Članak

Futurologija pametnog telefona: znanost koja stoji iza procesora i memorije vašeg sljedećeg telefona

protection click fraud

Dobrodošli u futurologiju pametnih telefona. U ovoj novoj seriji članaka punih znanosti, Mobilne nacije gostujući suradnik Shen Ye prolazi kroz trenutne tehnologije koje se koriste u našim telefonima, kao i vrhunske stvari koje se još uvijek razvijaju u laboratoriju. Pred nama je poprilično znanosti, jer se velik dio budućih rasprava temelji na znanstvenim papiri s ogromnom količinom tehničkog žargona, ali nastojali smo da stvari budu što jednostavnije i jednostavnije moguće. Dakle, ako želite dublje zaroniti u to kako funkcionira utroba vašeg telefona, ovo je serija za vas.

Nova godina donosi sigurnost novih uređaja za igru, pa je vrijeme da pogledamo unaprijed ono što bismo mogli vidjeti na pametnim telefonima budućnosti. Prvi dio u seriji pokrivao je novosti u tehnologiji baterija, dok drugi je članak proučavao sljedeće u svijetu mobilnih zaslona. Treći dio serije usredotočen je na elektronički mozak naših mobilnih uređaja - SoC (sustav na čipu) i flash pohranu. Porast pametnih telefona i jaka konkurencija među suparničkim proizvođačima ubrzali su tempo tehnološkog napretka u oba ova područja. I još nismo gotovi - na pomolu su sve divlje tehnologije koje će jednog dana možda pronaći put do budućih uređaja. Pročitajte kako biste saznali više.

O autoru

Shen Ye je programer za Android i diplomirao je kemiju na Sveučilištu u Bristolu. Uhvatite ga na Twitteru @shen i Google+ + ShenYe.

Više u ovoj seriji

Svakako provjerite prva dva dijela naše serije Smartphone Futurology, koja pokriva budućnost tehnologije baterija i zaslon za pametne telef. Nastavite gledati još sljedećih tjedana.

Blok dijagram Snapdragon 801 Kredit za sliku: Qualcomm

Industrija pametnih telefona neizmjerno je ubrzala napredak u tehnologiji mikročipova, kako u procesorima, tako i u flash memoriji. HTC G1 od prije 6 godina imao je procesor od 528 MHz izrađen pomoću 65 nanometarskog procesa i 192 MB RAM modula. Od tada smo prešli dalek put, Qualcomm je ove godine objavio 64-bitne procesore koristeći 20 nm proces. U ovom dijelu Futurologija pametnih telefona, osvrnut ćemo se na buduće tehnologije i u skladišnoj i u procesorskoj snazi, zajedno s izazovima koje treba prevladati ako želimo nastaviti ubrzati ovim tempom.

Pametni telefoni koriste integrirani krug poznat kao SoC (sustav na čipu). Ovo uključuje više komponenata potrebnih da bi uređaj funkcionirao u jednom čipu, uključujući radio stanice, CPU, GPU, multimedijske dekodere itd. Kada se proizvođači telefona odluče za SoC koji žele koristiti, mogu odabrati varijantu paketa koju žele, a svaka će imati različitu brzinu i veličinu procesora. Na primjer, i Nexus 7 (2012) i HTC One X koristio je Tegra 3 čipset, ali unatoč identičnom brendiranju, raspored, brzina i veličina SoC-a su različiti.

Veći paketi poput četverokatnih paketa obično su najjeftiniji, dok su manji poput nosača kuglica skuplji jer zahtijevaju skuplje procese da bi se postigla njihova veličina. Zastave iz 2014. kao što su M8 i S5 imao SoC sloj ispod RAM-a radi uštede prostora. Međutim, ove komponente djeluju vrlo slično kao i obično računalo, a sve ih pokreću mikročipovi ispunjeni nezamislivo malim tranzistorima.

Tranzistori

Broj tranzistora u procesoru određuje njegovu procesorsku snagu.

Tranzistori su maleni poluvodički uređaji koji se mogu koristiti kao prekidači ili pojačala. Broj tranzistora u procesoru određuje njegovu procesorsku snagu. Pojam proizvodnog procesa nanometra definira veličinu procesora. S 20nm tranzistorima možete ih smjestiti oko 250 milijardi na silicijsku pločicu veličine nokta.

Tranzistor

Iznad je jednostavan dijagram tranzistora. Silicij je poluvodič koji je u svom normalnom stanju izolacijski. Kad se slab signal uvede na upravljačku kapiju, on može doseći prag gdje "dopira" područje poluvodiča u kojem se nalazi postavljen gore s električnim poljem, uzrokujući da provodi električnu energiju i tako dovršava vezu između izvora i odvod. Da bi se krug zatvorio, upravljačka se vrata jednostavno isključuju. Tranzistori se izrađuju pomoću dugog niza kemijskih procesa nagrizanja i taloženja, ali njihovi proizvodni troškovi kontinuirano propadaju kako se otkrivaju nove tehnike i optimizacije.

Apple sve više preuzima dizajn njihovih mobilnih čipseta. A8X koji se isporučuje unutar iPad Air 2 ima prilagođeni trojezgreni ARM CPU i prilagođeni osmojezgreni PowerFX GPU, za ukupno 3 milijarde tranzistora na matricu.

NVIDIA Jetson

NAND Flash memorija

Većina telefona koristi NAND memoriju flash memorije, trajnu memoriju - točnije EEPROM (električno izbrisljiva programabilna memorija samo za čitanje). Suprotno onome što ime sugerira, memorija samo za čitanje (ROM) zapravo nije samo za čitanje, iako su brzine čitanja definitivno veće od brzina pisanja. Naziv "NAND bljeskalica" potječe od logičkih ulaza NAND (NOT AND ili Negated AND), koji daju "lažni" izlaz ako je ulaz "true", koji se koristi u tranzistorima koji čine NAND flash memoriju.

Tranzistor s plutajućim vratima Slika: SLC tranzistor s plutajućim vratima

Iznad je ilustracija tranzistora s plutajućim vratima koji pohranjuje informacije. To je samo tranzistor s plutajućim vratima koji su električno izolirani oksidnim slojem i nemaju električne kontakte. Plutajuća vrata mogu zadržati negativni naboj, a to je ono što se koristi za pohranu podataka. Izolacija mu omogućuje održavanje naboja vrlo dugo. U jednorazinom bljeskalice (SLC) svaka plutajuća vrata imaju 2 stanja u kojima je ili negativno nabijena ili nema naboj, pa može pohraniti 1 bit. U bljeskalici s više razina (MLC) svaka plutajuća vrata mogu imati više stanja, ovisno o tome koliko su negativno nabijena. MLC bljeskalica omogućuje gušće medije za pohranu u usporedbi sa SLC bljeskalicom, ali ima veće stope pogrešaka čitanja / pisanja zbog užih razlika između stanja.

NAND flash memorija koristi plutajuće izlaze za pohranu jedinica i nula.

Kada očitava stanje plutajuće kapije, koristi mehanizam sličan onome kako radi normalni tranzistor. Na upravljačkom se ulazu nanosi napon da bi se postigao prag na kojem veza između izvora i odvoda može biti potpuna. Potrebni napon proporcionalan je negativnom naboju plutajuće kapije. Bitna vrijednost tranzistora prevedena je iz napona potrebnog za uključivanje tranzistora. Tijekom pisanja, sklop mora nekako modificirati naboj plutajuće kapije kad je potpuno izoliran od bilo kojih drugih električnih komponenata. Potreban je fenomen nazvan "kvantno tuneliranje" - gdje čestica (u ovom slučaju elektron) može proći kroz tu barijeru. Ovaj postupak pisanja znatno je složeniji i sporiji od postupka čitanja, pa su brzine čitanja uvijek veće od brzina pisanja.

Bljeskalica zamke za punjenje (CFT) također se koristi umjesto tranzistora s plutajućim vratima, mehanizam je gotovo identični, osim CFT tranzistora, koriste tanki film za spremanje negativnog naboja umjesto plutajućeg vrata. Njihova je prednost nad plutajućim vratima u tome što su pouzdanija, jeftinija za proizvodnju zbog manje procesa, a manja su i gušćeg kapaciteta. To se vidi kao budućnost NAND-a jer je tranzistore s plutajućim vratima izuzetno teško proizvesti ispod 20 nm. Međutim, s tranzistorima koji se približavaju veličinama manjim od 20 nm, to može značiti neisplative stope pogrešaka i niske podatke vremena zadržavanja (tj. vaš uređaj može postati oštećen ako ga ostavite bez napajanja dulje vrijeme od vrijeme). S tranzistorima s plutajućim vratima, veličine niže od 20nm mogu povećati smetnje naboja između plutajućih vrata - što značajno povećava stopu pogrešaka i oštećenja.

Samsung Samsung je otkrio način kako svaki tranzistor transformirati u cilindrični oblik, maksimalizirajući gustoću pohrane.

3D NAND

3D NAND Kredit za sliku: Samsung Electronics

3D NAND (ponekad poznat i kao Vertikalni NAND ili V-NAND) tek je nedavno postao dostupan masovnom tržištu, a SSD-ovi iz Samsung 850 serije ih koriste. 3D NAND bljeskalica omogućuje brže performanse uz poboljšanu dugotrajnost i pouzdanost. Izvorno najavljen od strane Samsung Electronics prošle godine, uspjeli su vertikalno skalirati NAND tehnologiju za razliku od agresivnog vodoravnog skaliranja na trenutnom tržištu. Samsung je otkrio metodu promjene oblika svakog tranzistora u cilindrični oblik i slaganje slojeva tih cilindričnih tranzistora kako bi se povećala njihova gustoća NAND flash memorije po površini.

3D NAND donosi veću gustoću pohrane i niže troškove po gigabajtu.

3D NAND bljeskalica donosi nižu cijenu po GB, približavajući je magnetskoj pohrani (poput tradicionalnih mehaničkih tvrdih diskova). Uz to, pomaže u rješavanju trenutnih problema s smanjenjem veličine tranzistora ispod 20 nm, uključujući smanjenje smetnji između tranzistora.

Bljesak fazne promjene

Bljesak fazne promjene Kredit za sliku: Micron

U zadnji članak serije razgovarali smo o IGZO zaslonima s promjenom faze koji su Sharp nedavno predstavili na svojim Aquos uređajima. Umjesto stanja s različitim nabojima, materijali za promjenu faze (PCM) mijenjaju svoju strukturu između kristalnih (poredanih) i amorfnih (neuređenih). S dobavljačima silicija koji se natječu u pronalaženju nove tehnologije koja će zamijeniti NAND bljeskalicu zbog problema s skaliranjem ispod 20 nm, bljeskalica s promjenom faze pojavljuje se kao snažan kandidat.

Ove godine oboje IBM i Western Digital demonstrirali su svoje napore u stvaranju PCM SSD-ova. U usporedbi s trenutnom NAND memorijom, memorija za promjenu faze ima znatno nižu latenciju - sa 70 mikrosekundi na jednu mikrosekundu. Za razliku od načina na koji NAND koristi naboje, PCM ne bi imao smetnje s drugim tranzistorima na skalama manjim od 20 nm sve dok su izolirani.

Flash memorija s promjenom faze može početi zamijeniti trenutne NAND tehnologije u sljedećem desetljeću.

Trenutno poželjni PCM je slitina halkogenida1. Upotrebom malog otpora (grijača) smještenog ispod svakog dijela halkogenida, faza materijala može se mijenjati samo podešavanjem temperature i vremena impulsa topline iz otpornika. Svaki otpornik mora biti omotan toplinskim izolatorom kako bi se spriječio "termalni unakrsni razgovor", kada toplina otpornika utječe na druge "bitove" PCM-a. Vremenske skale o kojima govorimo nalaze se u području od 10-30 nanosekundi, pa su izuzetno brze brzine pisanja. Proces čitanja je jednako brz, s tim da je kristalna faza bolji vodič čitanje vrijednosti bita jednostavno je poput prolaska male struje kroz PCM i mjerenja njezine vrijednosti otpornost. Rezultati su bili vrlo obećavajući i trebali bismo očekivati ​​da će flash memorija s promjenom faze biti usvojena u skladu s trenutnim NAND tehnologijama u sljedećem desetljeću.

Neisparljivi magnetski RAM (MRAM)

MRAM Kredit za sliku: Everspin

Magnetizam je predložen kao način čuvanja podataka prije više od deset godina, ali metode proizvodnje tek su nedavno demonstrirane2. Ova je tehnologija sljedeće generacije još uvijek daleko, ali sada je od olovke i papira prešla u proizvodnju. Latencija MRAM-a također je znatno niža od one kod trenutnih NAND čipova, u niskih desetaka nanosekundi.

Everspin je udružio suradnju s Global Foundries kako bi se magnetski RAM (ST-MRAM) okretao obrtnim momentom proizvoda postupkom od 40 nm. TDK također pokazao se njegova ST-MRAM tehnologija, premda samo na 8Mbit u usporedbi sa 64Mbit Everspina. Dvije su tvrtke u utrci da sazriju svoje MRAM tehnologije za potrošačko tržište.

LPDDR4

LPDDR4 Kredit za sliku: Samsung sutra

Prelazeći na RAM, većina trenutnih vodećih uređaja koristi LPDDR3 mobilni RAM (LP stalak za malu snagu). Njegovo je usvajanje na tržištu bilo brzo, jer je JEDEC objavio standard LPDDR3 tek u svibnju 2012. Ranije u kolovozu objavili su LPDDR4 standard sa Samsung elektronikom ' prvi čip LPDDR4 klase 20nm sposoban doseći brzine prijenosa podataka od 3200 Mbit / s, 50% više od prethodne generacije i koristi 10% niži napon, što znači ukupno 40% povećanja energetske učinkovitosti.

S 2K zaslonima koji su već u našim mobilnim uređajima i 4K iza ugla za tablete, naš apetit za RAM-om i dalje raste. RAM je hlapljiv - potreban mu je stalni napon da bi se održali njegovi pohranjeni podaci, pa je potrošnja energije jednako važna kao i brzina. Najvjerojatnije ćemo LPDDR4 čipove vidjeti na našim vodećim telefonima i tabletima 2015. godine, a mi ćemo biti još jedan korak bliže tome da nikada nećemo morati brinuti da će pozadinske aplikacije zabiti cijeli uređaj.

Izrada mikročipa ispod 20 nm

Manji proizvodni postupci omogućuju vam da u svoj procesor ugurate više tranzistora ...

Dobavljači silicija poput Qualcomma i Intel neprestano traže načine kako istisnuti više tranzistora na procesor kako bi u konačnici povećali svoje performanse. Gore smo spomenuli kako NAND tranzistori imaju problema sa pohranom podataka ispod 20nm, a da ne spominjemo veliko smanjenje prinosa proizvoda. Sljedeći problem koji se trenutno istražuje je problem prijenosa dizajna ispod 20 nm na silicijsku pločicu.

Trenutne tehnike koriste svjetlost za projektiranje dizajna na silicijsku pločicu s materijalom osjetljivim na svjetlost - zamislite da pomoću projektora prikažete sliku u nanometarskoj skali. Kad padnete ispod 20nm, naiđete na nekoliko poteškoća s ovim litografskim postupkom, ograničenim zakonima fizike. Kad dođete do tako malih razmjera, difrakcija svjetlosti počinje postajati problem.

Intelova slika Kredit za sliku: Intel

... ali kad padnete ispod 20nm, zakoni fizike počinju vas sustizati.

Kao što možda znate, svjetlost putuje kao val. Ako val prođe kroz procjep (u ovom slučaju predložak silicijskog dizajna) čija je veličina blizu valne duljine svjetlosti, može se omesti i dati vrlo zamagljen prijenos. Dakle, sigurno možemo samo povećati valnu duljinu svjetlosti, zar ne? Pa, to samo privremeno rješava probleme dok ne želite postati još manji, uz to biste trebali pronaći novi materijal osjetljiv na svjetlost koji bi reagirao na novu valnu duljinu svjetlosti. Upravo se to događa upravo sada, s tim da je "ekstremna ultraljubičasta litografija" (EUV) sljedeća generacija litografskih tehnika koja je sposobna pomaknuti granicu od 20 nm na 13,5 nm.

Dobavljači silicija već su razmotrili kako razbiti sljedeći zid od opeke s kojim će se neizbježno suočiti, 13,5nm. Jedno visoko istraženo područje na ovom polju je samoinstaliranje nanožiča. To su dugi polimerni lanci koji su dizajnirani da se organiziraju u određene uzorke. Skupina sa Sveučilišta u Torontu objavila je rad3 o tome kako su dobili rješenje svojih polimernih lanaca kako bi se organizirali u tanke, ravnomjerno raspoređene linije koje bi zapravo mogle provoditi električnu energiju.

Dijagram Zasluga za sliku: Sveučilište u Torontu

DWave čip Kredit za sliku: D-Wave

Kvantno računanje i Qubits

Kvantno računanje je još uvijek u povojima, ali mnogi vjeruju da je to budućnost računarstva. Nevjerojatno je složen, pa ćemo ovdje samo izložiti osnove. Mnogo onoga što se događa na kvantnoj razini zaista je čudno u usporedbi s onim što svakodnevno vidimo; Četiri godine nakon doktorata znanosti još uvijek ponekad imam problema sa shvaćanjem određenih dijelova kvantne mehanike.

Mnogo toga što se događa na kvantnoj razini jednostavno je stvarno čudno.

Uobičajena računala koriste bitove, koji mogu biti samo jedno od dva stanja, bilo 1 ili 0. Qubit (kvantni bit) može biti u više stanja istovremeno, a samim time je u mogućnosti obraditi i pohraniti velike količine podataka. To je zbog kvantnog fenomena poznatog kao superpozicija, temelja kako funkcionira kvantno računanje (to se obično objašnjava s Schrodingerova mačka analogija).

Um. Otpuhan. Kvantna zapetljanost možda će vas jednostavno zapanjiti.

Još jedan fenomen poznat kao "zapletanje" može se dogoditi na kvantnoj razini, gdje par čestica međusobno djeluje na takav način da ih se ne može opisati samostalno, već u cjelini. To uzrokuje da se događaju čudne stvari poput promjene stanja jedne i neke druge čestice i čestice će se trenutno promijeniti, unatoč tome što su međusobno daleko, a između njih nema fizičke veze. Problem s qubitom je taj što ako ga pokušate izravno pročitati, morat ćete s njim komunicirati na neki način što bi promijenilo njegovu vrijednost. Međutim, kvantno preplitanje potencijalno rješava problem. Ako zapletete qubit, možete izmjeriti njegov par koji istraživačima omogućuje očitavanje vrijednosti qubita bez da ga zapravo pogledaju.

Google je prošle godine objavio da lansiraju A.I. laboratorij s kvantnim računalom od 512 kubita, iako trenutno zahtijeva ogromnu sobu prepunu alata koji će ga održati u optimalnom stanju trčanje. Ali tako je započelo i uobičajeno računalo. Proći će i više od 2 desetljeća prije nego što ga unesemo u svoje telefone, ali to je definitivno jako istraženo područje koje kontinuirano raste.

Donja linija

Tržište silicija trenutno je toliko konkurentno da se na tržište brzo uvode nova otkrića i standardi. 3D NAND i LPDDR4 dolaze vrlo brzo na naše uređaje, donoseći znatno brže performanse i bolju energetsku učinkovitost. Razgovarali smo o nekoliko područja istraživanja koja se izdašno financiraju kako bi se dobavljačima silicija pomoglo da uđu u prednost agresivno tržište - iako je konkurencija u tehnološkoj industriji uvijek na kraju imala veliku korist za potrošač.

  1. R. Bez. Halkogenid PCM: memorijska tehnologija za sljedeće desetljeće. na sastanku Electron Devices (IEDM), 2009. IEEE International. 2009.

  2. L. Liu, C.-F. Pai, Y. Li, H.W. Tseng, D.C.Ralph i R.A. Buhrman, Spin-Torque Switching s divovskim Spin Hall efektom tantala, Znanost, 2012. 336 (6081): str. 555-558.

  3. H. Wang, M.A.Winnik i ja. Načini, sinteza i samo-montaža poli (ferocenildimetilsilana-b-2-vinilpiridina) diblok-kopolimera, Macromolecules, 2007. 40 (10): str. 3784-3789.

Ovo su najbolje bežične slušalice koje možete kupiti po svakoj cijeni!
Vrijeme je da presiječete kabel!

Ovo su najbolje bežične slušalice koje možete kupiti po svakoj cijeni!

Najbolje bežične slušalice su udobne, zvuče sjajno, ne koštaju previše i lako se stave u džep.

Sve što trebate znati o PS5: Datum izlaska, cijena i još mnogo toga
Iduća generacija

Sve što trebate znati o PS5: Datum izlaska, cijena i još mnogo toga.

Sony je službeno potvrdio da radi na PlayStationu 5. Evo svega što o tome zasad znamo.

Nokia lansira dva nova proračunska Android One telefona ispod 200 dolara
Nove Nokije

Nokia lansira dva nova proračunska Android One telefona ispod 200 dolara.

Nokia 2.4 i Nokia 3.4 najnoviji su dodaci proračunskoj liniji pametnih telefona tvrtke HMD Global. Budući da su oba Android One uređaja, zajamčeno će primati dva glavna ažuriranja OS-a i redovita sigurnosna ažuriranja do tri godine.

Osigurajte svoj dom ovim SmartThings zvonima i bravama
Ding Dong - vrata zaključana

Osigurajte svoj dom ovim SmartThings zvonima i bravama.

Jedna od najboljih stvari o SmartThings je ta što možete koristiti mnoštvo drugih uređaja treće strane na vašem sustavu, uključujući zvona na vratima i brave. Budući da svi oni u osnovi dijele istu podršku za SmartThings, usredotočili smo se na to koji uređaji imaju najbolje specifikacije i trikove kako bi opravdali njihovo dodavanje u vaš arsenal SmartThings.

instagram story viewer