Willkommen bei Smartphone Futurology. In dieser neuen Reihe wissenschaftlich gefüllter Artikel Mobile Nationen Der Gastautor Shen Ye erklärt die aktuellen Technologien, die in unseren Telefonen verwendet werden, sowie die neuesten Informationen, die noch im Labor entwickelt werden. Es liegt einiges an Wissenschaft vor uns, da viele der zukünftigen Diskussionen auf wissenschaftlichen Erkenntnissen beruhen Papiere mit einer großen Menge an Fachjargon, aber wir haben versucht, die Dinge so schlicht und einfach wie möglich zu halten möglich. Wenn Sie also tiefer in die Funktionsweise Ihres Telefons eintauchen möchten, ist dies die richtige Serie für Sie.
Ein neues Jahr bringt die Gewissheit, mit neuen Geräten zu spielen, und daher ist es an der Zeit, vorausschauend zu sehen, was wir in den Smartphones der Zukunft sehen werden. Die erste Folge der Serie befasste sich mit den Neuerungen in der Batterietechnologiewährend Der zweite Artikel befasste sich mit den nächsten Entwicklungen in der Welt der mobilen Displays
. Der dritte Teil der Serie konzentriert sich auf das elektronische Gehirn unserer Mobilgeräte - das SoC (System on a Chip) und den Flash-Speicher. Der Aufstieg von Smartphones und der harte Wettbewerb unter den konkurrierenden Herstellern haben das Tempo des technologischen Fortschritts in beiden Bereichen beschleunigt. Und wir sind noch nicht fertig - es stehen immer wildere Technologien am Horizont, die eines Tages ihren Weg in zukünftige Geräte finden könnten. Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren.Über den Autor
Shen Ye ist ein Android-Entwickler und MSci-Absolvent in Chemie an der Universität von Bristol. Fang ihn auf Twitter @ Shen und Google+ + ShenYe.
Mehr in dieser Serie
Schauen Sie sich unbedingt die ersten beiden Teile unserer Smartphone Futurology-Reihe an die Zukunft der Batterietechnologie und Smartphone Display Tech. Achten Sie in den kommenden Wochen auf weitere Informationen.
Bildnachweis: Qualcomm
Die Smartphone-Industrie hat die Fortschritte in der Mikrochip-Technologie sowohl bei Prozessoren als auch im Flash-Speicher immens beschleunigt. Das HTC G1 von vor 6 Jahren hatte einen 528-MHz-Prozessor, der unter Verwendung eines 65-Nanometer-Prozesses hergestellt wurde, und ein 192-MB-RAM-Modul. Seitdem haben wir einen langen Weg zurückgelegt. Qualcomm hat dieses Jahr 64-Bit-Prozessoren mit einem 20-nm-Prozess veröffentlicht. In dieser Rate von Smartphone-FuturologieWir werden uns mit zukünftigen Technologien in Bezug auf Speicher- und Verarbeitungsleistung befassen sowie mit Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, wenn wir in diesem Tempo weiter beschleunigen möchten.
Smartphones verwenden eine integrierte Schaltung, die als SoC (System on a Chip) bezeichnet wird. Dadurch werden mehrere Komponenten gebündelt, die für die Funktion des Geräts auf einem einzigen Chip erforderlich sind, einschließlich Konnektivitätsradios, CPU, GPU, Multimedia-Decoder usw. Wenn sich Telefonhersteller für den SoC entscheiden, den sie verwenden möchten, können sie die gewünschte Paketvariante mit jeweils unterschiedlicher CPU-Taktrate und -Größe auswählen. Zum Beispiel sowohl das Nexus 7 (2012) als auch HTC ein x verwendeten einen Tegra 3-Chipsatz, aber trotz des identischen Brandings unterscheiden sich SoC-Layout, Geschwindigkeit und Größe.
Größere Pakete wie Quad-Flat-Pakete sind in der Regel am billigsten, während kleinere wie Kugelhalterungen teurer sind, da sie teurere Prozesse erfordern, um ihre Größe zu erreichen. Die 2014 Flaggschiffe wie die M8 und S5 hatte den SoC unter dem RAM geschichtet, um Platz zu sparen. Diese Komponenten arbeiten jedoch sehr ähnlich wie die eines normalen PCs, die alle von Mikrochips mit unvorstellbar kleinen Transistoren gespeist werden.
Transistoren
Die Anzahl der Transistoren in einem Prozessor bestimmt tendenziell seine Verarbeitungsleistung.
Transistoren sind winzige Halbleiterbauelemente, die als Schalter oder Verstärker verwendet werden können. Die Anzahl der Transistoren in einem Prozessor bestimmt tendenziell seine Verarbeitungsleistung. Der Begriff des Nanometer-Herstellungsprozesses definiert die Größe des Prozessors. Mit 20-nm-Transistoren können Sie rund 250 Milliarden davon auf einen Siliziumwafer von der Größe eines Fingernagels setzen.
Oben ist ein einfaches Diagramm eines Transistors dargestellt. Das Silizium ist ein Halbleiter, der im Normalzustand isolierend ist. Wenn ein schwaches Signal in das Steuergatter eingeführt wird, kann es eine Schwelle erreichen, bei der es den Bereich des Halbleiters "dotiert", in dem es sich befindet oben mit einem elektrischen Feld platziert, wodurch es Elektrizität leitet und somit eine Verbindung zwischen der Quelle und hergestellt wird ablassen. Um den Stromkreis zu schließen, wird das Steuergatter einfach ausgeschaltet. Transistoren werden unter Verwendung einer langen Reihe chemischer Ätz- und Abscheidungsprozesse hergestellt, aber ihre Herstellungskosten sinken kontinuierlich, wenn neue Techniken und Optimierungen entdeckt werden.
Apple hat zunehmend das Design seiner mobilen Chipsätze übernommen. Der A8X, der innerhalb der geliefert wird iPad Air 2 verfügt über eine benutzerdefinierte Tri-Core-ARM-CPU und eine benutzerdefinierte Octa-Core-PowerFX-GPU für insgesamt 3 Milliarden On-Die-Transistoren.
NAND-Flash-Speicher
Die meisten Telefone verwenden NAND-Flash-Speicher, einen nichtflüchtigen Speichertyp - genauer gesagt EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). Im Gegensatz zu dem, was der Name andeutet, ist der Nur-Lese-Speicher (ROM) nicht schreibgeschützt, obwohl die Lesegeschwindigkeiten definitiv höher sind als die Schreibgeschwindigkeiten. Der Name "NAND-Flash" stammt vom NAND-Logikgatter (NOT AND oder Negated AND), das einen "falschen" Ausgang erzeugt, wenn der Eingang "true" ist, der in den Transistoren verwendet wird, aus denen der NAND-Flash-Speicher besteht.
Bild: SLC Floating Gate Transistor
Oben ist eine Darstellung eines Floating-Gate-Transistors dargestellt, der Informationen speichert. Es ist nur ein Transistor mit einem Floating Gate, das elektrisch mit einer Oxidschicht isoliert ist und keine elektrischen Kontakte hat. Das schwebende Gate kann eine negative Ladung halten, und dies wird zum Speichern von Informationen verwendet. Die Isolierung ermöglicht es, die Ladung sehr lange aufrechtzuerhalten. Beim Single-Level-Cell-Flash (SLC) hat jedes Floating-Gate zwei Zustände, in denen es entweder negativ oder nicht geladen ist und somit 1 Bit speichern kann. Beim MLC-Blitz (Multi-Level Cell) kann jedes Floating Gate mehrere Zustände haben, je nachdem, wie negativ es geladen ist. MLC-Flash ermöglicht dichtere Speichermedien im Vergleich zu SLC-Flash, weist jedoch aufgrund der engeren Unterschiede zwischen den Zuständen eine höhere Rate an Lese- / Schreibfehlern auf.
Der NAND-Flash-Speicher verwendet Floating Gates zum Speichern von Einsen und Nullen.
Beim Lesen des Zustands eines Floating Gates wird ein ähnlicher Mechanismus verwendet wie bei einem normalen Transistor. Am Steuertor wird eine Spannung angelegt, um den Schwellenwert zu erreichen, bei dem die Verbindung zwischen Source und Drain hergestellt werden kann. Die erforderliche Spannung ist proportional dazu, wie negativ das Floating Gate geladen ist. Der Bitwert des Transistors wird aus der Spannung übersetzt, die zum Einschalten des Transistors erforderlich ist. Beim Schreiben muss die Schaltung die Ladung des Floating Gates irgendwie ändern, wenn es vollständig von anderen elektrischen Komponenten isoliert ist. Es erfordert ein Phänomen namens "Quantentunneln" - bei dem ein Teilchen (in diesem Fall ein Elektron) durch eine Barriere tunneln kann. Dieser Schreibvorgang ist wesentlich komplizierter und langsamer als der Lesevorgang, daher sind die Lesegeschwindigkeiten immer höher als die Schreibgeschwindigkeiten.
Charge Trap Flash (CFT) wird auch anstelle von Floating Gate Transistoren verwendet, der Mechanismus ist fast identisch, außer dass CFT-Transistoren einen dünnen Film verwenden, um die negative Ladung anstelle eines Floating zu speichern Tor. Ihr Vorteil gegenüber Floating Gate besteht darin, dass sie aufgrund weniger Prozesse zuverlässiger, billiger herzustellen und kleiner sind, sodass sie eine dichtere Kapazität haben. Dies wird als die Zukunft von NAND angesehen, da Floating-Gate-Transistoren unterhalb von 20 nm äußerst schwierig herzustellen sind. Bei Transistoren mit einer Größe unter 20 nm kann dies jedoch zu unrentablen Fehlerraten und geringen Datenmengen führen Aufbewahrungszeiten (d. h. Ihr Gerät kann beschädigt werden, wenn Sie es längere Zeit nicht mit Strom versorgen Zeit). Bei Floating-Gate-Transistoren können Größen unter 20 nm die Ladungsstörung zwischen Floating-Gates erhöhen und so die Fehler- und Korruptionsraten erheblich erhöhen.
Samsung hat einen Weg gefunden, jeden Transistor in eine zylindrische Form umzuwandeln und so die Speicherdichte zu maximieren.
3D NAND
Bildnachweis: Samsung Electronics
3D-NAND (manchmal auch als vertikales NAND oder V-NAND bezeichnet) wurde erst kürzlich für den Massenmarkt verfügbar, wobei die SSDs der Samsung 850-Serie diese verwendeten. 3D-NAND-Blitz bietet schnellere Leistung bei verbesserter Langlebigkeit und Zuverlässigkeit. Ursprünglich von Samsung Electronics im vergangenen Jahr angekündigt, konnten sie die NAND-Technologie im Gegensatz zur aggressiven horizontalen Skalierung auf dem aktuellen Markt vertikal skalieren. Samsung entdeckte ein Verfahren zum Ändern der Form jedes Transistors in eine zylindrische Form und zum Stapeln von Schichten dieser zylindrischen Transistoren, um ihre NAND-Flash-Speicherdichte pro Fläche zu maximieren.
3D NAND bietet eine höhere Speicherdichte und niedrigere Kosten pro Gigabyte.
3D-NAND-Flash bringt niedrigere Kosten pro GB und kommt dem magnetischen Speicher (wie bei herkömmlichen mechanischen Festplatten) näher. Darüber hinaus hilft es bei der Lösung von Stromproblemen bei der Verkleinerung von Transistorgrößen unter 20 nm, einschließlich der Verringerung der Interferenz zwischen Transistoren.
Phasenwechselblitz
Bildnachweis: Micron
In dem letzter Artikel In dieser Serie haben wir über IGZO-Displays mit Phasenwechselkristallen gesprochen, die Sharp kürzlich in seinen Aquos-Geräten vorgeführt hat. Anstelle von Zuständen mit Differenzladungen ändern Phasenwechselmaterialien (PCM) ihre Struktur zwischen kristallin (geordnet) und amorph (ungeordnet). Da Siliziumanbieter aufgrund von Skalierungsproblemen unter 20 nm im Wettbewerb um eine neue Technologie stehen, um NAND-Flash zu ersetzen, ist Phasenwechsel-Flash ein starker Kandidat.
Dieses Jahr beides IBM und Western Digital demonstrierten ihre Bemühungen bei der Erstellung von PCM-SSDs. Im Vergleich zum aktuellen NAND-Speicher weist der Phasenwechselspeicher eine erheblich geringere Latenz auf - von 70 Mikrosekunden auf eine einzelne Mikrosekunde. Anders als bei der Verwendung von Ladungen durch NAND würde PCM bei Subskalen unter 20 nm keine Interferenz mit einem anderen Transistor haben, solange diese isoliert sind.
Der Phasenwechsel-Flash-Speicher könnte innerhalb des nächsten Jahrzehnts beginnen, die aktuellen NAND-Technologien zu ersetzen.
Das derzeit bevorzugte PCM ist eine Chalkogenidlegierung1. Mit einem winzigen Widerstand (Heizung), der unter jedem Abschnitt des Chalkogenids angeordnet ist, kann die Phase des Materials geändert werden, indem lediglich die Temperatur und die Zeit eines Wärmeimpulses vom Widerstand eingestellt werden. Jeder Widerstand muss in einen Wärmeisolator eingewickelt werden, um ein "thermisches Übersprechen" zu verhindern, wenn die Wärme eines Widerstands andere "Bits" des PCM beeinflusst. Die Zeitskalen, über die wir sprechen, liegen im Bereich von 10 bis 30 Nanosekunden, also extrem schnelle Schreibgeschwindigkeiten. Der Lesevorgang ist ebenso schnell, wobei die kristalline Phase somit ein besserer Leiter ist Das Lesen des Bitwerts ist so einfach wie das Leiten eines kleinen Stroms durch das PCM und das Messen seines Widerstand. Die Ergebnisse waren sehr vielversprechend und wir sollten erwarten, dass der Phasenwechsel-Flash-Speicher innerhalb des nächsten Jahrzehnts gegenüber den aktuellen NAND-Technologien übernommen wird.
Nichtflüchtiger magnetischer RAM (MRAM)
Bildnachweis: Everspin
Magnetismus wurde vor über einem Jahrzehnt als Methode zum Speichern von Daten vorgeschlagen, aber Herstellungsverfahren wurden erst kürzlich demonstriert2. Diese Technologie der nächsten Generation ist noch weit entfernt, hat sich aber inzwischen von Stift und Papier auf die Produktion verlagert. Die Latenz von MRAM ist in den niedrigen zehn Nanosekunden ebenfalls erheblich geringer als die von aktuellen NAND-Chips.
Everspin ist eine Partnerschaft mit Global Foundries eingegangen Magnetisches RAM (ST-MRAM) mit Spin-Drehmoment unter Verwendung eines 40-nm-Prozesses zu produzieren. TDK auch angeben seine ST-MRAM-Technologie, allerdings nur mit 8 Mbit im Vergleich zu den 64 Mbit von Everspin. Die beiden Unternehmen sind im Wettlauf um die Reifung ihrer MRAM-Technologien für den Verbrauchermarkt.
LPDDR4
Bildnachweis: Samsung Tomorrow
Die meisten aktuellen Flaggschiff-Geräte verwenden LPDDR3 Mobile RAM (LP steht für Low Power). Die Markteinführung erfolgte rasch, und JEDEC veröffentlichte den LPDDR3-Standard erst im Mai 2012. Anfang August veröffentlichten sie die LPDDR4-Standard mit Samsung Elektronik ' erster LPDDR4-Chip der 20-nm-Klasse In der Lage, Datenraten von 3200 Mbit / s zu erreichen, 50% höher als bei der vorherigen Generation, und verwendet eine 10% niedrigere Spannung, wodurch die Energieeffizienz insgesamt um 40% gesteigert wird.
Mit 2K-Bildschirmen auf unseren Mobilgeräten und 4K-Bildschirmen für Tablets wächst unser Appetit auf RAM weiter. RAM ist flüchtig - es benötigt eine konstante Spannung, um die gespeicherten Daten zu erhalten, daher ist der Stromverbrauch genauso wichtig wie die Geschwindigkeit. Wir werden höchstwahrscheinlich 2015 LPDDR4-Chips in unseren Flaggschiff-Handys und -Tablets sehen und sind einen weiteren Schritt näher dran, uns keine Sorgen mehr darüber machen zu müssen, dass Hintergrund-Apps das gesamte Gerät blockieren.
Herstellung von Mikrochips unter 20 nm
Mit kleineren Herstellungsprozessen können Sie mehr Transistoren in Ihren Prozessor stecken ...
Siliziumanbieter wie Qualcomm und Intel suchen ständig nach Möglichkeiten, mehr Transistoren auf einen Prozessor zu drücken, um letztendlich ihre Leistung zu steigern. Wir haben oben erwähnt, dass NAND-Transistoren Probleme mit der Datenspeicherung unter 20 nm haben, ganz zu schweigen von dem enormen Rückgang der Produktausbeuten. Ein weiteres Problem, das derzeit intensiv erforscht wird, ist das Problem der Übertragung von Sub-20-nm-Designs auf den Siliziumwafer.
Aktuelle Techniken verwenden Licht, um das Design mit lichtempfindlichem Material auf einen Siliziumwafer zu projizieren. Stellen Sie sich vor, Sie verwenden einen Projektor, um ein Bild im Nanometerbereich anzuzeigen. Wenn Sie unter 20 nm fallen, stoßen Sie bei diesem Lithographieprozess auf einige Schwierigkeiten, die durch die Gesetze der Physik begrenzt sind. Wenn Sie zu so kleinen Maßstäben kommen, wird die Beugung von Licht zu einem Problem.
Bildnachweis: Intel
... Aber wenn Sie unter 20 nm fallen, holen die Gesetze der Physik Sie ein.
Wie Sie vielleicht wissen, bewegt sich Licht als Welle. Wenn die Welle durch eine Lücke (in diesem Fall die Silizium-Entwurfsvorlage) tritt, deren Größe nahe an der Wellenlänge des Lichts liegt, kann sie gebeugt werden und eine sehr unscharfe Übertragung ergeben. Wir können also sicher nur die Wellenlänge des Lichts erhöhen, oder? Nun, das behebt die Probleme nur vorübergehend, bis Sie noch kleiner werden möchten. Außerdem müssten Sie ein neues lichtempfindliches Material finden, das auf die neue Wellenlänge des Lichts reagiert. Genau dies geschieht gerade. Die "extreme Ultraviolettlithographie" (EUV) ist die nächste Generation von Lithographietechniken, mit denen die 20-nm-Grenze auf 13,5 nm gesenkt werden kann.
Siliziumanbieter haben bereits untersucht, wie die nächste Mauer, mit der sie unweigerlich konfrontiert werden, 13,5 nm, zu brechen ist. Ein stark erforschter Bereich auf diesem Gebiet sind selbstorganisierende Nanodrähte. Dies sind lange Polymerketten, die entworfen wurden, um sich in spezifischen Mustern zu organisieren. Eine Gruppe an der Universität von Toronto veröffentlichte einen Artikel3 darüber, wie sie eine Lösung ihrer Polymerketten erhalten haben, um sich in dünnen, gleichmäßig verteilten Linien zu organisieren, die tatsächlich Elektrizität leiten könnten.
Bildnachweis: University of Toronto
Bildnachweis: D-Wave
Quantencomputer und Qubits
Quantum Computing steckt noch in den Kinderschuhen, aber viele glauben, dass es die Zukunft des Computing ist. Es ist unglaublich komplex, deshalb werden wir hier nur die Grundlagen erläutern. Vieles, was auf Quantenebene passiert, ist wirklich seltsam im Vergleich zu dem, was wir täglich sehen. 4 Jahre nach meinem naturwissenschaftlichen Abschluss habe ich immer noch manchmal Probleme, bestimmte Teile der Quantenmechanik zu erfassen.
Vieles, was auf Quantenebene passiert, ist einfach komisch.
Herkömmliche Computer verwenden Bits, die nur einer von zwei Zuständen sein können, entweder 1 oder 0. Ein Qubit (Quantenbit) kann sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden und somit große Datenmengen verarbeiten und speichern. Dies ist auf ein Quantenphänomen zurückzuführen, das als Überlagerung bekannt ist und die Grundlage für die Funktionsweise des Quantencomputers bildet (dies wird üblicherweise mit dem erklärt Schrödingers Katze Analogie).
Quantenverschränkung könnte Sie einfach umhauen.
Ein anderes Phänomen, das als "Verschränkung" bekannt ist, kann auf Quantenebene auftreten, wo ein Teilchenpaar so interagiert, dass sie nicht allein, sondern als Ganzes beschrieben werden können. Dies führt dazu, dass seltsame Dinge passieren, wie z. B. das Ändern des Zustands eines der Partikel und irgendwie des anderen Teilchen werden sich ebenfalls sofort ändern, obwohl sie weit voneinander entfernt sind und keine physikalische Verbindung dazwischen besteht. Das Problem mit einem Qubit ist, dass Sie, wenn Sie versuchen, es direkt zu lesen, auf irgendeine Weise damit interagieren müssen, was seinen Wert ändern würde. Eine Quantenverschränkung löst jedoch möglicherweise das Problem. Wenn Sie das Qubit verwickeln, können Sie sein Paar messen, sodass Forscher den Wert des Qubits ablesen können, ohne ihn tatsächlich zu betrachten.
Letztes Jahr gab Google bekannt, dass sie einen A.I. Labor mit einem 512-Qubit-Quantencomputer, Derzeit ist jedoch ein riesiger Raum voller Werkzeuge erforderlich, um den optimalen Zustand zu gewährleisten Lauf. Aber so begann auch der konventionelle Computer. Es wird weit über zwei Jahrzehnte dauern, bis wir es in unsere Telefone bekommen, aber es ist definitiv ein stark erforschter Bereich, der kontinuierlich wächst.
Das Endergebnis
Der Siliziummarkt ist derzeit so wettbewerbsfähig, dass neue Entdeckungen und Standards schnell auf den Markt gebracht werden. Wir werden sehr bald 3D NAND und LPDDR4 auf unseren Geräten haben, was eine erheblich schnellere Leistung und eine bessere Energieeffizienz bringt. Wir haben einige Bereiche der Forschung erörtert, die großzügig finanziert werden, um Siliziumanbietern einen Vorsprung zu verschaffen aggressiver Markt - obwohl der Wettbewerb in der Technologiebranche immer massiv davon profitiert hat Verbraucher.
R. Bez. Chalkogenid PCM: eine Speichertechnologie für das nächste Jahrzehnt. im Electron Devices Meeting (IEDM), 2009 IEEE International. 2009. ↩
L. L. Liu, C.-F. Pai, Y. Li, H.W. Tseng, D.C. Ralph und R.A. Buhrman, Spin-Torque-Schalten mit dem Giant Spin Hall-Effekt von Tantal, Science, 2012. 336 (6081): p. 555-558. ↩
H. H. Wang, M. A. Winnik und I. Manieren, Synthese und Selbstorganisation von Poly (ferrocenyldimethylsilan-b-2-vinylpyridin) -Diblockcopolymeren, Makromoleküle, 2007. 40 (10): p. 3784-3789. ↩
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