Tervetuloa älypuhelimen futurologiaan. Tässä uudessa tieteellisissä artikkelisarjassa Mobile Nations vieraileva avustaja Shen Ye käy läpi puhelimissamme käytössä olevan tekniikan sekä laboratoriossa edelleen kehitettäviä huipputekniikoita. Edessä on melko vähän tiedettä, koska suuri osa tulevista keskusteluista perustuu tieteelliseen keskusteluun paperit, joissa on valtava määrä teknistä ammattikieltä, mutta olemme yrittäneet pitää asiat yhtä selkeinä ja yksinkertaisina kuin mahdollista. Joten jos haluat sukeltaa syvemmälle puhelimen suoliston toimintaan, tämä on sarja sinulle.
Uusi vuosi tuo varmuuden uusista laitteista, joiden kanssa voi pelata, joten on aika katsoa eteenpäin, mitä voimme nähdä tulevaisuuden älypuhelimissa. Sarjan ensimmäinen erä kattoi akkutekniikan uudet ominaisuudet, sillä aikaa toisessa artikkelissa tarkasteltiin mobiilinäyttöjen seuraavaa. Sarjan kolmas osa keskittyy mobiililaitteidemme sähköisiin aivoihin - SoC (järjestelmä sirulla) ja flash-muistiin. Älypuhelinten nousu ja kova kilpailu kilpailevien valmistajien välillä on kiihdyttänyt teknologista kehitystä näillä molemmilla alueilla. Ja emme ole vielä tehneet - horisontissa on aina villimpiä tekniikoita, jotka saattavat jonain päivänä löytää tiensä tuleviin laitteisiin. Lue lisää saadaksesi lisätietoja.
Kirjailijasta
Shen Ye on Android-kehittäjä ja MSci valmistunut kemian alalta Bristolin yliopistosta. Ota hänet kiinni Twitterissä @shen ja Google+ + ShenYe.
Lisää tässä sarjassa
Muista tarkistaa Smartphone Futurology -sarjan kaksi ensimmäistä erää, jotka kattavat akkutekniikan tulevaisuus ja älypuhelinten näyttö tekniikka. Jatka katsomista lisää tulevina viikkoina.
Kuvahyvitys: Qualcomm
Älypuhelintoimiala on kiihdyttänyt huomattavasti mikrosirutekniikan kehitystä sekä prosessoreissa että flash-muistissa. Kuuden vuoden takaisella HTC G1: llä oli 528 MHz: n prosessori, joka valmistettiin 65 nanometrin prosessilla, ja 192 Mt RAM-moduuli. Siitä lähtien olemme edenneet pitkälle, kun Qualcomm julkaisi tänä vuonna 64-bittiset prosessorit 20 nm: n prosessilla. Tässä erässä Älypuhelimen futurologia, tarkastelemme tulevaisuuden tekniikoita sekä tallennus- että prosessointitehossa sekä haasteita, jotka on voitettava, jos haluamme jatkaa kiihtymistä tässä tahdissa.
Älypuhelimissa käytetään integroitua piiriä, joka tunnetaan nimellä SoC (järjestelmä sirulla). Tämä niputtaa useita komponentteja, joita tarvitaan laitteen toimimiseksi, kaikki yhdellä sirulla, mukaan lukien liitäntäradiot, CPU, GPU, multimediadekooderit jne. Kun puhelinvalmistajat päättävät haluamastaan SoC: stä, he voivat valita haluamansa pakettivaihtoehdon, joista jokaisella on erilainen suorittimen kellonopeus ja koko. Esimerkiksi sekä Nexus 7 (2012) että HTC One X käytti Tegra 3 -piirisarjaa, mutta identtisestä tuotemerkistä huolimatta SoC: n asettelu, nopeus ja koko ovat erilaiset.
Suuremmat pakkaukset, kuten nelikulmaiset paketit, ovat yleensä edullisimpia, kun taas pienemmät pakkaukset, kuten kuulakiinnikkeet, ovat kalliimpia, koska ne vaativat kalliimpia prosesseja koonsa saavuttamiseksi. Vuoden 2014 lippulaivat, kuten M8 ja S5 oli SoC kerrostettu RAM-muistin alle säästääkseen tilaa. Nämä komponentit toimivat kuitenkin hyvin samalla tavoin kuin tavallisessa tietokoneessa, ja ne kaikki saavat virtansa mikrosiruista, jotka ovat täynnä käsittämättömän pieniä transistoreita.
Transistorit
Transistorien lukumäärä prosessorissa pyrkii määrittämään sen prosessointitehon.
Transistorit ovat pieniä puolijohdelaitteita, joita voidaan käyttää kytkiminä tai vahvistimina. Transistorien lukumäärä prosessorissa pyrkii määrittämään sen prosessointitehon. Nanometrin valmistusprosessi määrittää prosessorin koon. 20 nm: n transistoreilla mahtuu niistä noin 250 miljardia piikiekkoon, joka on kynsien kokoinen.
Yllä on yksinkertainen kaavio transistorista. Pii on puolijohde, joka normaalissa tilassaan on eristävä. Kun ohjausportille tuodaan heikko signaali, se voi saavuttaa kynnyksen, jossa se "himmentää" puolijohdealueen, jonka se on sijoitettu yläpuolelle sähkökentän kanssa, mikä saa sen johtamaan sähköä ja siten muodostamaan yhteyden lähteen ja valua. Piirin sulkemiseksi ohjausportti kytketään yksinkertaisesti pois päältä. Transistorit valmistetaan pitkiä kemiallisia syövytys- ja kerrostamisprosesseja käyttäen, mutta niiden valmistuskustannukset laskevat jatkuvasti, kun uusia tekniikoita ja optimointeja löydetään.
Apple on yhä useammin ottanut haltuunsa mobiilipiirisarjansa. A8X, joka toimitetaan iPad Air 2 on mukautettu kolmen ytimen ARM-suoritin ja mukautettu kahdeksanytiminen PowerFX-näytönohjain, yhteensä 3 miljardille transistorille.
NAND-flash-muisti
Suurin osa puhelimista käyttää NAND-muistitallennustilaa, pysyvää tallennustyyppiä - tarkemmin sanottuna EEPROM-muistia (sähköisesti pyyhittävä ohjelmoitava vain luku -muisti). Päinvastoin kuin nimestä voi päätellä, vain luku -muisti (ROM) ei oikeastaan ole vain luku -muodossa, vaikka lukunopeudet ovat ehdottomasti nopeampia kuin kirjoitusnopeudet. Nimi "NAND flash" on peräisin NAND-logiikkaportista (EI AND tai Negated AND), joka tuottaa "väärän" lähdön, jos tulo on "true", jota käytetään NAND-flash-muistin muodostavissa transistoreissa.
Kuva: SLC-kelluva porttitransistori
Yllä on kuva kelluvasta porttitransistorista, joka tallentaa tietoja. Se on vain transistori, jossa kelluva portti on sähköisesti eristetty oksidikerroksella eikä siinä ole sähkökontakteja. Kelluva portti pystyy pitämään negatiivisen varauksen, ja tätä käytetään tietojen tallentamiseen. Eristyksen avulla se voi ylläpitää varausta hyvin pitkään. Yksitasoisessa (SLC) salamassa jokaisella kelluvalla portilla on 2 tilaa, joissa se on joko negatiivisesti varattu tai ei lataa, joten se voi tallentaa yhden bitin. Monitasoisessa (MLC) salamassa jokaisella kelluvalla portilla voi olla useita tiloja riippuen siitä, kuinka negatiivisesti se on ladattu. MLC-salama sallii tiheämmän tallennusvälineen SLC-salamaan verrattuna, mutta sillä on korkeammat luku- / kirjoitusvirheiden määrät kapeiden tilojen välisten erojen vuoksi.
NAND-flash-muisti käyttää kelluvia portteja ykkösten ja nollien tallentamiseen.
Kun luetaan kelluvan portin tila, se käyttää samanlaista mekanismia kuin normaali transistori toimii. Ohjausportille syötetään jännite kynnyksen saavuttamiseksi, jossa lähteen ja viemärin välinen yhteys voi olla täydellinen. Vaadittu jännite on verrannollinen kelluvan portin negatiiviseen lataukseen. Transistorin bittiarvo muunnetaan jännitteestä, joka tarvitaan transistorin käynnistymiseen. Kirjoittaessaan piirin on muutettava jotenkin kelluvan portin varausta, kun se on täysin eristetty muista sähkökomponenteista. Se vaatii ilmiötä, jota kutsutaan "kvanttitunneliksi" - jossa hiukkanen (tässä tapauksessa elektroni) voi tunneloitua esteen läpi. Tämä kirjoitusprosessi on huomattavasti monimutkaisempi ja hitaampi kuin lukuprosessi, joten lukunopeudet ovat aina suurempia kuin kirjoitusnopeudet.
Latauslaskusalamaa (CFT) käytetään myös kelluvien porttitransistoreiden sijaan, mekanismi on melkein identtiset paitsi CFT-transistorit käyttävät ohutta kalvoa negatiivisen varauksen varastoimiseksi kelluvan sijaan portti. Niiden etu kelluvaan porttiin nähden on, että ne ovat luotettavampia, halvempia valmistaa vähemmän prosessien vuoksi, ja ne ovat pienempiä, joten niiden kapasiteetti on tiheämpi. Tätä pidetään NAND: n tulevaisuutena, koska kelluvia porttitransistoreita on erittäin vaikea valmistaa alle 20 nm: n alueella. Transistoreilla, jotka lähestyvät alle 20 nm: n kokoja, tämä voi tarkoittaa elinkelvottomia virhesuhteita ja alhaisia tietoja Säilytysajat (eli laitteesi voi vioittua, jos jätät sen virtalähteeksi pitkäksi ajaksi aika). Kelluvien porttitransistoreiden alle 20 nm: n koot voivat lisätä kelluvien porttien välistä lataushäiriötä - mikä lisää merkittävästi virheitä ja korruptioprosentteja.
Samsung löysi tavan muuttaa kukin transistori lieriömäiseksi, maksimoimalla varastointitiheys.
3D NAND
Kuvahyvitys: Samsung Electronics
3D NAND (tunnetaan joskus nimellä Vertical NAND tai V-NAND) tuli vasta hiljattain joukkomarkkinoille, ja Samsung 850 -sarjan SSD: t käyttivät niitä. 3D NAND -salama tarjoaa nopeamman suorituskyvyn parantamalla pitkäikäisyyttä ja luotettavuutta. Alun perin Samsung Electronics ilmoitti viime vuonna, että he pystyivät skaalaamaan NAND-tekniikkaa pystysuoraan verrattuna nykyisten markkinoiden aggressiiviseen vaakasuuntaiseen skaalaukseen. Samsung löysi menetelmän kunkin transistorin muodon muuttamiseksi sylinterimäiseksi ja näiden sylinterimäisten transistoreiden kerrosten pinoamiseksi maksimoidakseen niiden NAND-salaman varastointitiheyden aluetta kohti.
3D NAND tuo suuremman tallennustiheyden ja pienemmät kustannukset gigatavua kohden.
3D NAND -salama tuo alhaisemmat kustannukset gigatavua kohden ja tuo sen lähemmäksi magneettisen tallennuksen hintaa (kuten perinteiset mekaaniset kiintolevyt). Lisäksi se auttaa ratkaisemaan nykyiset ongelmat, kun transistorin kokoa pienennetään alle 20 nm, mukaan lukien häiriöiden vähentäminen transistoreiden välillä.
Vaiheenvaihtosalama
Kuvahyvitys: Micron
vuonna viimeinen artikkeli sarjassa keskustelimme vaiheenvaihtokiteen IGZO-näytöistä, jotka Sharp äskettäin esitteli Aquos-laitteissaan. Vaihtomateriaalit (PCM) muuttavat niiden rakenteita kiteisen (järjestetty) ja amorfisen (häiriintynyt) välillä erilaisten varausten sijasta. Kun piimyyjät kilpailevat uuden tekniikan löytämisestä NAND-salaman korvaamiseksi 20 nm: n alapuolella olevista skaalausongelmista johtuen, vaiheenvaihtosalama on nousemassa vahvaksi ehdokkaaksi.
Tänä vuonna molemmat IBM ja Western Digital osoittivat ponnistelunsa PCM SSD: n luomisessa. Nykyiseen NAND-muistiin verrattuna vaihemuutosmuistilla on huomattavasti pienempi viive - 70 mikrosekunnista yhdeksi mikrosekunniksi. Toisin kuin NAND käyttää varauksia, PCM: llä ei olisi häiriöitä toisen transistorin kanssa alle 20 nm: n asteikolla, kunhan ne ovat eristettyjä.
Vaihemuutos Flash-muisti saattaa alkaa korvata nykyiset NAND-tekniikat seuraavan vuosikymmenen aikana.
Tällä hetkellä edullinen PCM on kalkogenidiseos1. Käyttämällä pientä vastusta (lämmitintä), joka on sijoitettu kalkogenidin jokaisen osan alle, materiaalin vaihetta voidaan muuttaa vain säätämällä vastuksen lämpöpulssin lämpötilaa ja aikaa. Jokainen vastus on käärittävä lämpöeristimeen "termisen ristipuhelun" estämiseksi, kun vastuksen lämpö vaikuttaa muihin PCM: n "bitteihin". Aika-asteikot, joista puhumme, ovat 10-30 nanosekunnin alueella, joten kirjoitusnopeus on erittäin nopea. Lukuprosessi on yhtä nopea, jolloin kiteinen vaihe on parempi johtaja bittiarvon lukeminen on yhtä yksinkertaista kuin pienen virran kuljettaminen PCM: n läpi ja sen mittaaminen vastus. Tulokset ovat olleet erittäin lupaavia, ja meidän pitäisi odottaa, että vaihemuutos Flash-muisti otetaan käyttöön nykyisen NAND-tekniikan avulla seuraavan vuosikymmenen aikana.
Haihtumaton magneettinen RAM (MRAM)
Kuvahyvitys: Everspin
Magnetismia ehdotettiin tapa tallentaa tietoja yli vuosikymmen sitten, mutta valmistusmenetelmät on osoitettu vasta äskettäin2. Tämä uuden sukupolven tekniikka on vielä kaukana, mutta on nyt siirtynyt kynästä ja paperista tuotantoon. MRAM: n latenssi on myös huomattavasti pienempi kuin nykyisten NAND-sirujen latenssi, matalilla kymmenillä nanosekunnilla.
Everspin on tehnyt yhteistyötä Global Foundriesin kanssa tuotteen pyörimismomentin magneettiseen RAM-muistiin (ST-MRAM) käyttämällä 40 nm: n prosessia. Myös TDK näytti sen ST-MRAM-tekniikka, vaikkakin vain 8 Mbit: llä verrattuna Everspinin 64 Mbit: iin. Nämä kaksi yritystä kilpailevat MRAM-tekniikoidensa kypsyttämisestä kuluttajamarkkinoille.
LPDDR4
Kuvahyvitys: Samsung Tomorrow
Siirtymällä RAM-muistiin useimmat nykyiset lippulaitteet käyttävät LPDDR3-mobiilimuistia (LP tarkoittaa matalaa virtaa). Sen käyttöönotto markkinoilla oli nopeaa, ja JEDEC julkaisi LPDDR3-standardin vasta toukokuussa 2012. Aiemmin elokuussa he julkaisivat LPDDR4-standardi Samsung-elektroniikan kanssa ' ensimmäinen 20 nm: n luokan LPDDR4-siru kykenee saavuttamaan 3200 Mbit / s datanopeuden, joka on 50% korkeampi kuin edellisen sukupolven, ja käyttää 10% pienempää jännitettä, mikä parantaa energiatehokkuutta yhteensä 40%.
Kun 2K-näytöt ovat jo mobiililaitteissamme ja 4K on nurkan takana tableteille, ruokahalumme RAM-muistiin kasvaa edelleen. RAM on haihtuva - se vaatii jatkuvaa jännitettä tallennettujen tietojensa ylläpitämiseksi, joten virrankulutus on yhtä tärkeää kuin nopeus. Näemme todennäköisesti LPDDR4-sirut lippulaivapuhelimissamme ja -tableteissamme vuonna 2015, ja tulemme olemaan toinen askel lähempänä sitä, että meidän ei tarvitse koskaan huolehtia koko laitteen tukkeutumisesta.
Mikrosirun alle 20 nm: n valmistus
Pienemmät valmistusprosessit mahdollistavat enemmän transistoreita prosessoriin ...
Piinmyyjät, kuten Qualcomm ja Intel, etsivät jatkuvasti tapoja puristaa lisää transistoreita prosessoriin, jotta niiden suorituskyky paranisi. Mainitsimme edellä, kuinka NAND-transistoreilla on ongelmia alle 20 nm: n datan tallennuksella, puhumattakaan tuotteiden tuottojen huomattavasta laskusta. Toinen tällä hetkellä voimakkaasti tutkittu ongelma on kysymys 20 nm: n alapuolisten mallien siirtämisestä piikiekkoon.
Nykyiset tekniikat käyttävät valoa heijastamaan suunnitelman piikiekolle valoherkällä materiaalilla - kuvittele projektorin avulla kuvan näyttämistä nanometrin mittakaavassa. Kun upotat alle 20 nm: n, kohtaat muutamia vaikeuksia tässä litografiaprosessissa, jota fysiikan lait rajoittavat. Kun pääset niin pieniin asteikkoihin, valon diffraktiosta alkaa tulla ongelma.
Kuvahyvitys: Intel
... mutta kun kastut alle 20 nm: n, fysiikan lait alkavat saavuttaa sinut.
Kuten ehkä tiedät, valo kulkee aaltona. Jos aalto kulkee aukon (tässä tapauksessa piimallin malli) läpi, jonka koko on lähellä valon aallonpituutta, se voi hajota ja antaa hyvin hämärän siirron. Joten voimme vain lisätä valon aallonpituutta, eikö? No, se korjaa ongelmat vain väliaikaisesti, kunnes haluat mennä vielä pienemmäksi, lisäksi sinun on löydettävä uusi valoherkkä materiaali, joka reagoi uuteen valon aallonpituuteen. Juuri näin tapahtuu juuri nyt, kun "äärimmäinen ultraviolettilitografia" (EUV) on seuraavan sukupolven litografiatekniikka, joka pystyy työntämään 20 nm: n rajan 13,5 nm: iin.
Piinmyyjät ovat jo tutkineet, kuinka murtaa seuraava väistämättä seuraava tiiliseinä, 13,5 nm. Yksi erittäin tutkittu alue tällä alalla on itse koottavat nanolangat. Nämä ovat pitkiä polymeeriketjuja, jotka on suunniteltu järjestämään itsensä erityisiksi kuvioiksi. Toronton yliopiston ryhmä julkaisi paperin3 kuinka he saivat ratkaisun polymeeriketjuistaan järjestäytyäkseen ohuiksi, tasaisesti sijoitetuiksi linjoiksi, jotka voisivat todella johtaa sähköä.
Kuvahyvitys: Toronton yliopisto
Kuvahyvitys: D-Wave
Kvanttilaskenta ja Qubits
Kvanttilaskenta on vielä lapsenkengissään, mutta monet uskovat sen olevan tietojenkäsittelyn tulevaisuus. Se on uskomattoman monimutkainen, joten aiomme vain esittää perusasiat täällä. Paljon kvanttitasolla tapahtuvaa on todella outoa verrattuna siihen, mitä näemme päivittäin; 4 vuotta luonnontieteellisen tutkinnon suorittamisen jälkeen minulla on joskus ongelmia kvanttimekaniikan tiettyjen osien ymmärtämisessä.
Paljon kvanttitasolla tapahtuvaa on todella outoa.
Tavanomaiset tietokoneet käyttävät bittejä, jotka voivat olla vain yksi kahdesta tilasta, joko 1 tai 0. Kvbitti (kvanttibitti) voi olla useassa tilassa samanaikaisesti ja pystyy siten käsittelemään ja tallentamaan suuria määriä dataa. Tämä johtuu superpositioksi kutsutusta kvantti-ilmiöstä, joka on kvanttilaskennan toiminnan perusta (tämä selitetään yleisesti Schrodingerin kissa analogia).
Kvanttitartunta voi vain räjäyttää mieltäsi.
Toinen "takertumiseksi" kutsuttu ilmiö voi tapahtua kvanttitasolla, jossa hiukkasparit ovat vuorovaikutuksessa siten, että niitä ei voida kuvata yksinään, vaan kokonaisuutena. Tämä aiheuttaa outoja asioita, kuten yhden hiukkasen tilan muuttaminen ja jotenkin toisen myös hiukkaset muuttuvat välittömästi, huolimatta siitä, että ne ovat kaukana toisistaan eikä niiden välillä ole fyysistä yhteyttä. Laajennuksella on se, että jos yrität lukea sen suoraan, sinun on oltava vuorovaikutuksessa sen kanssa jollain tavalla, mikä muuttaisi sen arvoa. Kvanttitartunta ratkaisee kuitenkin ongelman. Jos takertelet kiintolevyn, voit mitata sen parin, jonka avulla tutkijat voivat lukea qubitin arvon katsomatta sitä.
Viime vuonna Google ilmoitti aloittavansa A.I. laboratorio, jossa on 512-qubit kvanttitietokone, vaikka tällä hetkellä se vaatii valtavan huoneen, joka on täynnä työkaluja, jotta se pysyisi optimaalisessa kunnossa juosta. Mutta myös tavallinen tietokone käynnistyi. Kuluu yli kaksi vuosikymmentä ennen kuin saamme sen puhelimeemme, mutta se on ehdottomasti voimakkaasti tutkittu alue, joka kasvaa jatkuvasti.
Alarivi
Piimarkkinat ovat tällä hetkellä niin kilpailukykyisiä, että uusia löytöjä ja standardeja otetaan nopeasti markkinoille. 3D NAND ja LPDDR4 tulevat pian laitteillemme, mikä tuo huomattavasti nopeamman suorituskyvyn ja paremman virrankulutuksen. Keskustelimme muutamasta tutkimusalueesta, joita rahoitetaan runsaasti auttaakseen piimyyjiä saamaan etua aggressiiviset markkinat - vaikka kilpailu teknologiateollisuudessa on aina päätynyt massiiviseen hyötyyn kuluttajalle.
R. Bez. Chalcogenide PCM: muistitekniikka seuraavalle vuosikymmenelle. vuonna Electron Devices Meeting (IEDM), 2009 IEEE International. 2009. ↩
L. Liu, C.-F. Pai, Y. Li, H.W. Tseng, D.C. Ralph ja R.A. Buhrman, Spin-Moment Switching with Giant Spin Hall Effect of Tantaal, Science, 2012. 336 (6081): s. 555-558. ↩
H. Wang, M.A.Winnik ja minä. Poli (ferrosenyylidimetyylisilaani-b-2-vinyylipyridiini) Diblock-kopolymeerien tavat, synteesi ja itsekokoonpano, Macromolecules, 2007. 40 (10): s. 3784-3789. ↩
Nämä ovat parhaat langattomat nappikuulokkeet, joita voit ostaa joka hintaan!
Parhaat langattomat nappikuulokkeet ovat mukavia, kuulostavat hyviltä, eivät maksa liikaa ja sopivat helposti taskuun.
Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää PS5: stä: Julkaisupäivä, hinta ja paljon muuta.
Sony on virallisesti vahvistanut työskentelevänsä PlayStation 5: llä. Tässä on kaikki mitä tiedämme siitä toistaiseksi.
Nokia tuo markkinoille kaksi uutta edullista Android One -puhelinta, joiden hinta on alle 200 dollaria.
Nokia 2.4 ja Nokia 3.4 ovat viimeisimmät lisäykset HMD Globalin budjetin älypuhelinten kokoonpanoon. Koska ne ovat molemmat Android One -laitteita, heille taataan kaksi merkittävää käyttöjärjestelmän päivitystä ja säännöllisiä tietoturvapäivityksiä jopa kolmen vuoden ajan.
Suojaa kotisi näillä SmartThings-ovikelloilla ja lukoilla.
Yksi SmartThingsin parhaista asioista on, että voit käyttää järjestelmässäsi joukkoa muita kolmannen osapuolen laitteita, mukaan lukien ovikellot ja lukot. Koska niillä kaikilla on olennaisilta osin sama SmartThings-tuki, olemme keskittyneet siihen, millä laitteilla on parhaat tekniset tiedot ja perusteet niiden lisäämiseksi SmartThings-arsenaaliin.