Cikk

Okostelefon futurológia: A következő telefon processzora és memóriája mögött álló tudomány

Üdvözöljük a Smartphone Futurology oldalán. A tudományokkal teli új sorozatban Mobile Nations a közreműködő Shen Ye végigjárja a telefonjainkban használt jelenlegi technológiákat, valamint a laboratóriumban még fejlesztés alatt álló csúcstechnológiát. Elég sok tudomány áll előttünk, mivel a jövőbeli viták nagy része tudományos alapokon nyugszik hatalmas mennyiségű szakzsargonnal ellátott papírok, de megpróbáltuk a dolgokat olyan egyszerűnek és egyszerűnek tartani, mint lehetséges. Tehát, ha mélyebbre kíván merülni a telefon belének működésében, ez a sorozat az Ön számára.

Az új év bizonyosságot nyújt az új eszközökkel, amelyekkel játszani lehet, ezért itt az ideje előre tekinteni arra, hogy mit láthatunk a jövő okostelefonjaiban. A sorozat első része az akkumulátor-technika újdonságaival foglalkozott, miközben a második cikk azt vizsgálta, mi következik a mobil kijelzők világában. A sorozat harmadik része a mobileszközök elektronikus agyára - a SoC-re (rendszer egy chipre) és a flash-tárolásra - összpontosít. Az okostelefonok térnyerése és a rivális gyártók közötti heves verseny mindkét területen felgyorsította a technológiai fejlődés ütemét. És még nem vagyunk készen - valaha vadabb technológiák vannak a láthatáron, amelyek egy napon utat találhatnak a jövőbeni eszközökbe. Olvasson tovább, ha többet szeretne megtudni.

A szerzőről

Shen Ye androidos fejlesztő és MSci végzett a kémia szakon a Bristoli Egyetemen. Fogd el a Twitteren @shen és a Google+ + ShenYe.

Több ebben a sorozatban

Ügyeljen arra, hogy megnézze Smartphone Futurology sorozatunk első két részletét az akkumulátor-technológia jövője és okostelefon kijelző tech. Figyelje tovább az elkövetkező hetekben.

Snapdragon 801 blokkdiagram Kép jóváírása: Qualcomm

Az okostelefon-ipar rendkívül felgyorsította a mikrochip technológia fejlődését, mind a processzorokban, mind a flash memóriában. A 6 évvel ezelőtti HTC G1 528 MHz-es processzorral készült, 65 nanométeres eljárással, és 192 MB RAM-modullal. Azóta hosszú utat tettünk meg, a Qualcomm 64 bites processzorokat adott ki idén 20 nm-es eljárással. Ebben a részletben Okostelefon futurológia, megvizsgáljuk a jövőbeni technológiákat mind a tárolási, mind a feldolgozási teljesítmény terén, valamint a leküzdendő kihívásokat, ha le akarunk gyorsulni ebben a tempóban.

Az okostelefonok SoC-ként ismert integrált áramkört (chipen lévő rendszert) használnak. Ez az eszköz működéséhez szükséges több összetevőt egyetlen chipben csomagolja, beleértve a csatlakozási rádiókat, a CPU-t, a GPU-t, a multimédiás dekódereket stb. Amikor a telefongyártók döntenek a használni kívánt SoC-ről, kiválaszthatják a kívánt csomagváltozatot, mindegyik más és más CPU órajellel és méretgel. Például mind a Nexus 7 (2012), mind a HTC One X Tegra 3 chipsetet használt, de az azonos márkajelzés ellenére az SoC elrendezése, sebessége és mérete eltér.

A nagyobb csomagok, például a négy lapos csomagok általában a legolcsóbbak, míg a kisebbek, például a gömbtartók drágábbak, mivel méretük eléréséhez költségesebb folyamatokat igényelnek. A 2014-es zászlóshajók, mint például a M8 és S5 a SoC-t a RAM alá rakta, hogy helyet takarítson meg. Ezek az alkatrészek azonban nagyon hasonlóan működnek, mint egy normál számítógépé, amelyek mindegyikét elképzelhetetlenül kicsi tranzisztorral töltött mikrochipek működtetik.

Tranzisztorok

A processzorban lévő tranzisztorok száma általában meghatározza annak feldolgozási teljesítményét.

A tranzisztorok apró félvezető eszközök, amelyek kapcsolóként vagy erősítőként használhatók. A processzorban lévő tranzisztorok száma általában meghatározza annak feldolgozási teljesítményét. A nanométeres gyártási folyamat kifejezés meghatározza a processzor méretét. 20 nm-es tranzisztorokkal körülbelül 250 milliárd belefér egy köröm nagyságú szilícium ostyára.

Tranzisztor

Fent a tranzisztor egyszerű ábrája. A szilícium félvezető, amely normál állapotában szigetel. Ha egy gyenge jel kerül a vezérlő kapuhoz, akkor elérheti azt a küszöbértéket, ahol "doppingolja" a félvezető területét elektromos mezővel fent helyezzük el, ami villamos energiát vezet, és ezáltal összekapcsoljuk a forrást és csatorna. Az áramkör lezárásához a vezérlő kaput egyszerűen kikapcsolják. A tranzisztorok kémiai maratási és lerakási folyamatok hosszú sorozatával készülnek, de gyártási költségeik folyamatosan zuhannak, mivel új technikákat és optimalizációkat fedeznek fel.

Az Apple egyre inkább átvette a mobil lapkakészleteik tervezését. Az A8X, amelyet a gép belsejében szállítanak iPad Air 2 rendelkezik egy egyedi hárommagos ARM CPU-val és egyedi nyolcmagos PowerFX GPU-val, összesen 3 milliárd tranzisztorral.

NVIDIA Jetson

NAND Flash memória

A telefonok többsége NAND flash memória tárolást használ, amely nem felejtő típusú tárhely - pontosabban EEPROM (elektromosan törölhető, programozható, csak olvasható memória). A név sugallásával ellentétben az írásvédett memória (ROM) valójában nem csak írásvédett, bár az olvasási sebesség határozottan nagyobb, mint az írási sebesség. A "NAND flash" név a NAND logikai kapujából származik (NOT ÉS vagy Negated AND), amely "hamis" kimenetet eredményez, ha a bemenet "true", amelyet a NAND flash tárolót alkotó tranzisztorokban használnak.

Úszó kaputranzisztor Kép: SLC úszó kaputranzisztor

A fenti ábrán egy lebegő kaputranzisztor látható, amely információkat tárol. Ez csak egy tranzisztor úszó kapuval, amely elektromosan szigetelt oxidréteggel, és nincs elektromos érintkezõje. Az úszó kapu képes negatív töltést tartani, és ezt használják az információk tárolására. A szigetelés lehetővé teszi, hogy nagyon hosszú ideig fenntartsa a töltést. Az egyszintű cellában (SLC) minden egyes lebegő kapunak 2 állapota van, ahol negatív töltésű vagy töltés nélküli, így 1 bit tárolható. Többszintű cella (MLC) villanásban minden úszó kapunak több állapota lehet, attól függően, hogy mennyire negatív töltésű. Az MLC flash lehetővé teszi az SLC flash-hez képest sűrűbb tárolóeszközök használatát, de az államok közötti szűkebb különbségek miatt magasabb az olvasási / írási hiba aránya.

A NAND flash memória lebegő kapukat használ az egyek és a nullák tárolására.

Az úszó kapu állapotának leolvasásakor hasonló mechanizmust alkalmaz, mint egy normál tranzisztor működése. A vezérlő kapun feszültséget alkalmaznak annak a küszöbnek az eléréséhez, ahol a forrás és a lefolyó közötti kapcsolat teljes lehet. A szükséges feszültség arányos az úszó kapu negatív töltésével. A tranzisztor bitértékét a tranzisztor bekapcsolásához szükséges feszültségből alakítják ki. Írás közben az áramkörnek valamilyen módon módosítania kell az úszó kapu töltését, amikor az teljesen el van szigetelve bármely más elektromos alkatrésztől. Szüksége van egy "kvantumalagút" nevű jelenségre - ahol egy részecske (ebben az esetben egy elektron) alagutazhat egy gáton. Ez az írási folyamat lényegesen bonyolultabb és lassabb, mint az olvasási folyamat, így az olvasási sebesség mindig nagyobb, mint az írási sebesség.

A töltéscsillapító vakut (CFT) úszó kaputranzisztorok helyett is használják, a mechanizmus majdnem azonos, kivéve, hogy a CFT tranzisztorok egy vékony filmet használnak a negatív töltés tárolására lebegő helyett kapu. Előnyük az úszó kapuval szemben, hogy megbízhatóbbak, a kevesebb folyamat miatt olcsóbban előállíthatók, és kisebbek, így sűrűbbek a kapacitásuk. Ezt a NAND jövőjének tekintik, mivel a lebegő kaputranzisztorokat rendkívül nehéz 20 nm alatt gyártani. Azonban a tranzisztorok közeledik a 20 nm alatti mérethez, ez életképtelen hibaarányokat és alacsony adatmennyiséget jelenthet megőrzési idő (azaz a készüléke megsérülhet, ha hosszabb ideig áramellátás nélkül hagyja idő). Lebegő kaputranzisztorokkal a 20 nm-nél kisebb méret növelheti az úszó kapuk közötti töltési interferenciát - ezáltal jelentősen megnő a hiba és a korrupció aránya.

Samsung A Samsung felfedezte azt a módszert, hogy az egyes tranzisztorokat hengeres formává alakítsa, maximalizálva a tárolási sűrűséget.

3D NAND

3D NAND Kép jóváírás: Samsung Electronics

A 3D NAND (néha Vertical NAND vagy V-NAND néven ismert) csak nemrég vált elérhetővé a tömegpiac számára, a Samsung 850 sorozatú SSD-ket használva. A 3D NAND vaku gyorsabb teljesítményt nyújt javított élettartam és megbízhatóság mellett. Eredetileg a Samsung Electronics tavaly jelentette be, hogy képesek vertikálisan méretezni a NAND technológiát, szemben a jelenlegi piac agresszív vízszintes méretezésével. A Samsung felfedezte azt a módszert, hogy az egyes tranzisztorok alakját hengeres formára változtassák, és ezeknek a hengeres tranzisztoroknak a rétegeit egymásra rakják, hogy maximalizálják területenként a NAND vakutárolási sűrűségüket.

A 3D NAND nagyobb tárolási sűrűséget és alacsonyabb gigabyte-os költséget jelent.

A 3D NAND vaku alacsonyabb GB-os költséget jelent, és közelebb hozza a mágneses tárhelyéhez (például a hagyományos mechanikus merevlemezekhez). Ezenkívül segít megoldani a 20 nm alatti tranzisztor méretének kicsinyítésével kapcsolatos jelenlegi problémákat, ideértve a tranzisztorok közötti interferencia csökkentését is.

Phase Change Flash

Phase Change Flash Kép jóváírása: Micron

Ban,-ben utolsó cikk sorozatának fázisváltó kristályos IGZO kijelzőiről tárgyaltunk, amelyeket a Sharp nemrégiben bemutatott az Aquos készülékeikben. Különböző töltésű állapotok helyett a fázisváltó anyagok (PCM) megváltoztatják szerkezetüket kristályos (rendezett) és amorf (rendezetlen) között. Mivel a szilícium gyártók versenyeznek a NAND vaku helyettesítésére szolgáló új technológia megtalálásáért a 20 nm alatti méretarányú problémák miatt, a fázisváltó vaku erős jelöltként jelenik meg.

Idén mindkettő IBM és Western Digital bemutatták erőfeszítéseiket a PCM SSD-k létrehozásában. A jelenlegi NAND memóriához képest a fázisváltó memória késése lényegesen alacsonyabb - 70 mikroszekundumból egyetlen mikroszekundumig. Ellentétben azzal, ahogy a NAND használja a töltéseket, a PCM nem zavarna egy másik tranzisztort a 20 nm alatti skálán, mindaddig, amíg el vannak szigetelve.

A fázisváltó flash memória az elkövetkező évtizedben megkezdheti a jelenlegi NAND technológiák helyettesítését.

A jelenleg előnyben részesített PCM egy kalkogenidötvözet1. A halkogenid minden szakasza alatt elhelyezett apró ellenállás (fűtés) segítségével az anyag fázisa megváltoztatható az ellenállás hőimpulzusának hőmérsékletének és idejének beállításával. Minden ellenállást be kell tekerni egy hőszigetelőbe, hogy megakadályozzuk a "hőátbeszélést", amikor az ellenállás hője befolyásolja a PCM többi "bitjét". Az időskálák, amelyekről beszélünk, a 10-30 nanomásodperc közötti tartományban vannak, rendkívül gyors írási sebességgel. Az olvasási folyamat ugyanolyan gyors, így a kristályos fázis jobb vezető A bitérték olvasása olyan egyszerű, mint egy kis áram áthaladása a PCM-en és annak mérése ellenállás. Az eredmények nagyon ígéretesek voltak, és számítani kell arra, hogy az elkövetkező évtizedben a jelenlegi NAND technológiákon keresztül átveszik a fázisváltó flash memóriát.

Nem felejtő mágneses RAM (MRAM)

MRAM Kép jóváírása: Everspin

A mágnesességet több mint egy évtizeddel ezelőtt javasolták az adatok tárolására, de a gyártás módszereit csak nemrég mutatták be2. Ez a következő generációs technológia még mindig messze van, de most a tollról és a papírról a termelésre költözött. Az MRAM késleltetése is jóval alacsonyabb, mint a jelenlegi NAND chipeké, az alacsony tíz tíz másodperc alatt.

Az Everspin a globális öntödékkel áll kapcsolatban a forgatónyomaték mágneses RAM (ST-MRAM) előállításához 40 nm-es eljárással. TDK is megmutatta ST-MRAM technológiája, bár csak 8Mbit-en, az Everspin 64Mbit-hez képest. A két vállalat versenyben áll az MRAM-technológiák kiforrása érdekében a fogyasztói piac számára.

LPDDR4

LPDDR4 Kép jóváírás: Samsung Holnap

A RAM-ra költözve a legtöbb zászlóshajó eszköz LPDDR3 mobil RAM-ot használ (az LP az alacsony fogyasztású készüléket jelenti). Gyorsan elfogadták a piacon, a JEDEC csak 2012 májusában tette közzé az LPDDR3 szabványt. Augusztus elején kiadták a LPDDR4 szabvány a Samsung elektronikájával első 20 nm-es osztályú LPDDR4 chip képes elérni az előző generációnál 50% -kal magasabb 3200 Mbit / s adatátviteli sebességet, és 10% -kal alacsonyabb feszültséget használ, így az energiahatékonyság összességében 40% -kal nő.

Mivel 2K képernyők már vannak mobileszközeinkben, a 4K pedig sarkon van a táblagépeknél, a RAM iránti étvágyunk tovább növekszik. A RAM ingadozó - a tárolt adatok fenntartásához állandó feszültségre van szükség, így az energiafogyasztás ugyanolyan fontos, mint a sebesség. 2015-ben nagy valószínűséggel LPDDR4 chipeket fogunk látni kiemelt telefonjainkban és táblagépeiben, és egy újabb lépéssel közelebb kerülünk ahhoz, hogy soha ne kelljen aggódnunk a háttéralkalmazások miatt, amelyek ellepték az egész eszközt.

20 nm alatti mikrochip gyártása

A kisebb gyártási folyamatok lehetővé teszik, hogy több tranzisztort szorítson a processzorába ...

A szilícium-gyártók, mint a Qualcomm és az Intel, folyamatosan keresik a módját, hogy több tranzisztort préseljenek egy processzorra, hogy végső soron növeljék teljesítményüket. Fentebb említettük, hogy a NAND tranzisztoroknak problémái vannak a 20 nm alatti adattárolással, nem beszélve a termékhozamok hatalmas csökkenéséről. Egy másik probléma, amelyet jelenleg alaposan kutatnak, az a kérdés, hogy a 20 nm-nél kisebb mintákat át kell-e vinni a szilícium ostyába.

A jelenlegi technikák a fény segítségével vetítik ki a tervet egy fényérzékeny anyagú szilícium ostyára - képzeljük el, hogy projektor segítségével nanométeres skálán jelenítünk meg képet. Ha 20 nm alá süllyed, néhány nehézségbe ütközik ezzel a litográfiai folyamattal, amelyet a fizika törvényei korlátoznak. Amikor ilyen kicsi skálákra jut, a fény diffrakciója kérdéssé válik.

Intel kép Kép hitel: Intel

... de amikor 20 nm alá süllyed, a fizika törvényei kezdenek utolérni.

Mint lehet, a fény hullámként halad. Ha a hullám áthalad egy résen (ebben az esetben a szilícium-tervezősablonon), amelynek mérete közel van a fény hullámhosszához, akkor diffrakciója és nagyon homályos átvitele lehet. Tehát biztosan csak növelhetjük a fény hullámhosszát, igaz? Nos, ez csak ideiglenesen oldja meg a problémákat, amíg még kisebbre szeretne menni, ráadásul új fényérzékeny anyagot kell találnia, amely reagál az új hullámhosszra. Pontosan ez történik jelenleg, az "extrém ultraibolya litográfia" (EUV) a litográfiai technikák következő generációja, amely képes a 20 nm-es határt 13,5 nm-re lefelé tolni.

A szilícium-kereskedők már megvizsgálták, hogyan lehet feltörni a következő téglafalat, amellyel elkerülhetetlenül szembe kell nézniük, 13,5 nm-t. Az egyik magasan kutatott terület ezen a területen az önfelépülő nanohuzalok. Ezek hosszú polimer láncok, amelyeket úgy terveztek, hogy sajátos mintákba szerveződjenek. A Toronto Egyetem egyik csoportja publikált egy cikket3 arról, hogy miként kaptak megoldást polimer láncaikból, hogy vékony, egyenletesen elosztott vonalakba szerveződjenek, amelyek valóban áramot tudnának vezetni.

Diagram Kép hitel: Torontói Egyetem

DWave chip Kép jóváírása: D-Wave

Kvantumszámítás és Qubits

A kvantumszámítás még gyerekcipőben jár, de sokan úgy vélik, hogy ez a számítástechnika jövője. Hihetetlenül összetett, ezért itt csak az alapokat fogjuk ismertetni. Sok minden, ami kvantum szinten történik, valóban furcsa ahhoz képest, amit naponta látunk; 4 évvel a tudományos fokozat megszerzése után néha még mindig vannak problémáim a kvantummechanika egyes részeinek megértésében.

Nagyon sok furcsa, ami kvantum szinten történik.

A hagyományos számítógépek biteket használnak, amelyek csak a két állapot egyike lehetnek, 1 vagy 0. A kvóta (kvantumbit) egyszerre több állapotban is lehet, és így nagy mennyiségű adatot képes feldolgozni és tárolni. Ennek oka egy szuperpozícióként ismert kvantumjelenség, a kvantumszámítás működésének alapja (ezt általában a Schrodinger macskája hasonlat).

Ész. Kifulladt. A kvantum összefonódása csak felrobbanthatja az elmédet.

Egy másik, "összefonódás" néven ismert jelenség kvantum szinten történhet meg, ahol egy részecskepár úgy hat egymással, hogy nem önmagukban, hanem egészükben írhatók le. Ez furcsa dolgokat okoz, például megváltoztatja az egyik részecske állapotát, valahogyan a másikat a részecske is azonnal megváltozik, annak ellenére, hogy messze vannak egymástól, és nincs közöttük fizikai kapcsolat. A qubit problémája az, hogy ha megpróbálja közvetlenül elolvasni, akkor valamilyen módon kölcsönhatásba kell lépnie vele, ami megváltoztatja az értékét. A kvantum összefonódása azonban potenciálisan megoldja a problémát. Ha összefonja a kvbitet, megmérheti annak párját, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy anélkül olvassák el a qubit értékét, hogy valóban ránéznének.

Tavaly a Google bejelentette, hogy elindítanak egy A.I. laboratórium egy 512 kvbit kvantum számítógéppel, bár jelenleg hatalmas helyiségre van szükség, tele eszközökkel, hogy az optimális állapotban legyen fuss. De a hagyományos számítógép is így indult. Sokkal több mint 2 évtized telik el, mire a telefonunkba kerülünk, de ez egy határozottan kutatott terület, amely folyamatosan növekszik.

Alsó vonal

A szilíciumpiac jelenleg annyira versenyképes, hogy az új felfedezéseket és szabványokat gyorsan alkalmazzák a piacon. A 3D NAND és az LPDDR4 hamarosan megjelenik készülékeinken, amelyek sokkal gyorsabb teljesítményt és jobb energiahatékonyságot eredményeznek. Megbeszéltünk néhány olyan kutatási területet, amelyet nagyvonalúan finanszíroztak, hogy a szilícium-kereskedők előnyt szerezhessenek a agresszív piac - bár a technológiai iparban folyó verseny mindig masszív hasznot hajtott a fogyasztó.

  1. R. Bez. Chalcogenide PCM: memória technológia a következő évtizedre. az Elektronikus készülékek találkozóján (IEDM), 2009 IEEE International. 2009.

  2. L. Liu, C.-F. Pai, Y. Li, H.W. Tseng, D.C. Ralph és R.A. Buhrman, Forgás-nyomatékváltás a tantál óriási fonócsarnok-hatásával, Science, 2012. 336 (6081): p. 555-558.

  3. H. Wang, M. A. Winnik és én. A poli (ferrocenil-dimetil-szilán-b-2-vinil-piridin) Diblock-kopolimerek módszerei, szintézise és önfelépítése, Macromolecules, 2007. 40 (10): p. 3784-3789.

Ezek a legjobb vezeték nélküli fülhallgatók, amelyeket minden áron megvásárolhat!
Ideje levágni a zsinórt!

Ezek a legjobb vezeték nélküli fülhallgatók, amelyeket minden áron megvásárolhat!

A legjobb vezeték nélküli fülhallgató kényelmes, remekül hangzik, nem kerül túl sokba, és könnyen elfér a zsebében.

Minden, amit tudnia kell a PS5-ről: Kiadás dátuma, ára és még sok más
Következő generációs

Minden, amit tudnia kell a PS5-ről: Kiadás dátuma, ára és még sok más.

A Sony hivatalosan megerősítette, hogy a PlayStation 5-en dolgozik. Itt van minden, amit eddig tudtunk róla.

A Nokia két új, 200 dollár alatti, olcsó Android One telefont dob ​​piacra
Új Nokias

A Nokia két új, 200 dollár alatti, olcsó Android One telefont dob ​​piacra.

A Nokia 2.4 és a Nokia 3.4 a legújabb kiegészítés a HMD Global költségvetési okostelefon-kínálatában. Mivel mindkettő Android One eszköz, garantáltan két fő operációs rendszer frissítést és rendszeres biztonsági frissítést kapnak akár három évig is.

Biztosítsa otthonát ezekkel a SmartThings kapucsengőkkel és zárakkal
Ding Dong - ajtók zárva

Biztosítsa otthonát ezekkel a SmartThings kapucsengőkkel és zárakkal.

Az egyik legjobb dolog a SmartThings-ben, hogy számos más, harmadik féltől származó eszközt használhat a rendszerén, beleértve a csengőket és a zárakat is. Mivel mindegyikük lényegében ugyanazt a SmartThings támogatást osztja meg, arra összpontosítottunk, hogy mely eszközök rendelkeznek a legjobb specifikációkkal és trükkökkel annak igazolására, hogy felvegyék őket a SmartThings arzenáljába.

instagram story viewer