Vitajte v aplikácii Futurológia pre smartphony. V tejto novej sérii článkov naplnených vedou Mobilné národy prispievateľ Shen Ye prechádza aktuálnymi technológiami používanými v našich telefónoch a najnovšími vecami, ktoré sa v laboratóriu stále vyvíjajú. Je pred nami dosť veľa vedy, pretože veľa budúcich diskusií bude založených na vedeckých poznatkoch dokumenty s obrovským množstvom technického žargónu, ale snažili sme sa, aby veci boli také jednoduché a jednoduché možné. Takže ak sa chcete hlbšie ponoriť do toho, ako fungujú vnútornosti vášho telefónu, toto je séria pre vás.
Nový rok prináša istotu nových zariadení, s ktorými sa dá hrať, a tak je čas pozrieť sa dopredu, čo by sme mohli vidieť v smartfónoch budúcnosti. Prvý diel v sérii zahŕňal novinky v oblasti batériových technológií, zatiaľ čo druhý článok sa zameral na to, čo bude ďalej vo svete mobilných displejov. Tretia časť série sa zameriava na elektronické mozgy našich mobilných zariadení - SoC (systém na čipu) a flash úložisko. Vzostup smartfónov a tvrdá konkurencia medzi konkurenčnými výrobcami urýchlili tempo technologického pokroku v oboch týchto oblastiach. A ešte sme neskončili - na obzore sú stále divokejšie technológie, ktoré si jedného dňa môžu nájsť cestu do budúcich zariadení. Čítajte ďalej a dozviete sa viac.
O autorovi
Shen Ye je vývojár pre Android a absolvent MSci v odbore chémia na univerzite v Bristole. Chyťte ho na Twitteri @shen a Google+ + ShenYe.
Viac v tejto sérii
Nezabudnite sa pozrieť na prvé dve časti našej série Futurológia pre smartphony budúcnosť technológie batérií a smartphone displej tech. V nasledujúcich týždňoch sledujte ďalšie informácie.
Obrazový kredit: Qualcomm
Odvetvie inteligentných telefónov mimoriadne zrýchlilo pokrok v technológii mikročipov, a to v procesoroch aj vo flash pamäti. HTC G1 spred 6 rokov mal procesor 528 MHz vyrobený pomocou 65 nanometrového procesu a 192 MB RAM modul. Odvtedy sme prešli dlhú cestu, keď spoločnosť Qualcomm tento rok vydala 64-bitové procesory s využitím 20 nm procesu. V tejto splátke Futurológia smartfónov, sa pozrieme na budúce technológie v oblasti ukladacieho aj spracovateľského výkonu a na výzvy, ktoré je potrebné prekonať, ak chceme týmto tempom pokračovať v akcelerácii.
Smartfóny využívajú integrovaný obvod známy ako SoC (systém na čipu). Poskytuje viac komponentov potrebných na to, aby zariadenie fungovalo v jednom čipe, vrátane pripojovacích rádií, CPU, GPU, multimediálnych dekodérov atď. Keď sa výrobcovia telefónov rozhodnú pre SoC, ktorý chcú použiť, môžu si zvoliť variant balenia, ktorý by chceli, každý s iným taktom a veľkosťou procesora. Napríklad Nexus 7 (2012) a HTC One X použil čipset Tegra 3, ale napriek identickému označeniu je rozloženie, rýchlosť a veľkosť SoC odlišné.
Väčšie balenia, ako sú štvorcové ploché balenia, bývajú najlacnejšie, zatiaľ čo menšie balenia, ako sú napríklad uchytenia na gule, sú nákladnejšie, pretože na dosiahnutie svojej veľkosti vyžadujú nákladnejšie procesy. Vlajkové lode roku 2014, ako napríklad M8 a S5 mal vrstvu SoC pod RAM, aby šetril miesto. Tieto komponenty však fungujú veľmi podobne ako bežné počítače, všetky sú napájané z mikročipov naplnených nepredstaviteľne malými tranzistormi.
Tranzistory
Počet tranzistorov v procesore má tendenciu určovať jeho výpočtový výkon.
Tranzistory sú malé polovodičové zariadenia, ktoré možno použiť ako prepínače alebo zosilňovače. Počet tranzistorov v procesore má tendenciu určovať jeho výpočtový výkon. Pojem výrobný proces v nanometroch definuje veľkosť procesora. S 20nm tranzistormi ich zmestíte asi 250 miliárd na kremíkovú doštičku veľkú asi ako necht.
Hore je jednoduchá schéma tranzistora. Kremík je polovodič, ktorý je v normálnom stave izolačný. Keď sa do riadiacej brány zavedie slabý signál, môže dosiahnuť prahovú hodnotu, keď „dopuje“ oblasť polovodiča, ktorou je umiestnené vyššie s elektrickým poľom, ktoré spôsobuje jej vedenie elektriny, a tým dokončuje spojenie medzi zdrojom a vypustiť. Na uzavretie obvodu sa ovládací panel jednoducho vypne. Tranzistory sa vyrábajú pomocou dlhej série procesov chemického leptania a nanášania, ale ich výrobné náklady sa neustále znižujú, keď sú objavené nové techniky a optimalizácie.
Apple čoraz viac preberá dizajn svojich mobilných čipsetov. A8X, ktorý sa dodáva vo vnútri iPad Air 2 má vlastný trojjadrový procesor ARM a vlastný osemjadrový grafický procesor PowerFX, teda celkovo 3 miliardy tranzistorov v prevádzke.
NAND Flash pamäť
Väčšina telefónov používa pamäť NAND flash, energeticky nezávislý typ pamäte - presnejšie EEPROM (elektricky mazateľná programovateľná pamäť iba na čítanie). Na rozdiel od toho, čo naznačuje názov, pamäť ROM iba na čítanie nie je v skutočnosti iba na čítanie, aj keď rýchlosť čítania je určite vyššia ako rýchlosť zápisu. Názov „NAND flash“ pochádza z logickej brány NAND (NOT AND alebo Negated AND), ktorá vytvára „nepravdivý“ výstup, ak je vstup „true“, ktorý sa používa v tranzistoroch, ktoré tvoria úložisko NAND flash.
Obrázok: Tranzistor s plávajúcou bránou SLC
Hore je ilustrácia tranzistora s plávajúcou bránou, ktorá uchováva informácie. Je to len tranzistor s plávajúcim hradlom elektricky izolovaným vrstvou oxidu a nemá žiadne elektrické kontakty. Plávajúca brána je schopná pojať záporný náboj a to sa používa na ukladanie informácií. Izolácia umožňuje udržiavať náboj veľmi dlho. V blesku s jednou úrovňou (SLC) má každá plávajúca brána 2 stavy, v ktorých je buď negatívne nabitá, alebo nemá žiadny náboj, a teda dokáže uložiť 1 bit. Vo viacúrovňových bunkách (MLC) môže mať každá plávajúca brána viac stavov v závislosti od toho, ako je negatívne nabitá. MLC flash umožňuje v porovnaní s bleskom SLC hustejšie úložné médium, má však vyššiu mieru chýb pri čítaní a zápise kvôli užším rozdielom medzi stavmi.
Flash NAND flash používa plávajúce brány na ukladanie jednotiek a núl.
Pri čítaní stavu plávajúcej brány používa podobný mechanizmus, ako funguje normálny tranzistor. Na riadiacu bránu je privádzané napätie, aby sa dosiahol prah, pri ktorom môže byť spojenie medzi zdrojom a odtokom dokončené. Potrebné napätie je úmerné tomu, ako je záporne nabitá plávajúca brána. Bitová hodnota tranzistora sa prevedie z napätia potrebného na jeho zapnutie. Pri písaní musia obvody nejako upravovať náboj plávajúcej brány, keď je úplne izolovaná od akýchkoľvek iných elektrických komponentov. Vyžaduje jav nazývaný „kvantové tunelovanie“ - kedy môže častica (v tomto prípade elektrón) tunelovať cez bariéru. Tento proces zápisu je podstatne komplikovanejší a pomalší ako proces čítania, takže rýchlosti čítania sú vždy vyššie ako rýchlosti zápisu.
Namiesto tranzistorov s plávajúcou bránou sa tiež používa blesk Charge trap (CFT), mechanizmus je takmer identické okrem tranzistorov CFT používajú tenký film na ukladanie záporného náboja namiesto plávajúceho brána. Ich výhodou oproti plávajúcej bráne je, že sú spoľahlivejšie, lacnejšie sa vyrábajú vďaka menšiemu počtu procesov a sú menšie, takže majú hustejšiu kapacitu. Toto sa chápe ako budúcnosť NAND, pretože výroba tranzistorov s plávajúcou bránou je extrémne zložitá pri výrobe pod 20 nm. Avšak s tranzistormi, ktoré sa blížia k veľkostiam pod 20 nm, to môže znamenať životaschopnú chybovosť a nízke údaje retenčné časy (t. j. zariadenie sa môže poškodiť, ak ho necháte bez napájania dlhší čas čas). S tranzistormi s pohyblivou bránou môžu veľkosti menšie ako 20 nm zvýšiť interferenciu náboja medzi plávajúcimi bránami - a tak výrazne zvýšiť mieru chýb a korupcie.
Spoločnosť Samsung objavila spôsob, ako transformovať každý tranzistor na valcovitý tvar a maximalizovať tak hustotu úložiska.
3D NAND
Obrazový kredit: Samsung Electronics
3D NAND (niekedy známy ako Vertical NAND alebo V-NAND) sa na masový trh dostal až nedávno, keď ich používali SSD disky Samsung série 850. Flash 3D NAND poskytuje rýchlejší výkon so zlepšenou životnosťou a spoľahlivosťou. Spoločnosť Samsung Electronics, ktorú pôvodne oznámili minulý rok, dokázali škálovať technológiu NAND vertikálne, na rozdiel od agresívneho horizontálneho škálovania na súčasnom trhu. Spoločnosť Samsung objavila metódu zmeny tvaru každého tranzistora do valcového tvaru a ukladania vrstiev týchto valcových tranzistorov na maximalizáciu ich hustoty úložiska blesku NAND na plochu.
3D NAND prináša väčšiu hustotu úložiska a nižšie náklady na gigabajt.
3D NAND flash prináša nižšie náklady na GB a približuje sa tak k magnetickému úložisku (ako tradičné mechanické pevné disky). Ďalej pomáha riešiť súčasné problémy s zmenšením veľkosti tranzistorov pod 20 nm, vrátane zníženia interferencie medzi tranzistormi.
Flash pre fázovú zmenu
Obrazový kredit: Micron
V posledný článok série sme diskutovali o krištáľových displejoch IGZO s fázovou zmenou, ktoré spoločnosť Sharp nedávno predviedla vo svojich zariadeniach Aquos. Namiesto stavov s rozdielnymi nábojmi menia materiály s fázovou zmenou (PCM) svoju štruktúru medzi kryštalickou (usporiadanou) a amorfnou (neusporiadanou). Pretože predajcovia kremíka súťažia o nájdenie novej technológie, ktorá by nahradila blesk NAND kvôli problémom s mierkou pod 20 nm, javí sa blesk s fázovou zmenou ako silný kandidát.
Tento rok oboje IBM a Western Digital preukázali svoje úsilie pri vytváraní diskov PCM SSD. V porovnaní so súčasnou NAND pamäťou má pamäť s fázovými zmenami podstatne nižšiu latenciu - zo 70 mikrosekúnd na jednu mikrosekundu. Na rozdiel od toho, ako NAND používa náboje, PCM by nemal interferovať s iným tranzistorom v mierkach pod 20 nm, pokiaľ sú izolované.
Flash pamäte s fázovou zmenou môžu v priebehu budúceho desaťročia začať nahrádzať súčasné technológie NAND.
V súčasnosti preferovaným PCM je chalkogenidová zliatina1. Pomocou malého odporu (ohrievača) umiestneného pod každou časťou chalkogenidu je možné meniť fázu materiálu jednoduchým nastavením teploty a času tepelného impulzu z odporu. Každý odpor musí byť zabalený v tepelnom izolátore, aby sa zabránilo „tepelnému krížovému hovoru“, keď teplo z odporu ovplyvňuje ďalšie „bity“ PCM. Časové škály, o ktorých hovoríme, sú v oblasti 10 až 30 nanosekúnd, takže sú extrémne rýchle rýchlosti zápisu. Proces čítania je rovnako rýchly, takže kryštalická fáza je lepším vodičom čítanie bitovej hodnoty je také jednoduché ako prechod malého prúdu cez PCM a jeho meranie odpor. Výsledky boli veľmi sľubné a mali by sme očakávať, že v priebehu budúceho desaťročia bude zavedená flash pamäť s fázovými zmenami pre súčasné technológie NAND.
Energeticky nezávislá magnetická RAM (MRAM)
Obrazový kredit: Everspin
Magnetizmus bol navrhnutý ako spôsob ukladania údajov pred viac ako desiatimi rokmi, ale spôsoby výroby boli preukázané iba nedávno2. Táto technológia novej generácie je stále ďaleko, ale teraz prešla od pera a papiera k výrobe. Latencia MRAM je tiež oveľa nižšia ako latencia súčasných čipov NAND, v nízkych desiatkach nanosekúnd.
Spoločnosť Everspin uzavrela partnerstvo so spoločnosťou Global Foundries na magnetickú pamäť RAM (ST-MRAM) točivého momentu produktu pomocou procesu 40 nm. TDK tiež predviedli jeho technológia ST-MRAM, aj keď iba na 8 Mbit v porovnaní so 64 Mbit Everspin. Tieto dve spoločnosti sa usilujú o zdokonalenie svojich technológií MRAM pre spotrebiteľský trh.
LPDDR4
Obrázkový kredit: Samsung Tomorrow
S prechodom na pamäť RAM väčšina súčasných vlajkových lodí používa mobilnú pamäť LPDDR3 (LP znamená nízku spotrebu). Jeho prijatie na trhu bolo rýchle a spoločnosť JEDEC vydala štandard LPDDR3 až v máji 2012. Začiatkom augusta vydali Štandard LPDDR4 s elektronikou Samsung “ prvý čip LPDDR4 triedy 20nm schopný dosiahnuť dátové rýchlosti 3 400 Mbit / s, čo je o 50% viac ako v predchádzajúcej generácii a používa o 10% nižšie napätie, čím sa celkovo zvýši energetická účinnosť o 40%.
S 2K obrazovkami, ktoré sú už v našich mobilných zariadeniach a 4K za rohom pre tablety, naša túžba po RAM neustále rastie. Pamäť RAM je nestála - na udržanie svojich uložených údajov vyžaduje neustále napätie, takže spotreba energie je rovnako dôležitá ako rýchlosť. Čipy LPDDR4 uvidíme s najväčšou pravdepodobnosťou v našich vlajkových telefónoch a tabletoch v roku 2015 a budeme o ďalší krok bližšie k tomu, aby sme sa už nikdy nemuseli báť, že aplikácie na pozadí zapadnú celým zariadením.
Výroba mikročipov pod 20 nm
Menšie výrobné procesy vám umožňujú vtesnať do vášho procesora viac tranzistorov ...
Predajcovia kremíka ako Qualcomm a Intel neustále hľadajú spôsoby, ako vytlačiť viac tranzistorov do procesora, aby sa nakoniec zvýšil ich výkon. Vyššie sme spomenuli, ako majú tranzistory NAND problémy s ukladaním údajov pod 20 nm, nehovoriac o obrovskom poklese výťažkov produktu. Ďalším problémom, ktorý je v súčasnosti predmetom rozsiahleho výskumu, je problém s prenosom vzoriek pod 20 nm na kremíkovú doštičku.
Súčasné techniky používajú na premietanie dizajnu na kremíkovú doštičku s materiálom citlivým na svetlo svetlo - predstavte si, že pomocou projektora môžete zobraziť obraz v nanometrovej mierke. Keď klesnete pod 20 nm, narazíte na niekoľko problémov s týmto litografickým procesom, ktorý je obmedzený fyzikálnymi zákonmi. Keď sa dostanete k takým malým mierkam, začína byť problémom difrakcia svetla.
Obrazový kredit: Intel
... ale keď sa ponoríte pod 20 nm, začnú vás dobiehať fyzikálne zákony.
Ako možno viete, svetlo sa šíri ako vlna. Ak vlna prechádza cez medzeru (v tomto prípade šablóna na návrh kremíka), ktorej veľkosť sa blíži vlnovej dĺžke svetla, môže sa rozptýliť a poskytnúť veľmi rozmazaný prenos. Takže určite môžeme len zvýšiť vlnovú dĺžku svetla, nie? No, ktorý problémy iba dočasne vyrieši, kým sa nechcete zmenšiť, navyše by ste museli nájsť nový materiál citlivý na svetlo, ktorý by reagoval na novú vlnovú dĺžku svetla. To sa deje práve teraz, keď „extrémna ultrafialová litografia“ (EUV) predstavuje ďalšiu generáciu litografických techník, schopných posunúť hranicu 20 nm na 13,5 nm.
Predajcovia kremíka už skúmali, ako rozbiť ďalšiu tehlovú stenu, ktorej budú nevyhnutne čeliť, 13,5 nm. Jednou z veľmi skúmaných oblastí v tejto oblasti sú samomontážne nanodrôty. Jedná sa o dlhé polymérové reťazce, ktoré boli navrhnuté tak, aby sa usporiadali do špecifických vzorov. Skupina na univerzite v Toronte zverejnila príspevok3 o tom, ako dostali riešenie svojich polymérnych reťazcov na usporiadanie do tenkých, rovnomerne rozmiestnených čiar, ktoré mohli skutočne viesť elektrinu.
Obrazový kredit: Torontská univerzita
Obrazový kredit: D-Wave
Kvantové výpočty a Qubits
Kvantové výpočty sú stále v začiatkoch, ale mnohí veria, že je to budúcnosť výpočtovej techniky. Je to neuveriteľne zložité, a preto tu uvedieme iba základné informácie. Veľa z toho, čo sa deje na kvantovej úrovni, je skutočne čudné v porovnaní s tým, čo vidíme každý deň; 4 roky po ukončení vedeckého štúdia mám stále problémy s uchopením určitých častí kvantovej mechaniky.
Veľa z toho, čo sa deje na kvantovej úrovni, je naozaj zvláštne.
Bežné počítače používajú bity, ktoré môžu byť iba v jednom z dvoch stavov, buď 1 alebo 0. Qubit (kvantový bit) môže byť v niekoľkých stavoch súčasne, a je tak schopný spracovávať a ukladať veľké množstvo dát. Je to spôsobené kvantovým javom známym ako superpozícia, základom fungovania kvantového výpočtu (toto sa bežne vysvetľuje pomocou Schrodingerova mačka analógia).
Kvantové zapletenie by vám možno len vyrazilo dych.
K ďalšiemu javu známemu ako „zapletenie“ môže dôjsť na kvantovej úrovni, kde pár častíc interaguje takým spôsobom, že ich nemožno opísať samostatne, ale ako celok. To spôsobí, že sa stanú čudné veci, ako napríklad zmena stavu jednej z častíc a nejako druhej Okamžite sa zmení aj častica, napriek tomu, že sú ďaleko od seba a medzi nimi nie je nijaké fyzické spojenie. Problém s qubitom je, že ak sa ho pokúsite prečítať priamo, musíte s ním nejakým spôsobom interagovať, čím by sa zmenila jeho hodnota. Problém však potenciálne rieši kvantové zapletenie. Ak zamotáte qubit, môžete zmerať jeho pár, ktorý umožní výskumníkom prečítať hodnotu qubit bez toho, aby sa na to skutočne pozreli.
Minulý rok spoločnosť Google oznámila, že spúšťa A.I. laboratórium s kvantovým počítačom 512 qubit, hoci v súčasnosti vyžaduje obrovskú miestnosť plnú nástrojov, ktoré jej pomôžu udržať ju v optimálnom stave bežať. Ale aj takto začal klasický počítač. Bude to trvať viac ako 2 desaťročia, kým ho dostaneme do svojich telefónov, ale určite ide o rozsiahle preskúmanú oblasť, ktorá neustále rastie.
Spodný riadok
Trh s kremíkom je v súčasnosti taký konkurenčný, že sa na trh rýchlo dostávajú nové objavy a štandardy. 3D NAND a LPDDR4 čoskoro prídeme do našich zariadení, čo prinesie podstatne rýchlejší výkon a lepšiu energetickú účinnosť. Diskutovali sme o niekoľkých oblastiach výskumu, ktorý je štedro financovaný, aby pomohol predajcom kremíka získať výhodu v agresívny trh - hoci konkurencia v technologickom priemysle vždy skončila, z čoho mal obrovský prospech spotrebiteľ.
R. Bez. Chalkogenid PCM: pamäťová technológia na ďalšie desaťročie. na zasadaní Electron Devices Meeting (IEDM), 2009 IEEE International. 2009. ↩
Ľ Liu, C.-F. Pai, Y. Li, H.W. Tseng, D.C. Ralph a R.A. Buhrman, Spin-Torque Switching with the Giant Spin Hall Effect of Tantalum, Science, 2012. 336 (6081): s. 555-558. ↩
H. Wang, M.A. Winnik a I. Spôsoby, syntéza a samo-zostavenie poly (ferrocenyldimetylsilán-b-2-vinylpyridínu) Diblock Copolymers, Macromolecules, 2007. 40 (10): s. 3784-3789. ↩
Toto sú najlepšie bezdrôtové slúchadlá do uší, ktoré si môžete kúpiť za každú cenu!
Najlepšie bezdrôtové slúchadlá do uší sú pohodlné, vynikajúco znejú, nestoja príliš veľa a ľahko sa zmestia do vrecka.
Všetko, čo potrebujete vedieť o PS5: Dátum vydania, cena a ďalšie.
Spoločnosť Sony oficiálne potvrdila, že pracuje na PlayStation 5. Tu je všetko, čo o nej zatiaľ vieme.
Spoločnosť Nokia predstavuje dva nové lacné telefóny Android One s cenou do 200 dolárov.
Nokia 2.4 a Nokia 3.4 sú najnovším prírastkom do cenovej ponuky inteligentných telefónov spoločnosti HMD Global. Pretože sú to obe zariadenia Android One, je zaručené, že budú dostávať dve hlavné aktualizácie operačného systému a pravidelné bezpečnostné aktualizácie až na tri roky.
Zabezpečte si svoj domov pomocou týchto zvončekov a zámkov SmartThings.
Jednou z najlepších vecí na SmartThings je, že vo svojom systéme môžete používať množstvo ďalších zariadení tretích strán, vrátane zvončekov a zámkov. Pretože všetky v zásade zdieľajú rovnakú podporu SmartThings, zamerali sme sa na to, ktoré zariadenia majú najlepšie technické parametre a triky, vďaka ktorým ich môžete pridať do svojho arzenálu SmartThings.