Artikkel

Smartphone Futurology: Vitenskapen bak den neste telefonens prosessor og minne

protection click fraud

Velkommen til Smartphone Futurology. I denne nye serien med vitenskapsfylte artikler, Mobile Nations gjestebidragsyter Shen Ye går gjennom gjeldende teknologier i bruk i telefonene våre, samt de nyeste tingene som fremdeles utvikles i laboratoriet. Det er ganske mye vitenskap framover, ettersom mange av de fremtidige diskusjonene er basert på vitenskapelige papirer med en stor mengde teknisk sjargong, men vi har prøvd å holde ting så enkle og enkle som mulig. Så hvis du vil dykke dypere inn i hvordan tarmene til telefonen din fungerer, er dette serien for deg.

Et nytt år gir sikkerhet for nye enheter å leke med, og det er derfor på tide å se fremover på hva vi kan se i fremtidens smarttelefoner. Den første delen i serien dekket det som er nytt innen batteriteknologi, samtidig som den andre artikkelen så på hva som er neste i verden av mobile skjermer. Seriens tredje del fokuserer på den elektroniske hjernen til våre mobile enheter - SoC (system på en chip) og flashlagring. Fremveksten av smarttelefoner, og hard konkurranse blant konkurrerende produsenter, har fått fart på teknologisk fremgang i begge disse områdene. Og vi er ikke ferdige ennå - det er stadig villere teknologier i horisonten som en dag kan finne veien til fremtidige enheter. Les videre for å finne ut mer.

Om forfatteren

Shen Ye er en Android-utvikler og MSci utdannet kjemi fra University of Bristol. Fang ham på Twitter @shen og Google+ + ShenYe.

Mer i denne serien

Husk å sjekke ut de to første delene av Smartphone Futurology-serien fremtiden for batteriteknologi og smarttelefon display tech. Fortsett å se etter mer de neste ukene.

Snapdragon 801 blokkdiagram Bildekreditt: Qualcomm

Smarttelefonindustrien har enormt akselererte fremskritt innen mikrochipteknologi, både i prosessorer og flashminne. HTC G1 for 6 år siden hadde en 528 MHz prosessor laget ved hjelp av en 65 nanometer prosess, og en 192 MB RAM-modul. Vi har kommet langt siden da, med Qualcomm utgitt 64 bit prosessorer i år ved hjelp av en 20 nm prosess. I denne delen av Smartphone Futurology, vil vi se på fremtidige teknologier i både lagrings- og prosessorkraft, sammen med utfordringer som skal overvinnes hvis vi vil fortsette å akselerere i dette tempoet.

Smarttelefoner bruker en integrert krets kjent som et SoC (system på en chip). Denne pakken inneholder flere komponenter som er nødvendige for at enheten skal fungere i en enkelt brikke, inkludert tilkoblingsradioer, CPU, GPU, multimedia dekodere, etc. Når telefonprodusenter bestemmer seg for SoC de vil bruke, kan de velge pakkevarianten de ønsker, hver med forskjellig CPU-klokkehastighet og størrelse. For eksempel både Nexus 7 (2012) og HTC One X brukte et Tegra 3-brikkesett, men til tross for identisk merkevarebygging er SoC-layout, hastighet og størrelse forskjellige.

Større pakker som firkantede flatpakker pleier å være de billigste, mens mindre som kulefester er dyrere ettersom de krever dyrere prosesser for å oppnå størrelsen. Flaggskipene i 2014 som M8 og S5 hadde SoC lagd under RAM for å spare plass. Imidlertid fungerer disse komponentene veldig likt som en vanlig PC, alle drevet av mikrochips fylt med ufattelig små transistorer.

Transistorer

Antall transistorer i en prosessor har en tendens til å bestemme prosessorkraften.

Transistorer er små halvlederanordninger som kan brukes som brytere eller forsterkere. Antall transistorer i en prosessor har en tendens til å bestemme prosessorkraften. Begrepet for produksjonsprosessen for nanometer definerer størrelsen på prosessoren. Med 20 nm transistorer kan du plassere rundt 250 milliarder av dem på en silisiumskive på størrelse med en negl.

Transistor

Ovenfor er et enkelt diagram over en transistor. Silisiumet er en halvleder som i normal tilstand er isolerende. Når et svakt signal blir introdusert til kontrollporten, kan det nå en terskel der det "doper" regionen av halvleder det er plassert over med et elektrisk felt, noe som får den til å lede strøm og dermed fullfører en forbindelse mellom kilden og avløp. For å stenge kretsen slås kontrollporten bare av. Transistorer er laget ved hjelp av en lang serie med kjemiske etsings- og avleiringsprosesser, men deres produksjonskostnader faller kontinuerlig etter hvert som nye teknikker og optimaliseringer blir oppdaget.

Apple har i økende grad tatt over designen av deres mobile brikkesett. A8X som sendes inne i iPad Air 2 har en egendefinert tri-core ARM CPU og tilpasset oktakjerners PowerFX GPU, for totalt 3 milliarder transistorer on-die.

NVIDIA Jetson

NAND Flash-minne

Flertallet av telefonene bruker NAND flash-minne, en ikke-flyktig type lagring - mer spesifikt EEPROM (Elektrisk slettbart programmerbart skrivebeskyttet minne). I motsetning til hva navnet antyder, er ikke Read Only Memory (ROM) egentlig bare skrivebeskyttet, selv om lesehastighetene definitivt er raskere enn skrivehastigheter. Navnet "NAND flash" er fra NAND-logikkporten (NOT AND eller Negated AND), som produserer en "falsk" utgang hvis inngangen er "true", brukt i transistorer som utgjør NAND flash-lagring.

Flytende porttransistor Bilde: SLC flytende porttransistor

Ovenfor er en illustrasjon av en flytende porttransistor som lagrer informasjon. Det er bare en transistor med en flytende port som er elektrisk isolert med et oksydlag og har ingen elektriske kontakter. Den flytende porten er i stand til å holde en negativ ladning, og dette er det som brukes til å lagre informasjon. Isolasjonen gjør at den kan opprettholde ladningen i veldig lang tid. I single-level cell (SLC) flash har hver flytende gate 2 tilstander hvor den enten er negativt ladet eller ikke har ladning, og kan dermed lagre 1 bit. I multi-level cell (MLC) flash kan hver flytende gate ha flere tilstander avhengig av hvor negativt ladet den er. MLC-blits tillater tettere lagringsmedier sammenlignet med SLC-blits, men den har høyere lese- / skrivefeil på grunn av de mindre forskjellene mellom tilstandene.

NAND flash-minne bruker flytende porter til å lagre en og nuller.

Når du leser tilstanden til en flytende port, bruker den en lignende mekanisme som hvordan en normal transistor fungerer. En spenning påføres kontrollporten for å nå terskelen der forbindelsen mellom kilde og avløp kan være fullført. Spenningen som kreves er proporsjonal med hvor negativt ladet den flytende porten er. Bitverdien til transistoren blir omregnet fra spenningen som kreves for at transistoren skal slå seg på. Når du skriver, må kretsene på en eller annen måte endre ladningen til den flytende porten når den er fullstendig isolert fra andre elektriske komponenter. Det krever et fenomen som kalles "kvantetunnel" - der en partikkel (et elektron i dette tilfellet) kan tunnel gjennom en barriere. Denne skriveprosessen er betydelig mer komplisert og langsommere enn leseprosessen, og dermed er lesehastighetene alltid høyere enn skrivehastighetene.

Charge trap flash (CFT) brukes også i stedet for flytende porttransistorer, mekanismen er nesten identiske bortsett fra CFT-transistorer bruker en tynn film for å lagre den negative ladningen i stedet for en flytende Port. Fordelen deres over flytende port er at de er mer pålitelige, billigere å produsere på grunn av færre prosesser, og de er mindre slik at de har en tettere kapasitet. Dette blir sett på som fremtiden for NAND, da flytende porttransistorer er ekstremt vanskelige å produsere under 20 nm. Imidlertid, med transistorer som nærmer seg størrelser under 20 nm, kan dette bety unviable feilfrekvenser og lave data oppbevaringstider (dvs. enheten kan bli ødelagt hvis du lar den være uten strøm i lengre perioder av tid). Med flytende porttransistorer kan størrelser lavere enn 20 nm øke ladningsinterferensen mellom flytende porter - og dermed øke feil- og korrupsjonsgraden betydelig.

Samsung Samsung oppdaget en måte å transformere hver transistor til en sylindrisk form, og maksimere lagringstettheten.

3D NAND

3D NAND Bildekreditt: Samsung Electronics

3D NAND (noen ganger kjent som Vertical NAND eller V-NAND) ble nylig tilgjengelig for massemarkedet, med Samsungs 850-serie SSD-er som bruker dem. 3D NAND-blits gir raskere ytelse med forbedret levetid og pålitelighet. Opprinnelig kunngjort av Samsung Electronics i fjor, var de i stand til å skalere NAND-teknologi vertikalt i motsetning til den aggressive horisontale skaleringen i det nåværende markedet. Samsung oppdaget en metode for å endre formen på hver transistor til en sylindrisk form og stable lag av disse sylindriske transistorene for å maksimere deres NAND flash-lagringstetthet per område.

3D NAND gir større lagringstetthet og lavere kostnader per gigabyte.

3D NAND-blits gir lavere kostnader per GB, og bringer den nærmere magnetisk lagring (som tradisjonelle mekaniske harddisker). I tillegg hjelper det med å løse nåværende problemer med nedskalering av transistorstørrelser under 20 nm, inkludert reduksjon i interferens mellom transistorer.

Faseendringsblits

Faseendringsblits Bildekreditt: Micron

I siste artikkel av serien diskuterte vi faseendringskrystall IGZO-skjermer som Sharp nylig demo i Aquos-enhetene sine. I stedet for stater med forskjellig ladning, endrer faseendringsmaterialer (PCM) strukturen mellom krystallinsk (ordnet) og amorf (uordnet). Med silisiumleverandører som konkurrerer om å finne en ny teknologi for å erstatte NAND-blits på grunn av skaleringsproblemer under 20nm, dukker faseendringsblits opp som en sterk kandidat.

I år begge deler IBM og Western Digital demonstrerte sin innsats for å lage PCM SSD-er. Sammenlignet med nåværende NAND-minne har faseendringsminne betydelig lavere ventetid - ned fra 70 mikrosekunder til en enkelt mikrosekund. I motsetning til hvordan NAND bruker ladninger, ville PCM ikke ha forstyrrelser med en annen transistor i skalaer under 20 nm så lenge de er isolert.

Faseendrings flash-minne kan begynne å erstatte nåværende NAND-teknologier i løpet av det neste tiåret.

Den for tiden foretrukne PCM er en kalkogenidlegering1. Ved å bruke en liten motstand (varmeapparat) plassert under hver del av kalkogenid, kan materialets fase endres bare ved å justere temperaturen og tiden til en varmepuls fra motstanden. Hver motstand må pakkes inn i en varmeisolator for å forhindre "termisk krysspråk" når varmen fra en motstand påvirker andre "biter" av PCM. Tidsskalaene vi snakker om er i regionen 10-30 nanosekunder, så ekstremt høye skrivehastigheter. Leseprosessen er like rask, med den krystallinske fasen som en bedre leder å lese bitverdien er så enkelt som å føre en liten strøm gjennom PCM og måle dens motstand. Resultatene har vært veldig lovende, og vi bør forvente at faseendringsminnet blir tatt i bruk over dagens NAND-teknologier i løpet av det neste tiåret.

Ikke-flyktig magnetisk RAM (MRAM)

MRAM Bildekreditt: Everspin

Magnetisme ble foreslått som en måte å lagre data på for over et tiår siden, men metoder for produksjon har bare nylig blitt demonstrert2. Denne neste generasjons teknologien er fortsatt langt borte, men har nå gått fra penn og papir til produksjon. Forsinkelsen til MRAM er også langt lavere enn for nåværende NAND-sjetonger, i de lave titalls nanosekunder.

Everspin har inngått et samarbeid med Global Foundries for å produsere magnetisk RAM (ST-MRAM) ved å bruke en 40 nm prosess. TDK også viste fram sin ST-MRAM-teknologi, men bare på 8Mbit sammenlignet med 64Mbit av Everspin. De to selskapene er i et løp om å modne sine MRAM-teknologier for forbrukermarkedet.

LPDDR4

LPDDR4 Bildekreditt: Samsung i morgen

Når de går over til RAM, bruker de fleste nåværende flaggskipsenheter LPDDR3 mobil RAM (LP står for Low Power). Det ble raskt tatt i bruk, og JEDEC publiserte bare LPDDR3-standarden i mai 2012. Tidligere i august publiserte de LPDDR4 standard med Samsung elektronikk ' første 20nm klasse LPDDR4-brikke i stand til å nå datahastigheter på 3200 Mbit / s, 50% høyere enn forrige generasjon og bruker en 10% lavere spenning, og dermed en samlet 40% økning i effektivitet.

Med 2K-skjermer allerede i våre mobile enheter og 4K rundt hjørnet for nettbrett, fortsetter appetitten vår på RAM å vokse. RAM er flyktig - det krever en konstant spenning for å opprettholde lagrede data, så strømforbruket er like viktig som hastighet. Vi vil mest sannsynlig se LPDDR4-brikker i flaggskiptelefonene og nettbrettene våre i 2015, og vi vil være et skritt nærmere å aldri måtte bekymre deg for at bakgrunnsapper slår ned hele enheten.

Produksjon av mikrochip under 20 nm

Mindre produksjonsprosesser lar deg proppe flere transistorer inn i prosessoren ...

Silisiumleverandører som Qualcomm og Intel leter kontinuerlig etter måter å presse flere transistorer på en prosessor for til slutt å øke ytelsen. Vi nevnte ovenfor hvordan NAND-transistorer har problemer med datalagring under 20 nm, for ikke å nevne den enorme nedgangen i produktutbyttet. Et annet problem som for øyeblikket blir grundig undersøkt, er problemet med å overføre design under 20 nm til silisiumplaten.

Nåværende teknikker bruker lys til å projisere designet på en silisiumskive med lysfølsomt materiale - tenk deg å bruke en projektor til å vise et bilde på nanometerskalaen. Når du faller under 20 nm, treffer du noen vanskeligheter med denne litografiprosessen, begrenset av fysikkens lover. Når du kommer til slike små skalaer, begynner lysdiffraksjonen å bli et problem.

Intel-bilde Bildekreditt: Intel

... men når du faller under 20 nm, begynner fysikkens lover å ta igjen deg.

Som du kanskje vet, beveger lys seg som en bølge. Hvis bølgen passerer gjennom et gap (silisiumdesignmalen i dette tilfellet) hvis størrelse er nær lysets bølgelengde, kan den brytes og gi en veldig uskarp overføring. Så sikkert kan vi bare øke lysets bølgelengde, ikke sant? Vel, det løser bare problemene midlertidig til du vil bli enda mindre, i tillegg må du finne et nytt lysfølsomt materiale som vil reagere på den nye bølgelengden av lys. Dette er akkurat det som skjer akkurat nå, med "ekstrem ultrafiolett litografi" (EUV) som neste generasjon litografiteknikker, som er i stand til å presse 20 nm grensen ned til 13,5 nm.

Silicon-leverandører har allerede sett på hvordan de skal bryte den neste murveggen de uunngåelig vil møte, 13,5 nm. Et sterkt forsket område på dette feltet handler om selvmonterende nanotråder. Dette er lange polymerkjeder som er designet for å organisere seg i spesifikke mønstre. En gruppe ved University of Toronto publiserte en artikkel3 om hvordan de fikk en løsning av polymerkjedene for å organisere seg i tynne, jevnt fordelte linjer som faktisk kunne lede strøm.

Diagram Bildekreditt: University of Toronto

DWave-brikke Bildekreditt: D-Wave

Quantum computing og Qubits

Quantum computing er fortsatt i sin spede begynnelse, men mange mener at det er fremtiden for databehandling. Det er utrolig komplisert, så vi skal bare legge ut det grunnleggende her. Mye av det som skjer på kvantenivå er veldig rart i forhold til det vi ser daglig; Fire år etter å ha fullført en vitenskapelig grad har jeg noen ganger problemer med å forstå visse deler av kvantemekanikken.

Mye av det som skjer på kvantenivå er bare veldig rart.

Konvensjonelle datamaskiner bruker biter, som bare kan være en av to tilstander, enten 1 eller 0. En qubit (kvantebit) kan være i flere tilstander samtidig, og er dermed i stand til å behandle og lagre store mengder data. Dette skyldes et kvantefenomen kjent som superposisjon, grunnlaget for hvordan kvanteberegning fungerer (dette forklares ofte med Schrodingers katt analogi).

Sinn. Blåst. Kvanteforvikling kan bare blåse i tankene dine.

Et annet fenomen kjent som "sammenfiltring" kan skje på kvante-nivå, der et par partikler samhandler på en slik måte at de ikke kan beskrives alene, men som en helhet. Dette får rare ting til å skje, for eksempel å endre tilstanden til en av partiklene og på en eller annen måte den andre partikkel vil også øyeblikkelig endres, til tross for at de er langt fra hverandre uten noen fysisk kobling imellom. Problemet med en qubit er at hvis du prøver å lese den direkte, må du samhandle med den på en eller annen måte som vil endre verdien. Imidlertid løser kvantforvikling potensielt problemet. Hvis du vikler inn qubit, kan du måle paret som gjør at forskere kan lese verdien av qubit uten å se på den.

I fjor kunngjorde Google at de lanserte A.I. laboratorium med en 512-qubit kvante datamaskin, men for øyeblikket krever det et stort rom fullt av verktøy for å holde det i den optimale tilstanden til løpe. Men det var også slik den konvensjonelle datamaskinen startet også. Det vil gå over to tiår før vi får det i telefonene våre, men det er absolutt et område med stor etterforskning som kontinuerlig vokser.

Bunnlinjen

Silisiummarkedet er så konkurransedyktig for øyeblikket at nye funn og standarder blir tatt i bruk raskt i markedet. Vi får 3D NAND og LPDDR4 veldig snart til enhetene våre, noe som gir betydelig raskere ytelse og bedre effektivitet. Vi diskuterte noen få forskningsområder som ble generøst finansiert for å hjelpe silisiumleverandører med å få en fordel i aggressivt marked - selv om konkurranse i teknologibransjen alltid har endt opp massivt til fordel for forbruker.

  1. R. Bez. Kalkogenid PCM: en minneteknologi for neste tiår. i Electron Devices Meeting (IEDM), 2009 IEEE International. 2009.

  2. L. Liu, C.-F. Pai, Y. Li, H.W. Tseng, D.C. Ralph og R.A. Buhrman, Spin-Torque Switching with the Giant Spin Hall Effect of Tantalum, Science, 2012. 336 (6081): s. 555-558.

  3. H. Wang, M.A. Winnik og I. Manerer, syntese og selvmontering av poly (ferrocenyldimethylsilane-b-2-vinylpyridin) Diblock-kopolymerer, makromolekyler, 2007. 40 (10): s. 3784-3789.

Dette er de beste trådløse ørepluggene du kan kjøpe til enhver pris!
Det er på tide å kutte ledningen!

Dette er de beste trådløse ørepluggene du kan kjøpe til enhver pris!

De beste trådløse øreproppene er komfortable, høres bra ut, koster ikke for mye og passer lett i lommen.

Alt du trenger å vite om PS5: Utgivelsesdato, pris og mer
Neste generasjon

Alt du trenger å vite om PS5: Utgivelsesdato, pris og mer.

Sony har offisielt bekreftet at de jobber med PlayStation 5. Her er alt vi vet om det så langt.

Nokia lanserer to nye budsjett Android One-telefoner under $ 200
Nye Nokias

Nokia lanserer to nye budsjett Android One-telefoner under $ 200.

Nokia 2.4 og Nokia 3.4 er de siste tilskuddene til HMD Globals budsjett for smarttelefoner. Siden de begge er Android One-enheter, vil de garantert motta to store OS-oppdateringer og vanlige sikkerhetsoppdateringer i opptil tre år.

Sikre hjemmet ditt med disse SmartThings-dørklokkene og låsene
Ding Dong - dører låst

Sikre hjemmet ditt med disse SmartThings-dørklokkene og låsene.

En av de beste tingene med SmartThings er at du kan bruke en rekke andre tredjepartsenheter på systemet ditt, inkludert dørklokker og låser. Siden de i det vesentlige deler den samme SmartThings-støtten, har vi fokusert på hvilke enheter som har de beste spesifikasjonene og triksene for å rettferdiggjøre å legge dem til SmartThings-arsenalet ditt.

instagram story viewer