小將是處理大小。制程越小,可獲得的分辨率越高。制造商可以使晶體管和其他組件更小。這意味著更多的晶體管可以塞滿較小的物理空間。

芯片里的單位納米是什么意思?是否是越小越先進呢?

 

在給定的空間中可以容納的晶體管越多,處理能力就越大。芯片組上使用的每個晶體管都將具有較小的尺寸。因此,可以在芯片組內部封裝更多數量的晶體管,這些晶體管的尺寸與以較大納米距離制造的芯片組的尺寸相同。如果平均縮小晶體管的所有部分,則該晶體管的電性能不會改變。

在小型芯片組中制造大量晶體管的設施可提供更多功能。

較小的晶體管速度更快,這使它們可以以更高的時鐘速率工作。這樣可以提高性能。這是由于計算并行性和緩存大小的增加。因此,如果希望加快芯片速度或添加新功能,則最好的辦法是縮小其晶體管的尺寸。

較小的工藝也具有較低的電容,從而允許晶體管以更少的能量更快地打開和關閉。晶體管可以打開和關閉的速度越快,它的工作速度就越快。以更少的能量導通和截止的晶體管效率更高,從而降低了處理器所需的工作功率或"動態功耗"。動態功耗較低的芯片將使電池耗電更慢,運行成本更低并且更加生態友好。

較小的芯片也更便宜。芯片是在圓形硅晶片上制成的。一個晶圓通常將包含數十個處理器管芯。較小的工藝尺寸將產生較小的管芯尺寸。而且,如果管芯尺寸較小,則可以在單個硅晶片上安裝更多管芯。這導致制造效率的提高,降低了制造成本。開發新工藝確實需要大量投資,但是在收回成本之后,每個芯片的成本將大大下降。

較小的工藝規模有何弊端?

芯片里的單位納米是什么意思?是否是越小越先進呢?

 

散熱。尺寸較小時,由晶體管產生的熱量將具有較小的散熱面積,這可能會導致芯片組過熱。

較小的晶體管更難制造。隨著晶體管的縮小,制造以盡可能高的時鐘速度運行的芯片變得越來越困難。一些芯片將無法以最高速度運行,并且這些芯片將被"綁定"或標記為具有較低時鐘速度或較小緩存的芯片。較小的工藝通常會以較低的時鐘速度合并更多的芯片,因為制作"完美"的芯片更具挑戰性。制造商小心翼翼地消除盡可能多的問題,但這通常歸因于模擬世界不可避免的變化。

較小的晶體管也具有更大的"泄漏"。泄漏是晶體管在"關"位置時允許通過多少電流的度量。這意味著隨著泄漏的增加,靜態功耗或晶體管空閑時消耗的電量也會增加。泄漏量更大的芯片即使在不活動時也需要更多的功率,從而更快地消耗電池并降低運行效率。

較小的過程可能會降低產量,從而導致更少的全功能芯片。這可能導致生產延遲和短缺。這使得收回開發新工藝所需的投資更加困難。這種風險因素是任何新制造工藝的基礎,但對于像半導體制造這樣精確的工藝而言,風險尤其如此。

為什么納米對智能手機如此重要?

移動互聯網的飛速發展,帶動了半導體行業的科技進步。在芯片制造領域,智能手機芯片的制作工藝和進度,大幅度的領先于傳統的PC行業,是極具代表性的產業。追求更好、更快、更小的芯片是智能手機芯片不斷前行的目標,這里就納米對智能手機的影響展開。

談論智能手機之繞不開的話題:納米?在智能手機的世界中,不斷看到終端制造廠商互相競爭,每年都在配備最新的X納米處理器的同時發布旗艦智能手機。旗艦產品或任何智能手機必須具備的關鍵功能是性能、功耗和散熱,在此基礎上它應具有無滯后,快速且高效的界面,而這些都與"納米"有關。智能手機的性能取決于各種因素,例如應用程序優化、RAM大小、操作系統和處理器的優化,而這其中,處理器的性能是重中之重,芯片制程工藝的數值是旗艦機比對的關鍵性能指標,相當于一個水杯的容量,決定著可以裝多少水。下圖統計了近年來Android手機在安兔兔上的跑分,但就芯片比對而言,制程的進步的確帶來了性能的飛躍(藍色:旗艦機,黃色:中端機,紅色:低端機)。

芯片里的單位納米是什么意思?是否是越小越先進呢?

 

移動處理器頭痛的心臟健康指數——"納米",工藝節點越小,意味著更高的性能、更低的功耗和更高的集成度,也就意味著單位生產力更高,智能手機的心臟——芯片更強。

為什么晶體管之間的距離,納米很重要?智能手機是便攜式設備,這意味著它的空間有限,只能有限地容納其硬件部件。所以不能使用標準的計算機和筆記本電腦處理器,因為它們的尺寸很大,這意味著需要更好的散熱系統,這只會有一個結果——"空間不足!"。因此,許多公司已經開發了非常小的間距晶體管,以適合納米面積的小型處理器,從而使其與智能手機兼容。移動處理器中的是處理器內部晶體管之間的最短距離。高通、三星、聯發科、華為和蘋果是為智能手機開發"納米"移動處理器的領先公司。近年來,移動處理器中的"納米"計數一直在從12納米減少到10納米再到7納米(高通驍龍865、華為麒麟990)。納米制造工藝術語定義了處理器的尺寸。使用20nm晶體管,可以將大約2500億個晶體管安裝在指甲大小左右的硅晶片上。比如說有一個盒子可以容納100個大小為10cm的橡皮擦,每個橡皮擦之間相距1cm。如果減少橡皮擦之間的長度,我們可以容納更多的橡皮擦吧?在移動處理器中的納米后面使用類似的邏輯。同樣,如果減小處理器中晶體管之間的距離,則可以安裝更多的晶體管。更多的晶體管緊密堆疊在一起,這意味著在減少處理的同時電子的傳播路徑。這意味著更快的處理能力,更少的熱量產生和低功耗。因此,移動處理器中的納米越小,效率和功能就越強大。

芯片里的單位納米是什么意思?是否是越小越先進呢?

 

高通公司的Snapdragon 855是在7納米FinFET處理器上設計的,與10納米芯片相比,可提供高達45%的性能提升或25%的功耗降低。

晶體管可以看做是單個處理單元,制程越小,可以在同一區域內放置的晶體管就越多,芯片中晶體管集成度就越高,從而可以進行更快,更高效的芯片設計,芯片中的晶體管數量傾向于確定芯片的處理能力。

寫在最后

智能手機處理器可能無法提供PC和服務器硬件的最佳性能,但是這些小芯片在制造工藝方面一直處于業界領先地位。智能手機芯片第一個制造出了10nm和7nm尺寸的芯片,看起來它們很快也將達到5nm。先進的制造技術為提高能效,減小芯片尺寸和提高晶體管密度鋪平了道路。

如果不談論摩爾定律,就無法提及納米和晶體管密度。簡而言之,摩爾定律預言了加工技術的持續改進水平。通常將芯片收縮的速度與摩爾的預測進行比較,以衡量技術進步是否在放緩。摩爾定律是一項古老的觀察,觀察到芯片上的晶體管數量每年都會翻番,而成本卻減半,這種情況已經維持了很長時間,但是最近一直在放緩。

縮小工藝尺寸是很困難的,但是這樣做的好處是促使制造商追求越來越小的工藝尺寸。由于有了這種推動力,消費者每兩年就能獲得更快,更高效的芯片。這些進步使像智能手機這樣的技術奇跡成為可能,并將帶來下一代技術成就。

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