آیا تراشه‌های 3 و 4 نانومتری واقعا بهتر از 5 نانومتری هستند؟

امسال، سال دیگری است که کارخانه‌های ریخته‌گری تراشه به افراد یادآوری می‌کنند که تراشه‌های 3 و 4 نانومتری واقعا فوق‌العاده هستند. اگر از مخاطبان موضوعات تکنولوژی باشید، احتمالا می‌دانید چند سالی است که رقابت بین کارخانه‌ها و شرکت‌های فعال در تراشه‌سازی بیشتر تبدیل به یک جنگ شده و هر کدام برای رسیدن به نانومتری کوچک‌تر، از هر روش و راهکارهایی استفاده می‌کنند.

در واقع، حتی می‌توان اشاره کرد که امروزه، رقابت رایج بین شرکت‌های تراشه‌ساز بیشتر و برای آینده صنعت تکنولوژی، پراهمیت‌تر از جنجال تبلیغاتی هوش مصنوعی است. به‌عبارتی دیگر، این تراشه‌های قدرتمند هستند که درنهایت می‌توانند پلتفرم‌های هوش مصنوعی گسترده‌تر را پشتیبانی کنند. قدرت تراشه‌ها به‌صورت مستقیم با فاصله میان ترانزیستورهای آن که با پارامتر «نانومتر» گفته می‌شود، ارتباط دارد که در ادامه به‌صورت کامل به این موضوعات خواهیم پرداخت.

با این حال، امروزه معماری 3 و 4 نانومتری، رایج‌ترین طراحی است که برای تراشه‌های جدیدتر در نظر گرفته می‌شود. در همین راستا، بیشتر شرکت‌ها و فعالان حوزه تراشه‌سازی، تمرکز تبلیغاتی غالب خود را روی معرفی تراشه‌های 3 و 4 نانومتری گذاشته‌اند و به‌نوعی برای افراد القا می‌کنند این تراشه‌ها، بسیار بهتر از مدل‌های قبلی از جمله پردازنده‌های 5 نانومتری هستند. در این مطلب هم تصمیم گرفته‌ایم که به‌صورت کامل این موضوع را بررسی کرده و ببینیم که آیا واقعا این تراشه‌ها، به حدی که کارخانه‌های تراشه‌ساز ادعا می‌کنند، ارزشمندتر از نسخه‌های 5 نانومتری هستند یا خیر.

پارامتر نانومتر چیست و چه اهمیتی در صنعت تراشه‌سازی دارد؟

«نانومتری» یا همان چیزی که به‌صورت مخفف، آن را "nm" می‌نامیم، یکی از واحدهای اندازه‌گیری متریک بوده که به‌صورت دقیق‌تر 0.000000004 متر است. این اندازه به‌قدری کوچک است که برای مشاهده این فاصله، نیاز به میکروسکوپ‌های پیشرفته دارید.

با این حال، وقتی صحبت از تراشه‌ها می‌شود، اصطلاح «نانومتری» به اندازه گره یا همان فاصله نود پردازنده‌ها مربوط می‌شود. هرچه این عدد کوچک‌تر باشد، به این معنی است که ترانزیستورهای کوچک‌تر و بیشتری می‌توانند روی بستر ویفر سیلیکونی قرار بگیرند. در واقع، با این حساب، یک تراشه 6 نانومتری از ترانزیستورهای 6 نانومتری استفاده می‌کند، در حالی که یک تراشه 4 نانومتری هم به تراشه‌های 4 نانومتری مجهز است، اما باید بگوییم که واقعیت این‌طور نیست.

در واقعیت این اصطلاح بیشتر با هدف بازاریابی برای پردازنده‌ها است. بله، در واقع باید بگوییم که یک تراشه 4 نانومتری به واقعیت قطعات 4 نانومتری روی آن ندارد. آن‌ها قطعات کوچک‌تر از تراشه‌های 6 نانومتری هستند که قبلا برچسب‌گذاری شده بودند. به‌عبارتی دیگر، باید اشاره کرد که اصطلاح نانومتر، بیشتر باید برای فاصله ترانزیستورها استفاده شود و برای مثال ممکن است یک تراشه 14 نانومتری، از قطعات 7 نانومتری استفاده کند. درنتیجه، نباید این نتیجه را گرفت که یک تراشه 14 نانومتری، حتما قطعاتی با اندازه 14 نانومتری دارد.

اساسا، این یکی از مواردی است که فقط مهندسان همیشه به آن اهمیت می‌دهند و در عین حال به افراد گفته می‌شود هر زمانی که یک تولیدکننده تراشه، فرآیند تولید خود را با استفاده از اعداد کوچک‌تر اصلاح می‌کند، یعنی قطعا در حال بهتر شدن است، اما باید این را باور کنیم؟

مزیت‌های واقعی یک تراشه با نانومتر کوچک‌تر

در همین ابتدا بهتر است اشاره کنیم که دو مزیت واقعی و ملموس از یک گره فرآیند کوچک‌تر وجود دارد: چگالی قطعه و بهره‌وری انرژی.

همان‌طور که احتمالا می‌دانید، TSMC در حال حاضر بزرگ‌ترین کارخانه تراشه‌سازی جهان است که پردازنده مورد استفاده در بسیاری از برندهای مطرح، از جمله کوالکام، اپل و مدیاتک را تولید می‌کند. در این کارخانه‌ها از تکنولوژی لیتوگرافی برای رسیدن به یک طراحی با گره فرآیندی کوچک‌تر استفاده می‌شود.

همان‌طور که در بخش قبلی اشاره کردیم، کارخانه‌های تراشه‌ساز می‌توانند قطعات 4 نانومتری را روی یک تراشه بیش از 6 نانومتری قرار دهند. این در واقع یک محاسبه یک به یک نبوده و روی تراشه، ترانزیستورهای بیشتری نخواهید داشت. به‌عبارتی دیگر، روند تکامل و پیشرفت پردازنده‌ها فراتر از این‌گونه بازی با اعداد است و در این مسیر، عوامل دیگری هم نقش دارند که درنهایت با هم ترکیب می‌شوند.

ترانزیستورها را در واقع می‌توان مورچه‌های کارگر یک پردازنده در نظر گرفت که محاسبات را انجام می‌دهند. برای این ترانزیستورها هم فرقی نمی‌کند که این محاسبات برای پردازش‌های هوش مصنوعی، به‌عنوان بخشی از یک پردازنده گرافیکی باشند یا فقط برای تشخیص این که چه زمانی کاربر روی یک حرف کیبورد ضربه می‌زند. در واقع، هر فعالیتی که در گوشی، کامپیوتر و هر وسیله الکترونیکی انجام می‌دهید، ترانزیستورها به‌نحوی در آن نقش دارند. تنها تفاوت در اندازه و نوع ترانزیستورها بوده که مدل‌های مورد استفاده در تراشه‌ها از نوع نانومتری آن‌ها هستند.

به زبان ساده‌تر، ترانزیستورهای بیشتر می‌توانند پردازش‌های بیشتری را در زمان کوتاه‌تری انجام دهند. پیشرفت گره‌های فرآیندی در سایر زمینه‌ها به این معنی است که دستاوردهای عملکرد آن می‌تواند قابل‌توجه باشند. از طرفی، ترانزیستورهای کوچک‌تر هم انرژی کمتری مصرف می‌کنند، مانند تراکم قطعه، سایر پیشرفت‌ها همه این دستاودها را کنار هم ترکیب می‌کنند تا بتوانند با همان تعداد ترانزیستور بیشتر، کمترین مصرف انرژی را داشته باشند و این از هر صرفه‌جویی انرژی در قطعه‌های کوچک‌تر اهمیت بیشتری دارد. 

در کل مهم است به خاطر داشته باشید که ظاهر اعدادی به معنای مشاهده هرگونه پیشرفت واقعی است، ترانزیستورهای 4 نانومتری باید به‌طور کلی تا 34 درصد انرژی کمتری نسبت به قطعات 6 نانومتری مصرف کنند، چراکه 33 درصد بیشتر از آن‌ها در یک تراشه وجود خواهد داشت. با این حال، همان‌طور که اشاره کردیم، این ترکیب نهایی و در کنار هم قرار گرفته ترانزیستورها است که میزان مصرف انرژی و سطح آن را مشخص می‌کنند.

همچنان در کاربری واقعی ممکن است تحت تاثیر عوامل دیگری قرار گرفته و آن‌چه واقعا برندها از پیشرفت‌های قابل‌توجه بیان می‌کنند، دیده نشود. با این حال، اگر واقعا پیشرفت‌ها بتوانند در مصرف انرژی کلی تراشه تاثیر ایجاد کنند، تراشه‌های جدیدتر می‌توانند کارآمدتر از پردازنده‌های مدل قبلی باشند.

دقیقا به همین دلیل است که «تراشه 4 نانومتری» بیشتر یک اصطلاح بازاریابی است تا یک اندازه‌گیری واقعی. مانند هر صنعت دیگری، کارخانه‌های تراشه‌ساز علاقه دارند در مورد اندازه گره فرآیندی که توسعه داده‌اند، بیشتر صبحت شود، اما این اعداد بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ این اعداد بیشتر برای این استفاده می‌شوند که بدون دانستن جزئیات فنی، درک کنیم ۴ نانومتر بهتر از ۶ نانومتر است.

اما این پیشرفت‌ها چه سودی برای کاربران دارد؟

مزایای استفاده از یک فرآیند کوچک‌تر وجود دارد، اما در عمل متوجه آن‌ها نخواهیم شد.

شاید این گفته برخلاف تمام چیزهایی باشد که درباره‌ پیشرفت چشم‌گیر تراشه‌های ۳ نانومتری یا ۴ نانومتری می‌شنوید، اما واقعیت همین است. این موضوع به این معنا نیست که نباید به آن اهمیت داد، بلکه باید درک کرد که این تغییر تنها بخشی از روند کلی پیشرفت پردازنده‌های مدرن بوده و به‌تنهایی قابل لمس نخواهد بود.

دلیل این موضوع، محدودیت‌های فیزیکی در کوچک‌سازی ترانزیستورها و مدارها است و اکنون به این حد نزدیک شده‌ایم. اگر سازندگان تراشه فقط روی کوچک‌تر کردن ترانزیستورها تمرکز می‌کردند، در نهایت میلیاردها دلار هزینه می‌شد تا محصولاتی عرضه شوند که تفاوت چندانی با نسل‌های قبلی ندارند.

حتی با وجود سایر پیشرفت‌های تراشه‌ها، تفاوت بین نسخه‌های سالانه بسیار اندک است، در حالی که این پیشرفت‌ها فراتر از کوچک‌سازی گره پردازشی هستند. در نتیجه شرکت‌ها مجبورند بگویند که تراشه‌ی جدید 12 درصد عملکرد بهتر و 30 درصد مصرف انرژی بهینه‌تری دارد، چون اگر این را نشنوید، شاید هرگز متوجه این تغییرات نخواهید شد.

یک تراشه‌ی جدید از اپل یا کوالکام صرفاً به این دلیل فوق‌العاده نیست که ترانزیستورهای کوچک‌تری دارد، بلکه دلیل اصلی آن تمام نوآوری‌های مهندسی در زمینه‌ی افزایش عملکرد و بهینه‌سازی مصرف انرژی است. شاید در آینده شاهد یک تحول اساسی دیگر باشیم، اما تا زمانی که تراشه‌ی ۴ نانومتری را با نمونه‌هایی مثل ۲۸ نانومتری مقایسه نکنید، اندازه چندان اهمیتی نخواهد داشت.

جمع‌بندی

تراشه‌های 3 و 4 نانومتری امروزه به عنوان یکی از مهم‌ترین نوآوری‌ها در صنعت تراشه‌سازی معرفی می‌شوند، اما باید توجه داشت که این اعداد بیشتر جنبه تبلیغاتی دارند تا نمایانگر پیشرفت واقعی در اندازه ترانزیستورها. با کاهش اندازه نانومتری، تراشه‌ها می‌توانند تعداد بیشتری ترانزیستور را در خود جای دهند، که منجر به افزایش عملکرد و کاهش مصرف انرژی می‌شود. با این حال، این تغییرات به خودی خود در عملکرد کلی تراشه‌ها در کاربری‌های واقعی چندان محسوس نیستند.

مزایای اصلی کاهش اندازه گره فرآیند، شامل چگالی بیشتر قطعات و بهره‌وری انرژی بالاتر است، اما این تغییرات ممکن است برای کاربران در سطح روزمره قابل مشاهده نباشد. پیشرفت‌های واقعی در صنعت تراشه‌سازی بیشتر به نوآوری‌های مهندسی در زمینه بهینه‌سازی عملکرد و مصرف انرژی بستگی دارند تا صرفا کوچک‌تر شدن ترانزیستورها. در نهایت، برای مصرف‌کنندگان، تراشه‌های 3 و 4 نانومتری ممکن است بهبودهایی در عملکرد و مصرف انرژی ایجاد کنند، اما این تغییرات نباید به عنوان تحولی اساسی در نظر گرفته شوند.