علم فردا

تکنولوژی به زبان ساده

 

در سر تا سر این مقاله به زبان ساده صحبت کردم تا برای افراد غیر متخصص قابل درک باشه . اساتید ناراحت نشن .

وقتی صحبت از خرید لپ تاپ ،  کامپیوتر و یا موبایل می شود اولین معیاری که به ذهن ما می رسد پردازنده یا پروسسور آن وسیله است . این مسئله طبیعی است چون همواره پردازنده را قلب یا مغز آن دستگاه خطاب می کنند و این تعبیر درست هم هست . تمام دستوراتی که شما از طریق موس ، کیبورد ، ، قلم نوری ، صفحه لمسی و … به  دستگاه وارد می کنید در پردازنده مورد پردازش قرار می گیرد . پردازنده به نوعی با تمام قطعات دیگر روی مادربورد ارتباط بر قرار می کند .

در چند سال اخیر با ظهور تکنولوژی های جدید در روش ساخت قطعات الکترونیک ، وسایل الکترونیکی وارد مرحله جدیدی شدند . ظهور تبلت ها و اولترابوک ها و همچنین گوشی های هوشمندی که امروزه از آنها صحبت می شود ، همه و همه مدیون طراحی جالب و شگفت انگیز قطعات الکترونیکی است . همانطور که می دانید یک چیپ الکترونیکی از چندین ترانزیستور و مدار دیگر در خود ساخته می شود . پردازنده ها نیز از این قاعده مستثنی نیستند . درون پردازنده ها تعداد بسیار زیادی ترانزیستور وجود دارد . در ادامه به برخی تکنولوژی هایی که در این پردازنده ها به کار گرفته شده تا هم ابعاد کوچک تری پیدا کنند و هم کارایی بیشتر داشته باشند و در عین حال توان کمتری مصرف کنند اشاره خواهیم کرد .

چرا در پردازنده ها از ترانزیستور استفاده می شود ؟

در ابتدا که ترانزیستور اختراع نشده بود برای راه اندازی مدارات مجتمع از لامپ ها استفاده می شد . این لامپ ها بسیار بزرگ بودند . تلفات بسیار زیادی داشتند و گرمای زیادی نیز تولید می کردند . ضمن اینکه سرعت عملکرد کمی داشتند . لامپ ها 10 تا 60 ثانیه زمان لازم داشتند تا عملکرد صحیحی از خود بروز دهند . ولتاژ کاری بالایی داشتند و هزینه تولید آنها زیاد بود . از این رو محققان ترانزیستور را اختراع کردند .

ترانزیستور کلا 2 وظیفه مهم دارد که بسته به نوع چینش مدار و بایاس ( تغذیه و مدار آن ) متغیر است . 1 – تقویت کنندگی سیگنال در مدارات آنالوگ و دیگری سوئیچ ( مثل کلید ) در مدارات دیجیتال . از آنجا که کامپیوتر و زبان ماشین فقط صفر و یک را می شناسد و این صفر و یک به منزله روشن و خاموش کردن یک کلید یا سوئیچ است ، چه گزینه ای بهتر از ترانزیستور ؟ حجم کم ، سرعت بالا ، اتلاف توان کم ، هزینه کم تولید ، اتوماتیک بودن تولید ترانزیستور ها در تعداد زیاد و …

در واقع ترانزیستور ها به دلیل کوچک بودن و عملکرد خوب خود در مدارات دیجیتال ، از سال ها پیش به عنوان عناصر تشکیل دهنده IC ها ، مایکروپروسسور ها و CPU ها بودند و امروز نیز همان ترانزیستور ها فقط با ابعادی خیلی خیلی کوچکتر و سرعت بیشتر المان اصلی در طراحی CPU ها می باشند . در ادامه دلایل سرعت بیشتر و ابعاد کوچک تر ترانزیستور ها را بررسی خواهیم کرد .

چرا در پردازنده ها از ترانزیستور MOSFET استفاده می شود ؟

حال چرا از ترانزیستور های Mosfet در پردازنده ها استفاده می شود ؟ این مسئله به تفاوت های اساسی بین این نوع ترانزیستور با دیگر ترانزیستور ها بر می گردد.

ترانزیستور های ماسفت سرعت بیشتری در سوئیچ کردن دارند  که این مسئله به ساختار درونی ترانزیستور بر می گردد و از آنجا که سرعت پردازنده ارتباط مستقیم با این سوئیچ ها دارد پس بهتر است از ماسفت استفاده شود .

جریان ورودی ماسفت تقریبا صفر است یعنی جریانی نمی کشد و در نتیجه تلفات خیلی کمتری دارد .

هنگام سوئیچ تقریبا افت ولتاژی بین پایه درین و سورس نیست و این یعنی تلفات کمتر . اگر برای مثال مثل ترانزیستور های bjt هنگام سوئیچ افت ولتاژی داشتیم ، فکر کنید در مقیاس میلیونی از این ترانزیستور ها چه توانی تلف می شد .

استفاده از تکنولوژی نانو متری که در ادامه به آن خواهیم پرداخت در ترانزیستور های ماسفت راحت تر است . تکنولوژی ساخت این ترانزیستور ها اجازه می دهد تا کوچک و کوچک تر شوند و تعداد بیشتری از آنها را روی ویفر بچینید .

مسفت ها بر خلاف دیگر ترانزیستور ها در اغلب موارد بدون نیاز به مقاومت و خازن ، کار خود را انجام می دهند و این یعنی حجم کمتر و سرعت بیشتر .

با افزایش حرارت ، مقاومت نقطه اتصال کلکتور در ترانزیستور bjt کمتر می شود و به تبع آن جریان کلکتور بیشتر می شود و این مسئله باعث صدمه دیدن ترانزیستور می گردد . اما در ترانزیستور های ماسفت قضیه بر عکس است یعنی با افزایش حرارت ، جریان درین ، کمتر می شود . پس پایداری بالاتری به دست می آورد .

 

 

چرا سرعت سوئیچ ترانزیستور های MOSFET از BJT بیشتر است ؟

همانطور که گفتم و می دونید ترانزیستور در پردازنده ها بیشتر به عنوان سوئیچ یا کلید قطع و وصل عمل می کنه . ترانزیستور ها 3 تا ناحیه کاری دارن : فعال ، اشباع و قطع . در این مورد ما با حالت قطع و اشباع کار داریم . قطع یعنی ترانزیستور خاموش و هیچ جریانی از آن عبور نمی کند ( کلید قطع ) و حالت اشباع یعنی ترانزیستور روشن جریان از درین به سورس جاری میشه ( کلید وصل ) . در دنیای دیجیتال کلید قطع به منزله صفر منطقی یا صفر ولت و کلید وصل به منزله 1 منطقی یا 5 ولت می باشند . در واقع یک موج مربعی به شکل زیر .

 

 

شکل موج بالا به صورت ایده ال هستش ، یعنی بدون تاخیر زمانی تغییر وضعیت میده اما در عمل برخی المان ها مثل خازن ها باعث تاخیر در تغییر وضعیت سیگنال از صفر به یک و یا بالعکس میشن . حتما در مورد شارژ و دشارژ خازن ها چیز هایی شنیدید . خازن ها به محض ایجاد اختلاف پتانسیل ( ولتاژ ) بین پایه هاشون ، بسته به ثابت زمانی مربوط به خودشون ( قضیش مفصله باید سایت های الکترونیکی رو بخونید ) شارژ می شوند و بعد از قطع ولتاژ ، انرژی رو باز نسبت به ثابت زمانی خودشون به صورت جریان به مدار پس میدن . این ثابت زمانی باعث تاخیر در تغییر وضعیت سوئیچ میشه . مثل شکل زیر :

 

 

هر چه ظرفیت خازن بزرگ تر باشه ، این زمان شارژ و دشارژ ( تخلیه ) بیشتر میشه . از طرفی بین پیوند های ترانزیستور ها یک ظرفیت خازنی موجوده که در ترانزیستور های FET این ظرفیت به مراتب از bjt کمتره . این بدین معنی است که بنا به گفته های بالا ، سرعت تغییر وضعیت از 1 به 0 و بالعکس ( سوئیچ ) در ترانزیستوری که ظرفیت خازنی کمتر داره بیشتره .

تکنولوژی نانو متری در پردازنده ها چیست ؟

اگر پیگیر خبر های تکنولوژی باشید قطعا 1 بار هم که شده اصطلاح 32 نانومتری یا 45 نانو متری به گوشتان خورده . برای مثال دیدید در اخبار : ” پردازنده های اینتل با معماری 32 نانومتری در راهند ” . اما واقعا این عدد و ارقام و نانو و … از کجا آمدند ؟

مسلما هر چیزی که در ابعاد بزرگ تولید می شود ، هزینه بیشتری را برای تولید کننده و در نهایت مصرف کننده به همراه خواهد داشت . منظور از ابعاد در اینجا ابعاد یکی از محصولات مثلا 1 عدد پردازنده می باشد . ابعاد بیشتر یعنی مواد خام بیشتر ، فضای بیشتر ، گرمای بیشتر و … از این رو تمام تلاش بشر از ابتدای پروسه صنعتی شدن دنیا بر این بوده که حجم محصولات تولیدی را کم کند . پردازنده ها نیز شامل این رویه شدند . روز به روز اندازه انها کوچک و کوچکتر می شد .

پردازنده ها برای مثال از 700 میلیون ترانزیستور تشکیل شده اند این ترانزیستور ها به صورت خیلی فشرده و نزدیک به هم و همچنین ابعاد بسیار بسیار ریز روی ویفر قرار گرفته اند . در اکثر پردازنده ها از ترانزیستور های مسفت  ( Mosfet ) استفاده می شود . این ترانزیستور ها از 3 پایه درین ، سورس و گیت تشکیل شده اند . گیت ناحیه ای است بین پایه های سورس و درین .

کار این ترانزیستور ها اغلب سوئیچ بین صفر و یک است در واقع حکم یک کلید را دارند . تعداد بالای ترانزیستور ها در یک پردازنده به لطف تکنولوژی نانو میسر شده . نانو یعنی 10 به توان منفی 9 به عبارت دیگر یعنی 1 تقسیم بر 1 میلیارد باز به عبارت دیگر یعنی خطوط میلی متر روی خط کش را به یک میلیون قسمت تقسیم کنید ( تصورش بیشتر وحشتناکه تا جالب ) . وقتی می گوییم در فلان پردازنده از معماری 45 نانو متری استفاده شده یعنی سایز ترانزیستور ها در آن پردازنده 45 نانو متر است . تعجب می کنید ؟ جالب اینجاست که 45 نانومتر چیزی نیست ، قرار است روزی در سال 2020 ابعاد این ترانزیستور ها به 5 نانو متر برسد !!!

حال در برخی منابع برای مثال 45 نانو متر را به فاصله بین پایه های درین و سورس ارجاع می دهند . در هر صورت مهم اینه که این عدد آنقدر کوچک است که میلیون ها ترانزیستور را در یک CPU به ابعاد 2 یا 3 سانتی متر مربع جای می دهد .این تکنولوژی ابتدا در پردازنده های اینتل و IBM دیده شد و بعد از آن شرکت AMD ( رقیب اینتل ) نیز دست به کار شد و پردازنده های مبتنی بر معماری نانو متری را روانه بازار کرد .

سیر تکامل تکنولوژی نانومتری در ساخت پردازنده ها

طبق قانون گوردون مور (  Gordon E. Moore ) یکی از بنیانگذاران شرکت بزرگ اینتل ، تعداد ترانزیستور ها روی یک چیپ با ابعاد یکسان هر 2 سال یک بار تقریبا 2 برابر می شود . این فرضیه در ابتدا درست بود تا اینکه کوچک کردن قطعات به جایی رسید که دیگر ، تولید کنندگان به ستوه آمده بودند . تا حدود سال 2005 متخصصان از روشی به نام لیتو گرافی ماورای بنفش عمیق ( Deep Ultraviolet Lithography )  برای کوچک سازی قطعات استفاده می کردند اما این روش در همان سال ها به انتهای راه خود رسیده بود و قانون مور رو به انقراض گذاشته بود . اما بشر با هوش تر از این حرفاست . روشی دیگر در ساخت قطعات با نام لیتو گرافی ماورای بنفش شدید ( Extreme Ultraviolet Lithography ) اختراع شد که تقریبا تا 10 سال دیگر قانون مور را زنده نگه می دارد .

 

 

این تصویر اولین پردازنده شرکت اینتل یعنی D4004 است . این پردازنده در سال 1971 ساخته شد و درون آن حدود 2300 ترانزیستور قرار دارد . این رقم برای همان سال هم کم نیست . ( تا 1000 بشمارید تا عمق فاجعه دستتون بیاد ) این پردازنده با ولتاژ 12 ولت کار می کرد و قادر به آدرس دهی 640 بایت از حافظه بود . این پردازنده با تکنولوژی 10 مایکرو متری ساخته شده بود .

 

 

این هم تصویر داخل این پردازنده هست .

 

 

در این تصویر سیر افزایش تعداد ترانزیستور ها در قالب های پردازنده ها را می توانید ببینید .

 

 

 

پردازنده های امروزی از تکنولوژی نانو متری بهره می برند و بر همین اساس در دل خود بیش از 700  800 میلیون ترانزیستور ( تا 1000 بشمارید … خسته میشید ) جا داده اند .

روش شرکت اینتل در کوچک سازی پردازنده ها

کوچک سازی ترانزیستور ها بنا به محدودیت های ماده سیلیکون که در ساخت ترانزیستور استفاده می شود ، بیشتر از این ممکن نبود . وقتی جریان از درین به سمت سورس حرکت می کند باید مانعی برای عبور جریان به گیت داشته باشیم . شرکت های سازنده این ترانزیستور ها از دی الکتریک گیت ( Silicon dioxide  با فرمول شیمیایی SiO2 )  استفاده می کردند که وظیفه این دی الکتریک ، ایزوله کردن جریان کانال از گیت بود . اما کوچک سازی ترانزیستور ها در پردازنده به جایی رسید که کوچک شدن این دی الکتریک باعث عمل تونل زنی الکترون ها از گیت به کانال می شد . خارج شدن الکترون از مسیر اصلی خود یعنی هدر رفتن جریان ( جریان نشتی ) و نهایتا تلفات توان ، فکرشو بکنید هر ترانزیستور این تلفات رو داره که این عدد تلفاتی رو در 500 تا 800 میلیون ترانزیستور ضرب کنبد ببینید چه رقمی میشه . از این رو شرکت اینتل در اقدامی چند منظوره که کوچک تر کردن ترانزیستور و کاهش تلفات را شامل میشد دست به ابتکار جالبی زد . شرکت اینتل از عایقی با نام High-k  که k در آن به معنی ضریب دی الکتریک می باشد به جای دی الکتریک SiO2 اسفاده کرد . با این روش هم جریان نشتی کاهش پیدا می کند و هم مقدار و قدرت کنترل جریان اشباع ( درین به سورس ) بیشتر می شود . از کجا؟

دی الکتریک گیت را می شود به مثابه یک خازن با دو صفحه موازی در نظر گرفت که با صرفنظر از برخی فاکتور ها ، ظرفیت خازنی این صفحات موازی طبق فرمول زیر محاسبه می شود  :

 

 

که در آن :

A : سطح مقطع صفحات ، k ضریب ثابت دی الکتریک ( برای دی اکسید سیلیکون 3.9 ) ، ε₀ ثابت الکتریسیته در فضای آزاد و t ضخامت لایه عایق خازن هستند . طبق این فرمول هرچه مقدار k یا ضریب دی الکتریک بیشتر باشد ظرفیت خازنی کل بیشتر می شود . حالا این ظرفیت خازنی کل در رابطه جریان اشباع درین تاثیر مستقیم دارد . طبق این رابطه :

 

داخل پرانتز بگم که باز کردن و تشریح بیشتر این فرمول ، بحث رو خیلی تخصصی میکنه که از حوصله این پست خارجه و دونستنش نه به درد این دنیاتون میخوره نه اون دنیا !

پس تا اینجا فهمیدیم که هر چه این ظرفیت خازنی گیت بیشتر باشه ، جریان اشباع درین بیشتر میشه و ضمن اینکه کنترل این جریان با این ظرفیت خازنی C ، راحت تر صورت میگیره .پس اینتل با این روش یعنی جایگزینی یک عایق با ضریب دی الکتریک بالا و طبق فرمول هایی که ذکر کردیم ، کنترل جریان درین رو راحت تر کرده و همچنین جریان نشتی رو به حداقل رسونده .

 

اما این پایان کار نبود . مشکل دیگه این بود که الکترود گیت که در طراحی ترانزیستور های معمولی از ماده پلی سیلیکون ساخته میشد در ترکیب با دی الکتریک گیت ، باعث تولید یک کانال تهی می شد که منجر به بر هم زدن معادلات کنترل جریان درین توسط گیت میشد . از این رو اینتل به جای پلی سیلیکون از الکترود فلزی استفاده کرد و دیگه اون کانال تهی ایجاد نشد و کنترل جریان توسط گیت به سادگی صورت گرفت .

 

 

 

در واقع اینتل با طراحی این ترانزیستور ها جریان نشتی رو 10 برابر کمتر کرد و تلفات توان رو به حداقل رسوند . سرعت سوئیچ 20 برابر بیشتر شد ( ترانزیستور کوچک تر = ظرفیت خازنی کمتر ) و ترانزیستور ها کوچک و کوچک تر شدند .

امیدوارم سوالاتی که در مورد پردازنده ها و داخل آنها در ذهن شما وجود داشت رو تا حدی پاسخ داده باشم . واقعا طراحی پردازنده ها بسیار کار دشواری است و بررسی تخصصی اون کار هر کسی نیست . اگر سوال دیگه ای هم دارید لطفا تو نظرات بگین تا در صورت توان ، پاسخ بدم . مسائل زیادی در مورد پردازنده ها هست که بعدها در علم فردا منتشر خواهد شد .

 

حتما مطالب زیر رو هم بخونید