Futurologie smartphonů: Věda, která stojí za procesorem a pamětí vašeho dalšího telefonu

Vítejte ve futurologii chytrých telefonů. V této nové sérii vědeckých článků Mobilní národy přispěvatel Shen Ye prochází současnými technologiemi používanými v našich telefonech a také špičkovými věcmi, které se v laboratoři stále vyvíjejí. Před námi je docela dost vědy, protože mnoho budoucích diskusí je založeno na vědeckých papíry s obrovským množstvím technického žargonu, ale snažili jsme se, aby věci byly jednoduché a jednoduché možný. Takže pokud se chcete ponořit hlouběji do toho, jak fungují vnitřnosti vašeho telefonu, toto je řada pro vás.

Nový rok přináší jistotu nových zařízení, se kterými si můžete zahrát, a tak je čas podívat se dopředu na to, co bychom mohli vidět v chytrých telefonech budoucnosti. První díl série pokrýval novinky v technologii baterií, zatímco druhý článek se zabýval tím, co bude dál ve světě mobilních displejů. Třetí část této série se zaměřuje na elektronické mozky našich mobilních zařízení - SoC (systém na čipu) a flash úložiště. Vzestup chytrých telefonů a tvrdá konkurence mezi konkurenčními výrobci zrychlily tempo technologického pokroku v obou těchto oblastech. A ještě jsme neskončili - na obzoru jsou stále divokější technologie, které si jednoho dne mohou najít cestu do budoucích zařízení. Čtěte dále a dozvíte se více.

O autorovi

Shen Ye je vývojář pro Android a absolvent MSci v oboru chemie na univerzitě v Bristolu. Chyťte ho na Twitteru @shen a Google+ + ShenYe.

Více v této sérii

Nezapomeňte se podívat na první dvě splátky naší řady Futurologie chytrých telefonů, která obsahuje budoucnost technologie baterií a technologie displeje smartphonu. V nadcházejících týdnech sledujte další.

Obrazový kredit: Qualcomm

Průmysl smartphonů nesmírně zrychlil pokrok v technologii mikročipů, a to jak v procesorech, tak v paměti flash. HTC G1 z doby před 6 lety měl procesor 528 MHz vyrobený pomocí 65 nanometrového procesu a 192 MB RAM modul. Od té doby jsme prošli dlouhou cestu, kdy Qualcomm letos vydal 64bitové procesory s využitím 20 nm procesu. V této splátce Futurologie chytrých telefonů, podíváme se na budoucí technologie v oblasti úložiště i zpracování, spolu s výzvami, které je třeba překonat, pokud chceme pokračovat v zrychlování tímto tempem.

Smartphony využívají integrovaný obvod známý jako SoC (systém na čipu). Toto sdružuje více komponent potřebných k tomu, aby zařízení fungovalo vše v jednom čipu, včetně rádií pro připojení, CPU, GPU, multimediálních dekodérů atd. Když se výrobci telefonů rozhodnou pro SoC, které chtějí použít, mohou vybrat variantu balíčku, kterou by chtěli, každý s jinou rychlostí a velikostí CPU. Například Nexus 7 (2012) a HTC One X používal čipovou sadu Tegra 3, ale navzdory identické značce se rozložení SoC, rychlost a velikost liší.

Větší balíčky, jako jsou čtvercové ploché balíčky, bývají nejlevnější, zatímco menší balíčky, jako jsou kulové držáky, jsou dražší, protože k dosažení jejich velikosti vyžadují nákladnější procesy. Vlajkové lodě roku 2014, jako např M8 a S5 měl vrstvu SoC pod RAM, aby ušetřil místo. Tyto komponenty však fungují velmi podobně jako běžné počítače, všechny napájené mikročipy naplněnými nepředstavitelně malými tranzistory.

Tranzistory

Počet tranzistorů v procesoru má tendenci určovat jeho výpočetní výkon.

Tranzistory jsou malá polovodičová zařízení, která lze použít jako spínače nebo zesilovače. Počet tranzistorů v procesoru má tendenci určovat jeho výpočetní výkon. Termín procesu výroby nanometrů definuje velikost procesoru. S 20nm tranzistory se jich vejde asi 250 miliard na křemíkovou destičku o velikosti nehtu.

Nahoře je jednoduchý diagram tranzistoru. Křemík je polovodič, který je v normálním stavu izolační. Když je do řídicí brány zaveden slabý signál, může dosáhnout prahové hodnoty, kde „dopuje“ oblast polovodiče, kterou je umístěné nahoře s elektrickým polem, což způsobuje, že vede elektřinu, a tím dokončuje spojení mezi zdrojem a vypustit. Pro uzavření obvodu se řídicí brána jednoduše vypne. Tranzistory se vyrábějí pomocí dlouhé řady chemických leptacích a depozičních procesů, ale jejich výrobní náklady se neustále snižují s objevováním nových technik a optimalizací.

Apple stále častěji přebírá design svých mobilních čipsetů. A8X, který se dodává uvnitř iPad Air 2 má vlastní tříjádrový procesor ARM a vlastní osmijádrový procesor PowerFX GPU, což je celkem 3 miliardy tranzistorů v provozu.

NAND Flash paměť

Většina telefonů používá paměť NAND flash, energeticky nezávislý typ úložiště - konkrétněji EEPROM (elektricky mazatelná programovatelná paměť pouze pro čtení). Na rozdíl od toho, co název napovídá, paměť ROM pouze pro čtení není ve skutečnosti jen pro čtení, ačkoli rychlosti čtení jsou rozhodně vyšší než rychlosti zápisu. Název „NAND flash“ vychází z logické brány NAND (NOT AND nebo Negated AND), která vytváří „falešný“ výstup, pokud je vstup „true“, který se používá v tranzistorech, které tvoří úložiště NAND flash.

Obrázek: Tranzistor s plovoucí bránou SLC

Nahoře je ilustrace tranzistoru s plovoucí bránou, který ukládá informace. Je to jen tranzistor s plovoucí bránou elektricky izolovanou vrstvou oxidu a nemá žádné elektrické kontakty. Plovoucí brána je schopna pojmout záporný náboj a to se používá k ukládání informací. Izolace umožňuje udržovat náboj po velmi dlouhou dobu. V blesku s jednou úrovní (SLC) má každá plovoucí brána 2 stavy, kdy je buď záporně nabitá, nebo nemá žádný náboj, takže může uložit 1 bit. V multi-level cell (MLC) flash může mít každá plovoucí brána několik stavů v závislosti na tom, jak je záporně nabitá. MLC flash umožňuje hustší úložné médium ve srovnání s SLC flash, ale má vyšší míru chyby čtení / zápisu kvůli užším rozdílům mezi stavy.

Flash paměť NAND používá plovoucí brány k ukládání jedniček a nul.

Při čtení stavu plovoucí brány používá podobný mechanismus, jak funguje normální tranzistor. Na řídicí bránu je přiváděno napětí k dosažení prahové hodnoty, kde může být spojení mezi zdrojem a odtokem dokončeno. Požadované napětí je úměrné záporně nabitému plovoucímu hradlu. Bitová hodnota tranzistoru se převádí z napětí potřebného pro zapnutí tranzistoru. Při psaní musí obvody nějak upravit náboj plovoucí brány, když je zcela izolována od ostatních elektrických komponentů. Vyžaduje fenomén zvaný „kvantové tunelování“ - kdy může částice (v tomto případě elektron) tunelovat bariérou. Tento proces zápisu je podstatně komplikovanější a pomalejší než proces čtení, takže rychlosti čtení jsou vždy vyšší než rychlosti zápisu.

Místo tranzistorů s plovoucí bránou se také používá blesk Charge trap (CFT), mechanismus je téměř identické kromě tranzistorů CFT používají tenký film k uložení záporného náboje místo plovoucího brána. Jejich výhodou oproti plovoucí bráně je, že jsou spolehlivější, levnější na výrobu kvůli menšímu počtu procesů a jsou menší, takže mají hustší kapacitu. To je považováno za budoucnost NAND, protože tranzistory s plovoucími hradly je extrémně obtížné vyrobit pod 20 nm. S tranzistory blížícími se velikostem pod 20 nm to však může znamenat nesnesitelnou míru chyb a nízké údaje retenční časy (tj. může dojít k poškození vašeho zařízení, pokud ho po delší dobu nečiníte čas). S plovoucími hradlovými tranzistory mohou velikosti menší než 20 nm zvýšit rušení nabíjení mezi plovoucími branami - a tím výrazně zvýšit míru chyb a poškození.

Společnost Samsung objevila způsob, jak transformovat každý tranzistor do válcového tvaru a maximalizovat tak hustotu úložiště.

3D NAND

Obrazový kredit: Samsung Electronics

Technologie 3D NAND (někdy označovaná jako Vertical NAND nebo V-NAND) byla na masový trh k dispozici teprve nedávno, přičemž je používaly SSD disky Samsung řady 850. Flash 3D NAND poskytuje rychlejší výkon se zvýšenou životností a spolehlivostí. Společnost Samsung Electronics, kterou původně ohlásili v loňském roce, dokázali vertikálně škálovat technologii NAND na rozdíl od agresivního horizontálního měřítka na současném trhu. Společnost Samsung objevila metodu změny tvaru každého tranzistoru do válcového tvaru a skládání vrstev těchto válcových tranzistorů, aby se maximalizovala jejich hustota úložiště NAND flash na plochu.

3D NAND přináší větší hustotu úložiště a nižší náklady na gigabajt.

Flash 3D NAND přináší nižší náklady na GB, čímž se blíží magnetickému úložišti (jako tradiční mechanické pevné disky). Dále pomáhá řešit aktuální problémy s zmenšením velikosti tranzistorů pod 20 nm, včetně snížení interference mezi tranzistory.

Fázová změna Flash

Obrazový kredit: Micron

V poslední článek série jsme diskutovali krystaly IGZO s fázovou změnou, které Sharp nedávno předvedl ve svých zařízeních Aquos. Místo stavů s rozdílnými náboji mění materiály fázové změny (PCM) svou strukturu mezi krystalickou (uspořádanou) a amorfní (neuspořádanou). Vzhledem k tomu, že prodejci křemíku soutěží o nalezení nové technologie, která by nahradila blesk NAND kvůli problémům se škálováním pod 20 nm, se blesk s fázovou změnou stává silným kandidátem.

Letos oba IBM a Western Digital prokázali své úsilí při vytváření disků PCM SSD. Ve srovnání se současnou pamětí NAND má paměť fázových změn podstatně nižší latenci - pokles ze 70 mikrosekund na jednu mikrosekundu. Na rozdíl od toho, jak NAND používá náboje, PCM by neměl interferovat s jiným tranzistorem v sub-20nm měřítku, pokud jsou izolovány.

Během příštího desetiletí může flash paměť s fázovou změnou začít nahrazovat současné technologie NAND.

Aktuálně preferovaným PCM je slitina chalkogenidu¹. Pomocí malého rezistoru (ohřívače) umístěného pod každou částí chalkogenidu lze změnit fázi materiálu pouhou úpravou teploty a času pulzu tepla z rezistoru. Každý rezistor musí být zabalen do tepelného izolátoru, aby se zabránilo „tepelnému přenosu“, když teplo z rezistoru ovlivňuje další „bity“ PCM. Časové stupnice, o kterých mluvíme, jsou v oblasti 10-30 nanosekund, takže extrémně vysoké rychlosti zápisu. Proces čtení je stejně rychlý a krystalická fáze je tedy lepším vodičem čtení bitové hodnoty je stejně jednoduché jako průchod malého proudu přes PCM a jeho měření odpor. Výsledky byly velmi slibné a měli bychom očekávat, že v příštím desetiletí bude adoptována flash paměť fázových změn nad současnými technologiemi NAND.

Energeticky nezávislá magnetická RAM (MRAM)

Obrazový kredit: Everspin

Magnetismus byl navržen jako způsob ukládání dat před více než deseti lety, ale metody výroby byly prokázány teprve nedávno². Tato technologie nové generace je stále daleko, ale nyní se přesunula z pera a papíru do výroby. Latence MRAM je také výrazně nižší než latence současných čipů NAND v nízkých desítkách nanosekund.

Everspin uzavřel partnerství s Global Foundries na magnetickou paměť RAM (ST-MRAM) točivého momentu produktu pomocí procesu 40 nm. TDK také předváděl jeho technologie ST-MRAM, i když pouze na 8Mbit ve srovnání s 64Mbit Everspin. Obě společnosti jsou v závodě na vylepšení svých technologií MRAM pro spotřebitelský trh.

LPDDR4

Obrazový kredit: Samsung Tomorrow

Při přechodu na RAM většina současných vlajkových zařízení používá mobilní RAM LPDDR3 (LP znamená Low Power). Jeho přijetí na trhu bylo rychlé, JEDEC vydal standard LPDDR3 až v květnu 2012. Dříve v srpnu zveřejnili Standard LPDDR4 s elektronikou Samsung ' první čip LPDDR4 třídy 20nm schopný dosáhnout datových rychlostí 3200 Mbit / s, o 50% vyšších než v předchozí generaci a používá o 10% nižší napětí, což znamená celkové 40% zvýšení energetické účinnosti.

S 2K obrazovkami, které jsou již v našich mobilních zařízeních a 4K za rohem pro tablety, naše chuť k RAM nadále roste. RAM je nestálá - k udržení uložených dat vyžaduje konstantní napětí, takže spotřeba energie je stejně důležitá jako rychlost. S největší pravděpodobností uvidíme čipy LPDDR4 v našich vlajkových telefonech a tabletech v roce 2015 a budeme o krok blíže k tomu, abychom se nikdy nemuseli starat o to, aby aplikace na pozadí zapadly celým zařízením.

Výroba mikročipů pod 20 nm

Menší výrobní procesy vám umožní nacpat do vašeho procesoru více tranzistorů ...

Prodejci křemíku, jako jsou Qualcomm a Intel, neustále hledají způsoby, jak vytlačit více tranzistorů do procesoru, aby se nakonec zvýšil jejich výkon. Výše jsme zmínili, jak mají tranzistory NAND problémy s ukládáním dat pod 20 nm, nemluvě o obrovském poklesu výtěžku produktu. Dalším problémem, který je v současné době intenzivně zkoumán, je problém s přenosem sub-20nm designů na křemíkovou destičku.

Současné techniky používají světlo k promítnutí designu na křemíkovou destičku s materiálem citlivým na světlo - představte si použití projektoru k zobrazení obrazu v měřítku nanometrů. Když klesnete pod 20 nm, narazíte na několik obtíží s tímto litografickým procesem, omezeným zákony fyziky. Když se dostanete k tak malým měřítkům, začíná být problémem difrakce světla.

Obrazový kredit: Intel

... ale když klesnete pod 20 nm, fyzikální zákony vás začnou dohánět.

Jak možná víte, světlo se pohybuje jako vlna. Pokud vlna prochází mezerou (v tomto případě silikonovou konstrukční šablonou), jejíž velikost je blízká vlnové délce světla, může se rozptýlit a poskytnout velmi rozmazaný přenos. Určitě tedy můžeme jen zvýšit vlnovou délku světla, že? To ale problémy dočasně opraví, dokud nebudete chtít jít ještě menší, navíc byste museli najít nový materiál citlivý na světlo, který by reagoval na novou vlnovou délku světla. Přesně to se právě teď děje, protože „extrémní ultrafialová litografie“ (EUV) je další generací litografických technik, schopných posunout hranici 20 nm až na 13,5 nm.

Prodejci křemíku již zkoumali, jak rozbít další cihlovou zeď, které budou nevyhnutelně čelit, 13,5 nm. Jednou z velmi prozkoumaných oblastí v této oblasti jsou samonasávací nanodráty. Jedná se o dlouhé polymerní řetězce, které byly navrženy tak, aby se uspořádaly do konkrétních vzorů. Skupina na univerzitě v Torontu zveřejnila příspěvek³ o tom, jak dostali řešení svých polymerních řetězců, aby se uspořádali do tenkých, rovnoměrně rozmístěných čar, které by ve skutečnosti mohly vést elektřinu.

Obrazový kredit: University of Toronto

Obrazový kredit: D-Wave

Kvantové výpočty a Qubits

Kvantové výpočty jsou stále v plenkách, ale mnozí věří, že jde o budoucnost výpočtů. Je to neuvěřitelně složité, a proto zde jen vyložíme základy. Mnoho z toho, co se děje na kvantové úrovni, je opravdu divné ve srovnání s tím, co vidíme denně; 4 roky po absolvování přírodovědného studia mám stále problémy s uchopením určitých částí kvantové mechaniky.

Mnoho z toho, co se děje na kvantové úrovni, je opravdu divné.

Konvenční počítače používají bity, které mohou být pouze jedním ze dvou stavů, buď 1 nebo 0. Qubit (kvantový bit) může být ve více stavech současně, a je tedy schopen zpracovávat a ukládat velké množství dat. Důvodem je kvantový jev známý jako superpozice, základ toho, jak funguje kvantové výpočty (to se běžně vysvětluje pomocí Schrodingerova kočka analogie).

Kvantové zapletení by vám mohlo jen vyrazit mysl.

Další jev známý jako „zapletení“ se může stát na kvantové úrovni, kde dvojice částic interaguje takovým způsobem, že je nelze popsat samostatně, ale jako celek. To způsobí, že se stanou divné věci, jako je změna stavu jedné z částic a nějakým způsobem druhé Okamžitě se také změní částice, a to navzdory tomu, že jsou daleko od sebe a mezi nimi není žádné fyzické spojení. Problém qubitu spočívá v tom, že pokud se ho pokusíte číst přímo, budete s ním muset nějakým způsobem interagovat, což by změnilo jeho hodnotu. Kvantové zapletení však problém potenciálně řeší. Pokud zamotáte qubit, můžete měřit jeho pár, což vědcům umožňuje číst hodnotu qubitu, aniž by se na něj skutečně dívali.

V loňském roce Google oznámil, že spouští A.I. laboratoř s kvantovým počítačem 512 qubit, i když v současné době vyžaduje obrovskou místnost plnou nástrojů, které ji pomohou udržet v optimálním stavu běh. Ale také tak začal běžný počítač. Bude to déle než 2 desetiletí, než to dostaneme do svých telefonů, ale určitě jde o důkladně prozkoumanou oblast, která neustále roste.

Sečteno a podtrženo

Trh s křemíkem je v současné době tak konkurenceschopný, že se na trh rychle dostávají nové objevy a standardy. 3D NAND a LPDDR4 brzy přijdeme do našich zařízení, což přináší podstatně rychlejší výkon a lepší energetickou účinnost. Diskutovali jsme o několika oblastech výzkumu, které jsou velkoryse financovány, aby pomohly prodejcům křemíku získat výhodu agresivní trh - ačkoli konkurence v technologickém průmyslu vždy skončila a byla velkým přínosem pro spotřebitel.

Je čas přestřihnout šňůru!

Jedná se o nejlepší bezdrátová sluchátka, která si můžete koupit za každou cenu!

Nejlepší bezdrátová sluchátka jsou pohodlná, skvěle znějí, nestojí příliš mnoho a snadno se vejdou do kapsy.

Další generace

Vše, co potřebujete o PS5 vědět: Datum vydání, cena a další.

Společnost Sony oficiálně potvrdila, že pracuje na PlayStation 5. Tady je vše, co o tom zatím víme.

Nové Nokie

Nokia uvádí na trh dva nové levné telefony Android One s cenou do 200 $.

Nokia 2.4 a Nokia 3.4 jsou nejnovější přírůstky do řady levných smartphonů HMD Global. Jelikož jsou obě zařízení Android One, je zaručeno, že budou dostávat dvě hlavní aktualizace operačního systému a pravidelné aktualizace zabezpečení až na tři roky.

Ding Dong - dveře zamčené

Zabezpečte si svůj domov pomocí těchto zvonků a zámků SmartThings.

Jednou z nejlepších věcí na SmartThings je, že můžete ve svém systému použít spoustu dalších zařízení třetích stran, včetně zvonků a zámků. Vzhledem k tomu, že všichni v zásadě sdílejí stejnou podporu SmartThings, zaměřili jsme se na to, která zařízení mají nejlepší specifikace a triky, aby bylo možné je přidat do vašeho arzenálu SmartThings.