О российских микросхемах и процессорах - всё хорошо, ребята! Ч.2

Друзья, всем доброго времени суток, спасибо за положительную реакцию на первую часть. 

Итак, продолжаем, очень просто о сложном (отчего будут условности и упрощения). Продолжу основы, чтобы уважаемый читатель лучше разбирался в сути, и навсегда забыл привычку сравнивать отечественные процессоры, с Intel, мол у них гигагерц больше, техпроцесс тоньше. Просто процессоры бывают разные, для разных задач.

Кто пропустил -- ссылка на Первую часть.

Введение 

Итак в предыдущей части мы рассмотрели, как уменьшение размеров транзисторов в процессорах (уменьшение техпроцесса) дает положительный эффект (в гражданских процессорах). 

Чтобы лучше понимать в предмете (к концу третьей части, вы будете смеяться над критиками российских процессоров, причем сможете аргументировать), поговорим, почему уменьшение техпроцесса часто противопоказано, и что в будущем человечество (при существующих технологиях) "упрется" в 7 нанометров (нм). Чтобы понять все это, поговорим о "кирпичиках" процессора - миллиардах его транзисторов. 

Мы будем периодически проводить аналогию с краном с водой. На этой аналогии можно показать все проблемы 

Враги маленьких транзисторов. Слишком чувствительные

Все вычисления в процессорах как вы знаете состоят из нулей и единиц. 011000110101 и т.д. 

Как же их различают?

Дело в том, что в электронике нет никаких нулей и единиц. Есть пороговое значение напряжения, ниже которого считается, что это "логический 0", выше которого считается, что это "логическая 1". 

"Толстый" транзистор чувствительный как слон. Маленький же транзистор чувствителен, как жена-истеричка -- достаточно малейшего повода чтобы из спокойного состояния она перешла к психозу.

Процессору с современным малым техпроцессом требуются:

1. Суперстабильное питание, без малейших скачков и провалов. Привет от военных!

2. Отсутствие наводок и электромагнитных помех. Привет из космоса!

Иначе 0 может превратиться в 1 и наоборот. А это ошибка в программе, сбой, глюк. 

Вашему дешевому домашнему компьютеру ничего такого не грозит, наслаждайтесь, но в остальных двух категориях эволюция вынужденно пошла по другому пути. Там мегагерцы и "тонкие" транзисторы не нужны, и даже вредны. Но об этом будет в заключительной третьей части, когда буду говорить уже о конкретных процессорах. 

Сравним транзистор с водопроводным краном у вас на кухне. Старый кран для полного напора надо было открыть на два оборота. Вам поставили более продвинутый водопроводный кран, но теперь едва прикоснувшись, из него начинает хлестать струя полного напора. Вы теперь боитесь даже дышать возле него. 

Враги маленьких транзисторов. Квантовые эффекты

Представьте себе, что у вас в руках ракетка для тенниса, и вы играете со стеной. Любой человек в здравом уме скажет, что мячик от стены отскакивает. Всегда. 

Но вот однажды мячик не отскочил - он просто "как сквозь землю провалился". В данном случае сквозь стену. 

Это называется "туннелирование". Квантовый эффект, невозможный в макромире, при очень малых размерах вполне себе существует. 

Сравним транзистор с водопроводным краном у вас на кухне. Кран закрыт - вода не течет = 0. Кран открыт = 1. Вам поставили более продвинутый водопроводный кран, но почему-то когда вы его полностью закрываете -- вода продолжает тонко струиться. 
Хуже того, у ваших соседей началась такая же фигня.
(эффект влияет и на соседние транзисторы)

Враги маленьких транзисторов. Ток утечки

Любому транзистору и проводнику требуется слой диэдектрика. Диэлектрик ток не пропускает. Чем меньше техпроцесс, тем тоньше слой диэлектрика. 

Проблема в том, что ничего на свете не бывает идеального (особенно сделанном руками человека). В любом случае, в диэлектрике имеются дефекты. Если пара-тройка дефектов в "толстом" диэлектрике на малых токах роли не роялят, то в "тонком" диэлектрике это уже проблема, и возникают токи утечки. 

Инженеры по разному извращаются, экспериментируют с различными материалами, но факт -- практически половина тепла, выделяемого вашим процессором это ток утечки, т.е. это половина всей потребляемой процессором энергии.

Сравним транзистор с водопроводным краном у вас на кухне. Вам поставили более продвинутый водопроводный кран, с более продвинутыми тонкими трубами. Трубы эти настолько тонкие, что сквозь них сочится вода! 
Вы ставите еще более продвинутый кран, но воды стало сочиться еще больше...

Заключение второй части

Наука не стоит на месте, а компании гонятся за прибылями. Союз этих двух сил породил у нас иллюзию, что "чем больше гигарерц -- тем круче" (процессор Эльбрус на практике с этим спорит, об этом в следующей части). 

"Чем меньше техпроцесс -- тем круче". Да, выше энергоэффективность и выше производительность. Да, это конечно так, но порождает огромные проблемы. Инженеры из TSMC вычислили математически, что при идеальных условиях (а значит недостижимых) физически возможный предел -- это 5 нанометров. Далее нужны иные физические принципы для электронной логики, например, основанные на значении спина протона.

Но есть и другие процессоры. Вообще, их принято делить на три категории:

1. Commercial (у нас "приёмка 1") -- обычные гражданские для коммерческого использования. Именно такие на вашем компьютере, смартфоне, в микроволновке.

2. Military (у нас "приёмка 5") -- с ограниченным распространением для военной техники, оборонных производств, авионики и т.д. Очень дорогие.

3. Space (у нас "приёмка 9") --  Для космоса и ядерных электростанций. С самым ограниченным распространением. Изготавливаются по технологиям, уже не имеющим почти ничего общего с первой. Запредельно дорогие.

Если хотите приключений, начните настойчиво искать, у кого бы прикупить процессоров на сапфировой подложке -- познакомитесь с интересными и неулыбчивыми людьми.

В следующей части будет уже про конкретнее о самих процессорах, особенно применительно к категориям, описанным чуть выше.

Подписывайтесь на наш журнал тоже, у нас много интересных авторов,

И да пребудет с вами сила! 

Ivan Rubila