Welkom bij Smartphone Futurology. In deze nieuwe reeks wetenschappelijke artikelen, Mobile Nations gastbijdrager Shen Ye doorloopt de huidige technologieën die in onze telefoons worden gebruikt, evenals de meest geavanceerde dingen die nog in het laboratorium worden ontwikkeld. Er ligt nogal wat wetenschap in het verschiet, aangezien veel van de toekomstige discussies op wetenschappelijk zijn gebaseerd kranten met een enorme hoeveelheid technisch jargon, maar we hebben geprobeerd de dingen zo duidelijk en eenvoudig te houden als mogelijk. Dus als je dieper wilt ingaan op hoe het lef van je telefoon werkt, dan is dit de serie voor jou.
Een nieuw jaar brengt de zekerheid van nieuwe apparaten om mee te spelen, en dus is het tijd om vooruit te kijken naar wat we kunnen zien in de smartphones van de toekomst. De eerste aflevering in de serie behandelde wat er nieuw is in batterijtechnologie, terwijl in het tweede artikel werd gekeken naar de toekomst in de wereld van mobiele beeldschermen. Het derde deel van de serie richt zich op het elektronische brein van onze mobiele apparaten: de SoC (systeem op een chip) en flashopslag. Door de opkomst van smartphones en de hevige concurrentie tussen concurrerende fabrikanten is de technologische vooruitgang op beide gebieden versneld. En we zijn nog niet klaar - er zijn steeds wildere technologieën aan de horizon die ooit hun weg naar toekomstige apparaten zullen vinden. Lees verder voor meer informatie.
Over de auteur
Shen Ye is een Android-ontwikkelaar en MSci afgestudeerd in Chemie aan de Universiteit van Bristol. Vang hem op Twitter @shen en Google+ + ShenYe.
Meer in deze serie
Bekijk zeker de eerste twee delen van onze Smartphone Futurology-serie, die betrekking hebben op de toekomst van batterijtechnologie en smartphone schermtechnologie. Blijf de komende weken naar meer kijken.
Afbeelding tegoed: Qualcomm
De smartphonebranche heeft de vooruitgang in microchiptechnologie enorm versneld, zowel in processors als in flash-geheugen. De HTC G1 van 6 jaar geleden had een 528 MHz processor gemaakt met een 65 nanometer proces, en een 192MB RAM module. Sindsdien hebben we een lange weg afgelegd, met Qualcomm die dit jaar 64-bits processors heeft uitgebracht met behulp van een 20 nm-proces. In deze aflevering van Smartphone-futurologiezullen we kijken naar toekomstige technologieën in zowel opslag als verwerkingskracht, samen met uitdagingen die moeten worden overwonnen als we in dit tempo willen blijven versnellen.
Smartphones maken gebruik van een geïntegreerd circuit dat bekend staat als een SoC (systeem op een chip). Dit bundelt meerdere componenten die nodig zijn om het apparaat allemaal in één chip te laten functioneren, inclusief connectiviteitsradio's, CPU, GPU, multimedia-decoders, enz. Wanneer telefoonfabrikanten beslissen welke SoC ze willen gebruiken, kunnen ze de pakketvariant selecteren die ze willen, elk met een andere CPU-kloksnelheid en -grootte. Bijvoorbeeld zowel de Nexus 7 (2012) als HTC One X gebruikte een Tegra 3-chipset, maar ondanks de identieke branding zijn de SoC-lay-out, snelheid en grootte verschillend.
Grotere pakketten, zoals quad flat-pakketten, zijn meestal de goedkoopste, terwijl kleinere, zoals ball-mounts, duurder zijn omdat ze duurdere processen vereisen om hun grootte te bereiken. De vlaggenschepen van 2014, zoals de M8 en S5 had de SoC gelaagd onder het RAM om ruimte te besparen. Deze componenten werken echter op dezelfde manier als die van een normale pc, allemaal aangedreven door microchips gevuld met onvoorstelbaar kleine transistors.
Transistors
Het aantal transistors in een processor heeft de neiging om zijn verwerkingsvermogen te bepalen.
Transistors zijn kleine halfgeleiderapparaten die kunnen worden gebruikt als schakelaars of versterkers. Het aantal transistors in een processor heeft de neiging om zijn verwerkingsvermogen te bepalen. De term nanometerproductieproces definieert de grootte van de processor. Met 20nm-transistors passen er ongeveer 250 miljard op een siliciumwafel ter grootte van een vingernagel.
Hierboven ziet u een eenvoudig diagram van een transistor. Het silicium is een halfgeleider die in zijn normale toestand isolerend is. Wanneer een zwak signaal wordt ingevoerd in de stuurpoort, kan het een drempel bereiken waar het het gebied van de halfgeleider dat het is "dope" boven geplaatst met een elektrisch veld, waardoor het elektriciteit geleidt en zo een verbinding tussen de bron en voltooit afvoer. Om het circuit af te sluiten, wordt de stuurpoort gewoon uitgeschakeld. Transistors worden gemaakt met behulp van een lange reeks chemische ets- en afzettingsprocessen, maar hun fabricagekosten dalen voortdurend naarmate nieuwe technieken en optimalisaties worden ontdekt.
Apple neemt steeds meer het ontwerp van hun mobiele chipsets over. De A8X die wordt geleverd in de iPad Air 2 heeft een aangepaste tri-core ARM CPU en een aangepaste octa-core PowerFX GPU, voor een totaal van 3 miljard transistors on-die.
NAND Flash-geheugen
De meeste telefoons gebruiken NAND-flashgeheugenopslag, een niet-vluchtig type opslag - meer specifiek EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). In tegenstelling tot wat de naam doet vermoeden, is het Read Only Memory (ROM) eigenlijk niet alleen-lezen, hoewel de leessnelheden beslist hoger zijn dan de schrijfsnelheden. De naam "NAND flash" komt van de NAND logische poort (NOT AND of Negated AND), die een "false" output produceert als de input "true" is, gebruikt in de transistors die de NAND flash-opslag vormen.
Afbeelding: SLC floating gate-transistor
Hierboven ziet u een illustratie van een transistor met zwevende poort die informatie opslaat. Het is gewoon een transistor met een zwevende poort die elektrisch is geïsoleerd met een oxidelaag en geen elektrische contacten heeft. De zwevende poort kan een negatieve lading vasthouden en dit is wat wordt gebruikt om informatie op te slaan. Door de isolatie kan het de lading zeer lang behouden. In single-level cell (SLC) flits heeft elke zwevende poort 2 toestanden waarin hij ofwel negatief geladen is of geen lading heeft, en dus 1 bit kan opslaan. In multi-level cell (MLC) flits kan elke zwevende poort meerdere toestanden hebben, afhankelijk van hoe negatief geladen deze is. MLC-flash maakt dichtere opslagmedia mogelijk in vergelijking met SLC-flash, maar het heeft een hogere mate van lees- / schrijffouten vanwege de kleinere verschillen tussen staten.
NAND-flashgeheugen gebruikt zwevende poorten om enen en nullen op te slaan.
Bij het lezen van de toestand van een zwevende poort, gebruikt het een soortgelijk mechanisme als hoe een normale transistor werkt. Een spanning wordt op de stuurpoort aangelegd om de drempel te bereiken waar de verbinding tussen de source en drain kan worden voltooid. De vereiste spanning is evenredig met hoe negatief geladen de zwevende poort is. De bitwaarde van de transistor wordt vertaald uit de spanning die nodig is om de transistor in te schakelen. Tijdens het schrijven moet het circuit op de een of andere manier de lading van de zwevende poort wijzigen wanneer deze volledig is geïsoleerd van andere elektrische componenten. Het vereist een fenomeen dat "kwantumtunneling" wordt genoemd - waarbij een deeltje (in dit geval een elektron) door een barrière kan tunnelen. Dit schrijfproces is aanzienlijk gecompliceerder en langzamer dan het leesproces, dus de leessnelheden zijn altijd hoger dan de schrijfsnelheden.
Charge trap flash (CFT) wordt ook gebruikt in plaats van transistors met zwevende poort, het mechanisme is bijna identiek behalve CFT-transistors gebruiken een dunne film om de negatieve lading op te slaan in plaats van een zwevende poort. Hun voordeel ten opzichte van een vlottende poort is dat ze betrouwbaarder, goedkoper te vervaardigen zijn door minder processen en kleiner zijn, zodat ze een grotere capaciteit hebben. Dit wordt gezien als de toekomst van NAND, aangezien transistors met zwevende poort buitengewoon moeilijk te vervaardigen zijn onder de 20 nm. Met transistors die kleiner zijn dan 20 nm kan dit echter leiden tot onhaalbare foutpercentages en lage gegevens bewaartijden (d.w.z. uw apparaat kan beschadigd raken als u het gedurende langere perioden van tijd). Met transistors met zwevende poort kunnen afmetingen kleiner dan 20 nm de ladingsinterferentie tussen zwevende poorten vergroten, waardoor de fouten- en corruptiepercentages aanzienlijk toenemen.
Samsung ontdekte een manier om elke transistor in een cilindrische vorm te veranderen, waardoor de opslagdichtheid werd gemaximaliseerd.
3D NAND
Afbeelding tegoed: Samsung Electronics
3D NAND (ook wel bekend als Vertical NAND of V-NAND) is pas sinds kort beschikbaar voor de massamarkt, waarbij de Samsung 850-serie SSD's deze gebruiken. 3D NAND-flitser biedt snellere prestaties met verbeterde levensduur en betrouwbaarheid. Oorspronkelijk aangekondigd door Samsung Electronics vorig jaar, waren ze in staat om NAND-technologie verticaal te schalen, in tegenstelling tot de agressieve horizontale schaalvergroting in de huidige markt. Samsung ontdekte een methode om de vorm van elke transistor in een cilindrische vorm te veranderen en lagen van deze cilindrische transistors te stapelen om hun NAND-flashopslagdichtheid per gebied te maximaliseren.
3D NAND zorgt voor een grotere opslagdichtheid en lagere kosten per gigabyte.
3D NAND-flash brengt lagere kosten per GB met zich mee, waardoor het dichter bij die van magnetische opslag komt (zoals traditionele mechanische harde schijven). Bovendien helpt het bij het oplossen van huidige problemen met het verkleinen van transistorgroottes onder 20 nm, inclusief vermindering van interferentie tussen transistors.
Phase Change Flash
Afbeelding tegoed: Micron
In de laatste artikel van de serie bespraken we IGZO-displays van kristal met faseverandering die Sharp onlangs demonstreerde in hun Aquos-apparaten. In plaats van toestanden met verschilladingen veranderen faseovergangsmaterialen (PCM) hun structuur tussen kristallijn (geordend) en amorf (ongeordend). Nu siliciumleveranciers concurreren om een nieuwe technologie te vinden om NAND-flitser te vervangen vanwege problemen met schaalvergroting onder de 20 nm, komt faseveranderingsflits naar voren als een sterke kandidaat.
Dit jaar beide IBM en Western Digital demonstreerden hun inspanningen bij het maken van PCM SSD's. Vergeleken met het huidige NAND-geheugen heeft het faseveranderingsgeheugen een aanzienlijk lagere latentie - van 70 microseconden tot een enkele microseconde. In tegenstelling tot hoe NAND ladingen gebruikt, zou PCM geen interferentie hebben met een andere transistor op een schaal van minder dan 20 nm, zolang ze geïsoleerd zijn.
Faseverandering flash-geheugen kan de huidige NAND-technologieën binnen het volgende decennium gaan vervangen.
De momenteel geprefereerde PCM is een chalcogenide-legering1. Met behulp van een kleine weerstand (verwarmer) die onder elke sectie van chalcogenide is geplaatst, kan de fase van het materiaal worden gewijzigd door de temperatuur en tijd van een warmtepuls van de weerstand aan te passen. Elke weerstand moet in een thermische isolator worden gewikkeld om "thermische overspraak" te voorkomen, wanneer de warmte van een weerstand andere "bits" van PCM beïnvloedt. De tijdschalen waar we het over hebben, liggen in het gebied van 10-30 nanoseconde, dus extreem hoge schrijfsnelheden. Het leesproces is net zo snel, waarbij de kristallijne fase dus een betere geleider is het lezen van de bitwaarde is net zo eenvoudig als het doorgeven van een kleine stroom door de PCM en het meten ervan weerstand. De resultaten zijn veelbelovend en we mogen verwachten dat flash-geheugen met faseverandering binnen de komende tien jaar wordt toegepast op de huidige NAND-technologieën.
Niet-vluchtige magnetische RAM (MRAM)
Afbeelding tegoed: Everspin
Magnetisme werd meer dan tien jaar geleden voorgesteld als een manier om gegevens op te slaan, maar productiemethoden zijn pas onlangs gedemonstreerd2. Deze technologie van de volgende generatie is nog ver weg, maar is nu overgegaan van pen en papier naar productie. De latentie van MRAM is ook veel lager dan die van de huidige NAND-chips, in de lage tientallen nanoseconden.
Everspin werkt samen met Global Foundries om spin-torque magnetische RAM (ST-MRAM) te produceren met behulp van een 40nm-proces. TDK ook schepte op zijn ST-MRAM-technologie, hoewel slechts op 8Mbit vergeleken met de 64Mbit van Everspin. De twee bedrijven zijn in een race om hun MRAM-technologieën voor de consumentenmarkt te rijpen.
LPDDR4
Afbeelding tegoed: Samsung Tomorrow
Als we naar RAM gaan, gebruiken de meeste huidige vlaggenschipapparaten LPDDR3 mobiele RAM (LP staat voor Low Power). De acceptatie ervan op de markt was snel, met JEDEC die pas in mei 2012 de LPDDR3-standaard publiceerde. Eerder in augustus publiceerden ze het LPDDR4-standaard met Samsung elektronica ' eerste 20nm klasse LPDDR4-chip in staat om datasnelheden van 3200 Mbit / s te bereiken, 50% hoger dan die van de vorige generatie en gebruikt een 10% lagere spanning, dus een algehele toename van 40% in energie-efficiëntie.
Met 2K-schermen al op onze mobiele apparaten en 4K om de hoek voor tablets, blijft onze honger naar RAM groeien. RAM is vluchtig - het vereist een constante spanning om de opgeslagen gegevens te behouden, dus stroomverbruik is net zo belangrijk als snelheid. We zullen hoogstwaarschijnlijk LPDDR4-chips zien in onze vlaggenschiptelefoons en -tablets in 2015 en we zullen weer een stap dichterbij zijn, zodat we ons nooit meer zorgen hoeven te maken over achtergrondapps die het hele apparaat vastlopen.
Fabricage van microchips onder 20 nm
Met kleinere productieprocessen kunt u meer transistors in uw processor proppen ...
Siliciumleveranciers zoals Qualcomm en Intel zijn constant op zoek naar manieren om meer transistors op een processor te persen om uiteindelijk hun prestaties te verbeteren. We hebben hierboven vermeld hoe NAND-transistors problemen hebben met gegevensopslag onder de 20 nm, om nog maar te zwijgen van de enorme daling van de productopbrengsten. Een ander probleem dat momenteel zwaar wordt onderzocht, is het probleem met het overbrengen van ontwerpen onder 20 nm naar de siliciumwafel.
De huidige technieken gebruiken licht om het ontwerp te projecteren op een siliciumwafel met lichtgevoelig materiaal - stel je voor dat je een projector gebruikt om een afbeelding op nanometerschaal weer te geven. Wanneer je onder de 20 nm zakt, stuit je op een aantal problemen met dit lithografieproces, beperkt door de wetten van de fysica. Wanneer je op zo'n kleine schaal komt, begint de diffractie van licht een probleem te worden.
Afbeelding tegoed: Intel
... maar als je onder de 20 nm zakt, beginnen de wetten van de natuurkunde je in te halen.
Zoals u wellicht weet, reist licht als een golf. Als de golf door een opening gaat (in dit geval de siliconen ontwerpsjabloon) waarvan de grootte dicht bij de golflengte van het licht ligt, kan deze diffracteren en een zeer wazige overdracht geven. We kunnen dus zeker de golflengte van licht vergroten, toch? Nou, dat lost de problemen slechts tijdelijk op totdat je nog kleiner wilt worden, bovendien zou je een nieuw lichtgevoelig materiaal moeten vinden dat zou reageren op de nieuwe golflengte van licht. Dit is precies wat er op dit moment gebeurt, met "extreme ultraviolet lithography" (EUV) als de volgende generatie lithografietechnieken, die de limiet van 20 nm kan verleggen tot 13,5 nm.
Siliciumverkopers hebben al gekeken hoe ze de volgende bakstenen muur kunnen doorbreken die ze onvermijdelijk zullen tegenkomen, 13,5 nm. Een zeer onderzocht gebied op dit gebied betreft zelfassemblerende nanodraden. Dit zijn lange polymeerketens die zijn ontworpen om zichzelf in specifieke patronen te organiseren. Een groep van de Universiteit van Toronto publiceerde een paper3 over hoe ze een oplossing kregen van hun polymeerketens om zichzelf te organiseren in dunne, gelijkmatig verdeelde lijnen die daadwerkelijk elektriciteit zouden kunnen geleiden.
Beeldkrediet: Universiteit van Toronto
Afbeelding tegoed: D-Wave
Quantum computing en Qubits
Quantum computing staat nog in de kinderschoenen, maar velen geloven dat dit de toekomst van computers is. Het is ongelooflijk complex, dus we gaan hier de basis uiteenzetten. Veel van wat er op kwantumniveau gebeurt, is echt raar vergeleken met wat we dagelijks zien; 4 jaar na mijn bètastudie heb ik nog wel eens problemen met het doorgronden van bepaalde onderdelen van de kwantummechanica.
Veel van wat er op kwantumniveau gebeurt, is gewoon heel raar.
Conventionele computers gebruiken bits, die slechts een van de twee toestanden kunnen hebben, 1 of 0. Een qubit (kwantumbit) kan meerdere toestanden tegelijk hebben en kan daardoor grote hoeveelheden gegevens verwerken en opslaan. Dit komt door een kwantumfenomeen dat bekend staat als superpositie, de basis van hoe kwantumcomputers werken (dit wordt vaak uitgelegd met de De kat van Schrödinger analogie).
Kwantumverstrengeling kan je versteld doen staan.
Een ander fenomeen dat bekend staat als "verstrengeling" kan zich voordoen op kwantumniveau, waar een paar deeltjes op een zodanige manier met elkaar in wisselwerking staan dat ze niet op zichzelf maar als geheel kunnen worden beschreven. Hierdoor gebeuren er rare dingen, zoals het veranderen van de toestand van een van de deeltjes en op de een of andere manier de andere deeltje zal ook ogenblikkelijk veranderen, ondanks dat ze ver uit elkaar liggen en geen fysieke verbinding ertussen. Het probleem met een qubit is dat als je het rechtstreeks probeert te lezen, je er op de een of andere manier mee moet communiceren, waardoor de waarde ervan verandert. Kwantumverstrengeling lost het probleem mogelijk op. Als je de qubit verstrengelt, kun je het paar ervan meten, zodat onderzoekers de waarde van qubit kunnen lezen zonder er echt naar te kijken.
Vorig jaar kondigde Google aan dat ze een A.I. lab met een kwantumcomputer van 512 qubit, hoewel het momenteel een enorme kamer vol gereedschap nodig heeft om het in optimale conditie te houden rennen. Maar zo begon ook de conventionele computer. Het zal ruim twee decennia duren voordat we het in onze telefoons krijgen, maar het is absoluut een zwaar onderzocht gebied dat voortdurend groeit.
het komt neer op
De siliciummarkt is momenteel zo competitief dat nieuwe ontdekkingen en standaarden snel op de markt worden ingevoerd. We zullen binnenkort 3D NAND en LPDDR4 op onze apparaten hebben, wat aanzienlijk snellere prestaties en een betere energie-efficiëntie oplevert. We bespraken een aantal onderzoeksgebieden die genereus worden gefinancierd om siliciumleveranciers te helpen een voorsprong te krijgen in de agressieve markt - hoewel de concurrentie in de technische industrie altijd enorm heeft geprofiteerd van de klant.
R. Bez. Chalcogenide PCM: een geheugentechnologie voor het komende decennium. in Electron Devices Meeting (IEDM), 2009 IEEE International. 2009. ↩
L. Liu, C.-F. Pai, Y. Li, H.W. Tseng, D.C. Ralph en R.A. Buhrman, Spin-Torque Switching met het Giant Spin Hall-effect van Tantalum, Science, 2012. 336 (6081): p. 555-558. ↩
H. Wang, M.A. Winnik en I. Manieren, synthese en zelfassemblage van poly (ferrocenyldimethylsilaan-b-2-vinylpyridine) Diblokcopolymeren, macromoleculen, 2007. 40 (10): p. 3784-3789. ↩
Dit zijn de beste draadloze oordopjes die je voor elke prijs kunt kopen!
De beste draadloze oordopjes zijn comfortabel, klinken geweldig, kosten niet te veel en passen gemakkelijk in een zak.
Alles wat je moet weten over de PS5: releasedatum, prijs en meer.
Sony heeft officieel bevestigd dat het werkt aan de PlayStation 5. Hier is alles wat we er tot nu toe over weten.
Nokia lanceert twee nieuwe budget-Android One-telefoons onder de $ 200.
Nokia 2.4 en Nokia 3.4 zijn de nieuwste toevoegingen aan het budget-smartphone-assortiment van HMD Global. Omdat het beide Android One-apparaten zijn, ontvangen ze gegarandeerd twee belangrijke OS-updates en regelmatige beveiligingsupdates gedurende maximaal drie jaar.
Beveilig je huis met deze SmartThings deurbellen en sloten.
Een van de beste dingen van SmartThings is dat u een hele reeks andere apparaten van derden op uw systeem kunt gebruiken, inclusief deurbellen en sloten. Omdat ze in wezen allemaal dezelfde SmartThings-ondersteuning delen, hebben we ons gefocust op welke apparaten de beste specificaties en trucs hebben om ze toe te voegen aan je SmartThings-arsenaal.