Výrobní proces: jaké výhody přináší čím dál tím menší procesory a jak dlouho bude trvat, než přestane platit Moorov zákon

Každoročne sa stretávame so správami, že Intel, TSMC alebo iný výrobca zaháji výrobu procesorov s x-nanometrovým procesom. Tieto čísla sa pri procesoroch uvádzajú skoro tak často ako ich frekvencia a názov, lenže nie všetci môžu vedieť, čo toto číslo vlastne znamená. Prečo sa každým rokom číslo pri značke „nm“ zmenšuje a aké výhody to prináša? Práve na to sa dnes pozrieme v článku, ktorý ste práve začali čítať.

Proces zmršťovania polovodičov začal prakticky už v 70. rokoch, keď sa na trhu začali objavovať prvé počítače s polovodičmi, teda s procesormi. Intel a ďalší výrobcovia začali svoje procesory postupne zmenšovať, no vždy sa držali jedného základného princípu. Princípom tohto výrobného procesu je vytvoriť identickú, respektíve veľmi podobnú architektúru s pomocou novších technológií, ktoré umožnia vytvoriť rovnaký obvod, iba s menšími rozmermi. Menšie rozmery sa docielia tým, že nové technológie umožnia vytvoriť menšie tranzistory a tie sa k sebe priblížia. Aj keď sa jedná o vzdialenosti, ktoré človek nikdy neuvidí, prináša to podstatné výhody pre výrobcov procesorov – napríklad pre Intel. Prvá výhoda musí byť jasná každému – peniaze. Narozdiel od väčšiny výrobkov sa procesory „razia“ na kremíkové wafery, teda na substrátové disky. Pretože je výrobca schopný zmenšiť rozmery svojho procesoru a zachová pritom jeho architektúru, nemusí do vývoja investovať toľko čo pri vývoji novej architektúry. Menšie rozmery čipov zároveň znamenajú, že sa mu podarí na jeden wafer vytvoriť viac procesorov, tým pádom si vystačí s menším množstvom waferov. Výsledkom toho sú menšie a lacnejšie procesory, ktoré si ale zachovajú rovnaký výkon ako v minulosti.

• Čtěte také: Intel posunul datum zahájení výroby procesorů Broadwell na začátek roku 2014

Ale ako iste viete, výkon počítačov sa postupom času zvyšuje. Vyšší výkon je jedným z ďalších pozitívnych dôsledkov zmršťovania procesorov. Pretože sa na jeden substrát zmestí viac procesorov, prečo nevytvoriť procesor s rovnakými rozmermi a nevložiť doň viac tranzistorov? Vyrábať procesory s vyšším výpočtovým výkonom a vyšším počtom jadier je práve ukážkou toho, čo dokážu dnešné technológie. Vráťme sa o približne 13 rokov dozadu. Píše sa november/listopad 2000 a spoločnosť Intel predstavila špičkový procesor Pentium 4. Špičkový procesor ponúka jedno jadro Willamette s frekvenciou až 2 GHz a je vyrábaný pomocou 180-nm výrobného procesu. Lenže konkurencia nespí a aj preto je na jar 2004 predstavená verzia s jadrom Prescott. Procesor vyzerá takmer rovnako ako jeho predchodca, no užívateľom ponúkne frekvenciu až do 3,8 GHz. V čom to spočíva? Vývoj za tie štyri roky postúpil vpred a Intel dokázal zmenšiť jadrá o rovných 50%. Pentium 4 s jadrom Prescott už sú vyrábané za pomoci 90-nm výrobného procesu. Dnes je rok 2014 a to, čo sa pred desiatimi rokmi zmestilo do jedného Pentium 4, sa v dnešnom Core i5 nachádza hneď štyrikrát – a ešte tu ostal priestor pre grafickú kartu. Jednou z nesporných výhod zmršťovania je totiž aj uvoľnenie priestoru vo vnútri procesoru, čo znamená, že ho môžu výrobcovia použiť na iné doplnky. K doplnkom môže patriť napríklad RAM alebo grafický procesor. Nikdy netreba očakávať, že sa vo vnútri procesoru stretneme s grafickým čipom, ktorý by konkuroval AMD FirePro alebo nVidia Quadro, avšak jedná sa o také grafické čipy, ktoré ponúknu dostatočný výkon k základnej činnosti, akú dnes na počítačoch vykonávame.

• Čtěte také: Procesor v novém Mac Pro můžete kdykoli vyměnit

Prierez procesorom Apple A4. Svetlý obdĺžnik v strede je samotný procesor, dvojica obdĺžnikov nad ním sú pamäte RAM. Po kliknutí sa zobrazí kompletná fotografia. (Autor: iFixIt)

Lenže procesory sa nemôžu zmenšovať donekonečna a už dnes sa blížime k hranici, za ktorou prestáva platiť Moorov zákon. Dnešná podoba tohto zákona tvrdí, že približne každých 24 mesiacov sa podarí zmenšiť rozmery čipov o polovicu a zároveň sa zachová rovnaká cena. Do konca platnosti tohto zákona však ostáva už len päť rokov. Už tento rok by mala byť zahájená výroba čipov s 14-nm procesom a odhaduje sa, že práve 14 nanometrov predstavuje hranicu pre dnešné materiály. Po prekročení tejto hranice by boli dnešné technológie nestabilné a tým pádom nefunkčné. 14-nm proces by sa mal používať aj pri výrobe procesorov pre nový iPhone, no k tomu by som sa vrátil neskôr. Výrobcovia procesorov už dnes investujú peniaze do vývoja nových čipov, ktoré by bolo možné využívať s pomocou ešte menších a úspornejších technológií. Výsledkom toho by mal byť 10-nm proces v roku 2015, 7-nm proces v roku 2017 a 5-nm výrobný proces v roku 2019. Pokiaľ budú chcieť výrobcovia vytvoriť ešte menšie čipy, budú zároveň musieť zmeniť ich štruktúru – v opačnom prípade by mohlo dôjsť ku kvantovému tunelovaniu, teda k možnému unikaniu elektrónov cez pevnú stenu. Aby Intel zabránil týmto problémom, už dnes experimentuje s trojrozmernými procesormi, ktoré by vyriešili problém s kvantovým tunelovaním a umožnili by vytvoriť procesory s 3-nm, 2-nm a 1-nm procesom. Výsledkom takéhoto pokroku je, že už o päť rokov by sme mohli v priemerných počítačoch vidieť 8- alebo 12-jadrové procesory. Tie sú dnes drahé a nájdeme ich skôr vo vysokovýkonných zostavách, napríklad v novom Mac Pro. Práve tam sa môžeme stretnúť s čipmi Intel Xeon s 12-timi fyzickými jadrami, ktoré sú vyrábané 22-nanometrovým výrobným procesom.

• Čtěte také: Procesor v novém Mac Pro můžete kdykoli vyměnit

Poslednou z veľmi dôležitých vlastností tohto technologického pokroku je aj čoraz vyššia energetická úspornosť. Čím sú jadrá menšie, tým sú úspornejšie a vystačia si s nižšou voltážou. Tým pádom môžu výrobcovia notebookov a inej elektroniky vytvoriť tenšie zariadenia, ktoré si zachovajú rovnakú alebo vyššiu výdrž batérie. Práve toto môžeme vidieť na dnešných tabletoch a smartfónoch, kde sa každoročne stretneme s vyšším výkonom, menšími rozmermi a rovnakou výdržou batérie. Voltáž sa ale zvyšuje spolu s počtom jadier a s vyššou frekvenciou, na ktorej tieto jadrá pracujú. Nakoniec je tu ešte jedna vec, ktorú by som rád spomenul. Pri čítaní internetových diskusií človek natrafí na ľudí, ktorí nadávajú práve na to, že zatiaľ čo bežný počítač obsahuje 4-jadrový procesor, špičkový smartfón už ponúka 8 jadier. Pre bežného smrteľníka sú tieto údaje zanedbateľné, no veľakrát sa stretneme s tým, že si zákazník vyberie telefón podľa papierových špecifikácií. Lenže výrobcovia nemusia dávať tak výkonné procesory do mobilov len kvôli vyššiemu skóre v benchmarku. Ich smartfóny sú totiž jasnou ukážkou toho, kam sa za ten rok technológie pohli a prezentujú nám, že ten 4-jadrový procesor už nemusí byť taký veľký ako v počítači, ale zmestí sa aj do tak malého zariadenia, akým je mobilný telefón. Dnes snáď neexistuje lepší spôsob, ako prezentovať technologický pokrok, než vytvorením niečoho výkonného a zároveň miniatúrneho. A dovolím si povedať, že ak sa začnú vyvíjať inteligentné hodinky vo veľkom, tak to budú práve ony, ktoré nám budú prezentovať najnovšie technológie. Nebude to o tom, aby sme sa na internetových fórach chválili, že my máme inteligentné hodinky s 4-jadrovým procesorom a vy „len“ s 2-jadrovým procesorom. Bude to o tom,  že sa tie štyri jadrá zmestia do tak drobnej techniky, akou sú hodinky.

• Čtěte také: Hollywood jásá: ARM představilo procesor Mali-V500, který automaticky rozezná pirátské videa a zřejmě se jej dočkáme také v iOS zařízeních!