Laipni lūdzam viedtālruņa futuroloģijā. Šajā jaunajā zinātnes rakstu sērijā Mobilās valstis viesu līdzautors Šens Ye iepazīstas ar pašreizējām tehnoloģijām, kas tiek izmantotas mūsu tālruņos, kā arī jaunākajām lietām, kuras joprojām tiek izstrādātas laboratorijā. Priekšā ir diezgan daudz zinātnes, jo daudzu turpmāko diskusiju pamatā ir zinātniskā dokumenti ar milzīgu tehniskā žargona daudzumu, taču mēs esam centušies saglabāt lietas tikpat vienkāršas un vienkāršas kā iespējams. Tātad, ja vēlaties ienirt dziļāk par to, kā darbojas jūsu tālruņa iekšas, šī ir sērija jums.
Jauns gads dod pārliecību par jaunām ierīcēm, ar kurām spēlēt, un tāpēc ir pienācis laiks paskatīties uz priekšu, ko mēs varētu redzēt nākotnes viedtālruņos. Pirmā sērijas daļa aptvēra akumulatoru tehnoloģiju jaunumus, kamēr otrajā rakstā tika apskatīts, kas seko mobilo displeju pasaulē. Sērijas trešā daļa koncentrējas uz mūsu mobilo ierīču elektroniskajām smadzenēm - SoC (sistēma uz mikroshēmas) un zibatmiņu. Viedtālruņu skaita pieaugums un sīva konkurence starp konkurējošiem ražotājiem ir paātrinājusi tehnoloģiskā progresa tempu abās šajās jomās. Un tas vēl nav paveikts - pie horizonta ir arvien mežonīgākas tehnoloģijas, kas kādu dienu var atrast ceļu nākamajās ierīcēs. Lasiet tālāk, lai uzzinātu vairāk.
Par autoru
Shen Ye ir Android izstrādātājs un MSci absolvējis ķīmiju Bristoles universitātē. Noķer viņu čivināt @shen un Google+ + ShenYe.
Vairāk šajā sērijā
Pārbaudiet mūsu Smartphone Futurology sērijas pirmos divus maksājumus akumulatoru tehnoloģiju nākotne un viedtālruņa displeja tehnoloģija. Turpiniet skatīties vairāk nākamajās nedēļās.
Attēlu kredīts: Qualcomm
Viedtālruņu industrija ir ievērojami paātrinājusi progresu mikroshēmu tehnoloģijā gan procesoros, gan zibatmiņā. HTC G1 pirms 6 gadiem bija 528 MHz procesors, kas izgatavots, izmantojot 65 nanometru procesu, un 192 MB RAM modulis. Kopš tā laika mēs esam gājuši tālu, Qualcomm šogad izlaižot 64 bitu procesorus, izmantojot 20 nm procesu. Šajā maksājumā Viedtālruņa futuroloģija, mēs aplūkosim nākotnes tehnoloģijas gan uzglabāšanas, gan apstrādes jaudās, kā arī problēmas, kas jāpārvar, ja vēlamies turpināt paātrināties šajā tempā.
Viedtālruņi izmanto integrētu shēmu, kas pazīstama kā SoC (sistēma mikroshēmā). Tas apvieno vairākus komponentus, kas nepieciešami ierīces darbībai, vienā mikroshēmā, ieskaitot savienojamības radio, CPU, GPU, multivides dekoderus utt. Kad tālruņu ražotāji izlemj par SoC, kuru viņi vēlas izmantot, viņi var izvēlēties sev vēlamo pakotnes variantu, katram no kuriem ir atšķirīgs procesora pulksteņa ātrums un izmērs. Piemēram, gan Nexus 7 (2012), gan HTC One X izmantoja Tegra 3 mikroshēmojumu, taču, neskatoties uz identisko zīmolu, SoC izkārtojums, ātrums un izmērs ir atšķirīgi.
Lielāki iepakojumi, piemēram, kvadrātveida plakanie iepakojumi, parasti ir lētākie, savukārt mazākie, piemēram, lodīšu stiprinājumi, ir dārgāki, jo to izmēru sasniegšanai nepieciešami dārgāki procesi. Tādi 2014. gada flagmaņi kā M8 un S5 lai ietaupītu vietu, SoC bija slāņains zem RAM. Tomēr šie komponenti darbojas ļoti līdzīgi parastā datora komponentiem, kurus visus darbina mikroshēmas, kas piepildītas ar neiedomājami maziem tranzistoriem.
Tranzistori
Procesoru tranzistoru skaitam ir tendence noteikt tā apstrādes jaudu.
Transistori ir niecīgas pusvadītāju ierīces, kuras var izmantot kā slēdžus vai pastiprinātājus. Procesoru tranzistoru skaitam ir tendence noteikt tā apstrādes jaudu. Nanometru ražošanas procesa termins nosaka procesora lielumu. Izmantojot 20 nm tranzistorus, aptuveni 250 miljardus no tiem varat ievietot silikona plāksnītē, kura izmērs ir aptuveni nagu.
Iepriekš ir vienkārša tranzistora diagramma. Silīcijs ir pusvadītājs, kas normālā stāvoklī ir izolējošs. Kad vadības vārtiem tiek ievadīts vājš signāls, tas var sasniegt slieksni, kur tas "nolaista" pusvadītāja reģionu, kurā tas atrodas novietots virs elektriskā lauka, liekot tam vadīt elektrību un tādējādi pabeigt savienojumu starp avotu un iztukšot. Lai slēgtu ķēdi, vadības vārti tiek vienkārši izslēgti. Transistori tiek izgatavoti, izmantojot garu ķīmisko kodināšanas un nogulsnēšanas procesu sēriju, taču to ražošanas izmaksas nepārtraukti samazinās, jo tiek atklātas jaunas metodes un optimizācijas.
Apple arvien vairāk pārņem viņu mobilo mikroshēmu dizainu. A8X, kas tiek piegādāts iekšpusē iPad Air 2 ir pielāgots trīskodolu ARM centrālais procesors un pielāgots astoņkodolu PowerFX GPU, kopā ieslēdzot 3 miljardus tranzistoru.
NAND zibatmiņa
Lielākā daļa tālruņu izmanto NAND zibatmiņas krātuvi, nemainīgu krātuves veidu - precīzāk EEPROM (elektriski izdzēšama programmējama lasāmatmiņa). Pretēji nosaukumam, lasāmatmiņa (ROM) faktiski nav tikai lasāma, lai gan lasīšanas ātrums noteikti ir lielāks nekā rakstīšanas ātrums. Nosaukums "NAND flash" ir radies no NAND loģiskajiem vārtiem (NOT AND vai Negated AND), kas rada "viltus" izvadi, ja ieeja ir "true", ko izmanto tranzistoros, kas veido NAND zibatmiņas krātuvi.
Attēls: SLC peldošo vārtu tranzistors
Augšpusē ir parādīts peldošo vārtu tranzistors, kurā glabājas informācija. Tas ir tikai tranzistors ar peldošiem vārtiem, kas ir elektriski izolēti ar oksīda slāni un bez elektriskiem kontaktiem. Peldošie vārti spēj noturēt negatīvu lādiņu, un tas ir tas, ko izmanto informācijas glabāšanai. Izolācija ļauj uzturēt lādiņu ļoti ilgu laiku. Vienlīmeņa šūnu (SLC) zibspuldzē katram peldošajam vārtiņam ir 2 stāvokļi, kur tie ir vai nu negatīvi uzlādēti, vai arī bez maksas, tādējādi var uzglabāt 1 bitu. Daudzlīmeņu šūnu (MLC) zibspuldzē katram peldošajam vārtam var būt vairāki stāvokļi atkarībā no tā, cik negatīvi tas ir uzlādēts. MLC zibspuldze nodrošina blīvāku datu nesēju salīdzinājumā ar SLC zibspuldzi, taču tai ir augstāks lasīšanas / rakstīšanas kļūdu līmenis šaurāku stāvokļu atšķirību dēļ.
NAND zibatmiņā tiek izmantoti peldošie vārti, lai saglabātu vienumus un nulles.
Lasot peldošo vārtu stāvokli, tas izmanto līdzīgu mehānismu kā normāls tranzistors. Uz vadības vārtiem tiek piemērots spriegums, lai sasniegtu slieksni, kur savienojums starp avotu un noteku var būt pilnīgs. Nepieciešamais spriegums ir proporcionāls tam, cik negatīvi uzlādēti peldošie vārti. Transistora bitu vērtība tiek pārveidota no sprieguma, kas nepieciešams tranzistora ieslēgšanai. Rakstot, shēmai ir kaut kā jāpārveido peldošo vārtu lādiņš, kad tie ir pilnībā izolēti no citiem elektriskiem komponentiem. Tam nepieciešama parādība, ko sauc par "kvantu tunelēšanu" - kur daļiņa (šajā gadījumā elektrons) var tunelēt caur barjeru. Šis rakstīšanas process ir ievērojami sarežģītāks un lēnāks nekā lasīšanas process, tādējādi lasīšanas ātrums vienmēr ir lielāks nekā rakstīšanas ātrums.
Peldošo vārtu tranzistoru vietā tiek izmantota arī uzlādes slazdu zibspuldze (CFT), mehānisms ir gandrīz identiski, izņemot to, ka CFT tranzistori negatīvās lādiņa uzglabāšanai izmanto plānu plēvi, nevis peldošu vārti. Viņu priekšrocība salīdzinājumā ar peldošajiem vārtiem ir tā, ka tie ir uzticamāki, lētāk ražojami, jo ir mazāk procesu, un tie ir mazāki, tāpēc tiem ir blīvāka jauda. To uzskata par NAND nākotni, jo peldošos vārtu tranzistorus ir ārkārtīgi grūti izgatavot zem 20 nm. Tomēr, ja tranzistori tuvojas izmēriem zem 20 nm, tas var nozīmēt nerealizējamu kļūdu līmeni un zemu datu daudzumu saglabāšanas laiks (t.i., jūsu ierīce var sabojāties, ja ilgāku laiku atstājat to bez barošanas laiks). Ar peldošo vārtu tranzistoriem izmēri, kas ir mazāki par 20 nm, var palielināt lādiņu traucējumus starp peldošajiem vārtiem - tādējādi ievērojami palielinot kļūdu un korupcijas līmeni.
Samsung atklāja veidu, kā katru tranzistoru pārveidot cilindriskā formā, maksimāli palielinot uzglabāšanas blīvumu.
3D NAND
Attēlu kredīts: Samsung Electronics
3D NAND (dažreiz pazīstams arī kā Vertical NAND vai V-NAND) tikai nesen kļuva pieejams masu tirgum, tos izmantojot Samsung 850 sērijas SSD. 3D NAND zibspuldze nodrošina ātrāku veiktspēju ar uzlabotu ilgmūžību un uzticamību. Sākotnēji Samsung Electronics paziņoja pagājušajā gadā, viņi varēja NAND tehnoloģiju mērogot vertikāli, nevis agresīvo horizontālo mērogošanu pašreizējā tirgū. Samsung atklāja metodi katra tranzistora formas pārveidošanai cilindriskā formā un šo cilindrisko tranzistoru slāņu sakraušanu, lai maksimāli palielinātu to NAND zibspuldzes uzglabāšanas blīvumu vienā apgabalā.
3D NAND nodrošina lielāku glabāšanas blīvumu un zemākas izmaksas par gigabaitu.
3D NAND zibspuldze nodrošina zemākas izmaksas par GB, tuvinot to magnētiskās atmiņas (piemēram, tradicionālo mehānisko cieto disku) izmaksām. Turklāt tas palīdz atrisināt pašreizējās problēmas ar tranzistoru izmēru samazināšanu zem 20 nm, ieskaitot traucējumu samazināšanu starp tranzistoriem.
Fāzes maiņas zibspuldze
Attēlu kredīts: Micron
Iekš pēdējais raksts sērijas, mēs apspriedām fāzes maiņas kristāla IGZO displejus, kurus Sharp nesen demonstrēja savās Aquos ierīcēs. Fāžu maiņas materiāli (PCM), nevis stāvokļi ar atšķirīgu lādiņu, maina to struktūru starp kristāliskiem (sakārtotiem) un amorfiem (nesakārtotiem). Silīcija pārdevējiem sacenšoties, lai atrastu jaunu tehnoloģiju, lai aizstātu NAND zibspuldzi zem 20 nm mērogošanas problēmu dēļ, fāzu maiņas zibspuldze kļūst par spēcīgu kandidātu.
Šogad gan IBM un Western Digital demonstrēja savus centienus izveidot PCM SSD. Salīdzinot ar pašreizējo NAND atmiņu, fāzes maiņas atmiņai ir ievērojami mazāks latentums - no 70 mikrosekundēm līdz vienai mikrosekundei. Atšķirībā no tā, kā NAND izmanto lādiņus, PCM nebūtu traucējumu citam tranzistoram mērogā zem 20 nm, ja vien tie ir izolēti.
Fāzes maiņas zibatmiņa var sākt aizstāt pašreizējās NAND tehnoloģijas nākamās desmitgades laikā.
Pašlaik vēlamais PCM ir halkogenīdu sakausējums1. Izmantojot nelielu rezistoru (sildītāju), kas novietots zem katras halkogenīda sekcijas, materiāla fāzi var mainīt, tikai pielāgojot rezistora siltuma impulsa temperatūru un laiku. Katrs rezistors ir jāiesaiņo siltumizolatorā, lai novērstu "termisku savstarpēju sarunu", kad rezistora siltums ietekmē citus PCM "bitus". Laika skalas, par kurām mēs runājam, atrodas 10-30 nanosekunžu reģionā, tik ļoti ātrs rakstīšanas ātrums. Lasīšanas process ir tikpat ātrs, ka kristāliskā fāze ir labāks vadītājs bitu vērtības nolasīšana ir tikpat vienkārša kā nelielas strāvas nodošana caur PCM un tā mērīšana pretestība. Rezultāti ir bijuši ļoti daudzsološi, un mums vajadzētu sagaidīt, ka nākamās desmitgades laikā fāzu maiņas zibatmiņa tiks izmantota pašreizējās NAND tehnoloģijās.
Nepastāvīga magnētiskā RAM (MRAM)
Attēlu kredīts: Everspin
Magnētisms kā veids datu glabāšanai tika piedāvāts pirms vairāk nekā desmit gadiem, taču ražošanas metodes tika demonstrētas tikai nesen2. Šī nākamās paaudzes tehnoloģija joprojām ir tālu, taču tagad tā ir pārgājusi no pildspalvas un papīra uz ražošanu. MRAM latentums ir arī ievērojami zemāks nekā pašreizējo NAND mikroshēmu zemo desmitu nanosekunžu laikā.
Everspin ir sadarbojies ar Global Foundries lai izveidotu griezes momenta magnētisko RAM (ST-MRAM), izmantojot 40 nm procesu. TDK arī parādījās tā ST-MRAM tehnoloģija, lai arī tikai ar ātrumu 8Mbit, salīdzinot ar Everspin 64Mbit. Abi uzņēmumi cenšas nobriedināt savas MRAM tehnoloģijas patērētāju tirgum.
LPDDR4
Attēlu kredīts: Samsung Tomorrow
Pārvietojoties uz RAM, lielākā daļa pašreizējo vadošo ierīču izmanto mobilo operētājsistēmu LPDDR3 (LP ir zema enerģijas patēriņa statīvs). Tā ieviešana tirgū notika ātri, un JEDEC LPDDR3 standartu publicēja tikai 2012. gada maijā. Agrāk augustā viņi publicēja LPDDR4 standarts ar Samsung elektroniku pirmā 20nm klases LPDDR4 mikroshēma spēj sasniegt 3200 Mbit / s datu pārraides ātrumu, kas ir par 50% lielāks nekā iepriekšējā paaudzē, un izmanto par 10% zemāku spriegumu, tādējādi kopumā palielinot enerģijas efektivitāti par 40%.
Tā kā 2K ekrāni jau ir mūsu mobilajās ierīcēs un 4K ir ap stūri planšetdatoriem, mūsu apetīte pēc RAM turpina pieaugt. Operatīvā atmiņa ir nepastāvīga - tai ir nepieciešams nemainīgs spriegums, lai saglabātu saglabātos datus, tāpēc enerģijas patēriņš ir tikpat svarīgs kā ātrums. Mēs, visticamāk, redzēsim LPDDR4 mikroshēmas mūsu vadošajos tālruņos un planšetdatoros 2015. gadā, un mēs būsim vēl viens solis tuvāk tam, ka nekad nebūs jāuztraucas par to, ka fona lietotnes aizķer visu ierīci.
Mikroshēmu izgatavošana zem 20 nm
Mazāki ražošanas procesi ļauj iebāzt vairāk tranzistoru procesorā ...
Silīcija ražotāji, piemēram, Qualcomm un Intel, pastāvīgi meklē veidus, kā uz procesora izspiest vairāk tranzistoru, lai galu galā palielinātu to veiktspēju. Iepriekš mēs minējām, kā NAND tranzistoriem ir problēmas ar datu glabāšanu zem 20 nm, nemaz nerunājot par milzīgo produktu ražības samazināšanos. Vēl viena problēma, kas pašlaik tiek intensīvi pētīta, ir problēma ar zem 20 nm lielu dizainparaugu pārvietošanu uz silīcija vafeļu.
Pašreizējie paņēmieni izmanto gaismu, lai projektētu projektu uz silīcija plāksnītes ar gaismai jutīgu materiālu - iedomājieties, ka izmantojat projektoru, lai attēlu parādītu nanometru skalā. Kad jūs nokrītat zemāk par 20 nm, jūs saskaraties ar dažām grūtībām šajā litogrāfijas procesā, kuru ierobežo fizikas likumi. Kad tiekat pie tik mazām skalām, gaismas difrakcija sāk kļūt par problēmu.
Attēlu kredīts: Intel
... bet, kad jūs iegremdējat zem 20 nm, fizikas likumi sāk tevi panākt.
Kā jūs zināt, gaisma pārvietojas kā vilnis. Ja vilnis iziet cauri spraugai (šajā gadījumā silīcija dizaina veidne), kuras izmērs ir tuvu gaismas viļņa garumam, tas var difrakties un radīt ļoti neskaidru pārnesi. Tātad, protams, mēs varam tikai palielināt gaismas viļņa garumu, vai ne? Nu, tas tikai īslaicīgi novērš problēmas, līdz vēlaties kļūt vēl mazāks, turklāt jums būs jāatrod jauns gaismjutīgs materiāls, kas reaģētu uz jauno gaismas viļņa garumu. Tas notiek tieši tagad, kad "ekstremālā ultravioletā litogrāfija" (EUV) ir nākamās paaudzes litogrāfijas paņēmieni, kas spēj nospiest 20 nm robežu līdz 13,5 nm.
Silīcija pārdevēji jau ir izpētījuši, kā nojaukt nākamo ķieģeļu sienu, ar kuru neizbēgami saskarsies 13,5 nm. Viena ļoti pētīta joma šajā jomā ir pašsamontējoši nanvadi. Tās ir garas polimēru ķēdes, kas ir izveidotas, lai sakārtotos pēc īpašiem modeļiem. Toronto Universitātes grupa publicēja rakstu3 par to, kā viņi ieguva savu polimēru ķēžu risinājumu, lai sakārtotos plānās, vienmērīgi izvietotās līnijās, kas faktiski varētu vadīt elektrību.
Attēlu kredīts: Toronto Universitāte
Attēlu kredīts: D-Wave
Kvantu skaitļošana un kvīti
Kvantu skaitļošana joprojām ir sākuma stadijā, taču daudzi uzskata, ka tā ir skaitļošanas nākotne. Tas ir neticami sarežģīts, tāpēc šeit mēs vienkārši izklāstīsim pamatus. Daudz kas no kvantu līmeņa notiek patiešām dīvaini, salīdzinot ar to, ko mēs redzam katru dienu; 4 gadus pēc zinātniskā grāda iegūšanas man dažreiz ir problēmas ar noteiktu kvantu mehānikas daļu izpratni.
Daudz kas notiek kvantu līmenī, ir patiešām dīvaini.
Parastajos datoros tiek izmantoti biti, kas var būt tikai viens no diviem stāvokļiem - 1 vai 0. Kvīts (kvantu bits) vienlaikus var būt vairākos stāvokļos, un tādējādi tas spēj apstrādāt un uzglabāt lielu datu apjomu. Tas ir saistīts ar kvantu parādību, kas pazīstama kā superpozīcija, pamats tam, kā darbojas kvantu skaitļošana (to parasti izskaidro ar Šrodingera kaķis analoģija).
Kvantu sapīšanās var vienkārši izpūst jūsu prātu.
Vēl viena parādība, kas pazīstama kā "sapīšanās", var notikt kvantu līmenī, kur daļiņu pāris mijiedarbojas tā, ka tos nevar aprakstīt atsevišķi, bet gan kā veselumu. Tas izraisa dīvainas lietas, piemēram, mainot vienas daļiņas un kaut kā citas daļiņas stāvokli daļiņa arī uzreiz mainīsies, neskatoties uz to, ka tās atrodas tālu viena no otras un starp tām nav fiziskas saiknes. Kbitija problēma ir tāda, ka, mēģinot to lasīt tieši, jums ar to ir jāsaskaras kaut kādā veidā, kas mainītu tā vērtību. Tomēr kvantu sapīšanās potenciāli atrisina problēmu. Ja jūs sapinat kubitu, varat izmērīt tā pāri, kas ļauj pētniekiem nolasīt kubita vērtību, faktiski to neuzskatot.
Pagājušajā gadā Google paziņoja, ka viņi uzsāk A.I. laboratorija ar 512 kvotu kvantu datoru, lai gan patlaban tam nepieciešama milzīga telpa, kas ir pilna ar rīkiem, lai palīdzētu to uzturēt optimālā stāvoklī palaist. Bet tas ir arī veids, kā sākās parastais dators. Būs pagājis krietni vairāk nekā 2 gadu desmiti, pirms to iegūsim savos tālruņos, taču tā noteikti ir ļoti izpētīta joma, kas nepārtraukti pieaug.
Apakšējā līnija
Silīcija tirgus šobrīd ir tik konkurētspējīgs, ka tirgū ātri tiek ieviesti jauni atklājumi un standarti. 3D NAND un LPDDR4 mūsu ierīcēs nonāks ļoti drīz, nodrošinot ievērojami ātrāku veiktspēju un lielāku enerģijas efektivitāti. Mēs apspriedām dažas pētījumu jomas, kuras tiek dāsni finansētas, lai palīdzētu silīcija pārdevējiem iegūt priekšrocības agresīvs tirgus - kaut arī konkurence tehnoloģiju nozarē vienmēr ir guvusi lielu labumu patērētājs.
R. Bez. Halkogenīda PCM: atmiņas tehnoloģija nākamajai desmitgadei. elektronu ierīču sanāksmē (IEDM), 2009 IEEE International. 2009. ↩
L. Liu, C.-F. Pai, Y. Li, H.W. Tsengs, D.C. Ralfs un R.A. Buhrmans, griezes momenta pārslēgšana ar tantala milzīgā griešanās zāles efektu, zinātne, 2012. 336 (6081): lpp. 555-558. ↩
H. Vanga, M.A. Vinnika un es. Poli (ferrocenildimetilsilāna-b-2-vinilpiridīna) Dibloka kopolimēru paradumi, sintēze un pašsapulce, Macromolecules, 2007. 40 (10): lpp. 3784-3789. ↩
Šie ir labākie bezvadu ausu uzgaļi, kurus varat iegādāties par katru cenu!
Vislabākie bezvadu austiņu korpusi ir ērti, izklausās lieliski, neizmaksā pārāk daudz un viegli ietilpst kabatā.
Viss, kas jums jāzina par PS5: izlaišanas datums, cena un vēl vairāk.
Sony ir oficiāli apstiprinājis, ka strādā pie PlayStation 5. Šeit ir viss, ko mēs par to zinām līdz šim.
Nokia izlaiž divus jaunus budžeta Android One tālruņus zem 200 USD.
Nokia 2.4 un Nokia 3.4 ir jaunākie papildinājumi HMD Global budžeta viedtālruņu klāstā. Tā kā tās abas ir Android One ierīces, tiek garantēts, ka tās saņems divus galvenos OS atjauninājumus un regulārus drošības atjauninājumus līdz trim gadiem.
Nodrošiniet savu māju ar šiem SmartThings durvju zvaniem un slēdzenēm.
Viena no labākajām lietām SmartThings ir tā, ka savā sistēmā varat izmantot virkni citu trešo pušu ierīču, iekļaujot durvju zvani un slēdzenes. Tā kā tām visām būtībā ir vienāds SmartThings atbalsts, mēs esam koncentrējušies uz to, kurām ierīcēm ir vislabākās specifikācijas un triki, lai attaisnotu to pievienošanu jūsu SmartThings arsenālam.