Selles blogipostituses uurime, miks AP-d on elektroonikas võtmekomponent ja arenevad pidevalt, et suurendada arvutuslikku jõudlust ja energiatõhusust.
AP tähistab rakendusprotsessorit ja on sõna otseses mõttes elektroonilise seadme „aju“, millel põhinevad kõik loogilised operatsioonid. See on võtmekomponent, millel võib olla suur mõju seadme jõudlusele, energiatarbimisele ja muule. Põhjus, miks AP-sid klassifitseeritakse ja arendatakse eraldi teistest tavalistest arvutikomponentidest, nagu protsessorid ja graafikaprotsessorid, on see, et AP-sid leidub kõigis elektroonikaseadmetes, nii suurtes kui ka väikestes. Teisisõnu, AP-d on spetsiaalse arvutuse ja arvukate liideseseadmete, näiteks sidekiipide, USB, NPU-de jne juhtimise võime kombinatsioon. Seetõttu tuleb uute funktsioonide lisamisel AP-de arendamine teha koos.
Nagu näete, ei arendata pääsupunkte (AP) ainult arvutusliku jõudluse suurendamiseks ja see on üks valdkondi, mis on viimase kümnendi jooksul tohutult arenenud, rakendades mitmesuguseid uusi tehnoloogiaid. Hea näide on nutitelefon. Arvestades, et Steve Jobsi iPhone 1 esitleti 2007. aastal, kulus nutitelefonidel umbes 15 aastat, et areneda selliseks, nagu nad tänapäeval on. Kaua aega tagasi, kui ma algkoolis käisin, olid mobiiltelefonid haruldased ja neil suure jõudlusega mängude mängimine või LTE-internetiühenduse kasutamine oli mõeldamatu. Telefonide suuremaks, õhemaks ja kiiremaks muutumise keskmes on pääsupunktide tehnoloogia ning see läheb siit edasi ainult paremaks. Allpool selgitame seda pääsupunktide tehnoloogiat üksikasjalikumalt.
Pääsupunkti kiibid on väiksemad kui teie küüne suurus ja neid leidub iga ettevõtte nutitelefonides. Kuigi pääsupunkti omadused muutuvad üha mitmekesisemaks, on pääsupunktil mõned põhikomponendid, mis neil peavad olema: esiteks vajab see protsessorit ehk niinimetatud mikroprotsessorit. Varem olid need sageli transistorid, kuid tänapäeval toodetakse neid nanoprotsessi abil. Kaasaegsed pääsupunktid on valmistatud umbes 10 nanomeetri (nm) protsessiga ja võivad integreerida umbes 6 miljardit transistorit. Mida väiksem on protsessi nanomeetri skaala, seda rohkem transistore saab integreerida. Pärast protsessorit on järgmine kõige olulisem komponent mälu. Pääsupunktis on mäluplokk, mis vastutab muutmälu ja mälu eest. See osa lahendatakse põhimõtteliselt mahutavuse suurendamisega, mis praegu on enamasti DDR-mälu.
Lisaks kahele eespool kirjeldatud põhikomponendile arendatakse pääsupunkte (AP) ka toote erifunktsioonide või jõudluse rõhutamiseks. Viimane tööstusharu, mis pääsupunktide valdkonnas juhtpositsiooni haaras, on nutitelefonide tööstus, seega vaatame mõningaid teisi nutitelefonidele rakendatud pääsupunktide abikomponente.
Graafika on rakenduse või meelelahutuse nautimisel kõige olulisem element, kuna see haldab ekraanil kuvatavat väljundit ja kuigi see ei nõua väga suurt jõudlust, nõuab see siiski palju arvutusvõimsust. Põhiprotsessor oleks kiiruse osas ebasoodsas olukorras, kui ta peaks selle arvutusvõimsusega tegelema, seega kasutatakse graafikaprotsessoreid, mis on paralleelselt töötavate väikeste südamike kogum. Nutitelefoni pildikvaliteedi paranedes on vaja paremat graafikaprotsessori jõudlust ja mida nõudlikum on mäng, seda olulisem on graafika. Graafikaprotsessorid on ka energiasäästlikumad kui protsessorid.
Suhtlus on nutitelefoni kõige olulisem aspekt ja määrab selle identiteedi. Ilma kommunikatsioonita oleks nutitelefon vaid kaasaskantav meelelahutusseade. Sidet on kahte tüüpi: juhtmega ja juhtmevaba. Kui juhtmega side pakub juhtmetega võrreldes suuri kiirusi, siis nutitelefonid eelistavad juhtmevaba sidet. Traadita side hõlmab telefonikõnesid, tekstisõnumeid, LTE-d, Wi-Fi-d, Bluetoothi, USB-C-d, NFC-d ja palju muud. Erinevalt telefonikõnedest ja tekstisõnumitest nõuab internetisuhtlus tohutu hulga andmete saatmiseks ja vastuvõtmiseks kõrgetasemelist tehnoloogiat. Meile tuttavad internetisuhtlustehnoloogiad on 4G ja 5G LTE, mis vajavad suhtlemiseks spetsiaalseid modemeid. Hiljuti on pääsupunktid varustatud 5G-modemitega, et toetada 5G-tehnoloogiat. Lisaks traadita internetisuhtlusele on pääsupunktid varustatud ka seotud tehnoloogiatega, et toetada teatud terminale, näiteks USB, HDMI ja USB-C tüüpi.
Viimane, aga mitte vähem oluline, on toitehalduse vooluring. See vooluring, mis on pääsupunkti energiatõhususe suurendamiseks hädavajalik, mängib olulist rolli elektroonika stabiilsuses. See reguleerib protsessori tööd, et hallata energiatarbimist, näiteks madala energiatarbega režiimis ja suure jõudlusega režiimis.
Lisaks protsessorile on nutitelefonidel protsessorid mitmesuguste arvutusfunktsioonidega, näiteks güroskoobid, temperatuuriandurid, magnetvälja andurid ja muud mikroandurid. Samuti toodetakse massiliselt erinevates protsessorites tehisintellekti arvutusi teostavaid NPU-sid.
Parema jõudlusega AP-de arendamiseks rakendatakse uusi tehnoloogiaid. Enne uusimate tehnoloogiate selgitamist selgitame pooljuhtide valmistamise põhiprotsessi. Kõik AP-d valmistatakse pooljuhtprotsessi abil. AP-de tootmiseks korratakse suure energiaga räniplaatidele vooluringide kavandamise ja joonistamise protsessi, mida seejärel kasutatakse elektroonikaseadmete komponentidena. Tänapäeva AP-sid ei valmistata suurte transistoride või juhtmetega nagu 1900. aastatel, seega on protsess suhteliselt lihtne, kuid see nõuab suurt täpsust ja korrektsust.
Pääsupunkti jõudlust saab parandada kahel viisil. Riistvaralise jõudluse parandamiseks on eesmärk olla võimalikult täpne ja pakkida antud ruumi nii palju vooluringe kui võimalik. Selleks on valitud meetod paksuse vähendamine, mis on hiljuti 7 nm protsessidega kommertsialiseerunud. Kuid protsessi vahekauguse vähenemisel muutub see kvantmehaaniliselt ebastabiilseks. Näiteks kui vool voolab läbi kahe juhtme ja juhtmed on piisavalt lähedal, võivad elektronid juhtmeid ületada ja saada ootamatuid voolutugevusi. Seetõttu on protsessi vahekauguse vähendamisel piirid ning viimastel aastatel on välja töötatud tehnikaid stabiilsemate ja täpsemate juhtmete joonistamiseks.
Seni joonistati vooluringe argoonfluoriidvalgusega. Kuna 7 nm protsessi jaoks on vaja lühemaid lainepikkusi, kasutati lainepikkuse vähendamiseks vedeliku murdumisnäitajat. See aga tekitab raskusi vooluringi korraliku joonistamisega. Selle probleemi lahendamiseks töötatakse välja ultraviolettvalgust kasutavat tehnoloogiat. Ultraviolettvalgusel on lühem lainepikkus ja seda saab kasutada vooluringide joonistamiseks ilma vedelike vajaduseta, mille tulemuseks on puhtamad vooluringid.
Uusimad tarkvaraarendused hõlmavad tehnikaid energiatõhususe suurendamiseks. Tänapäeval on AP-protsessorite puhul energiatõhusus olulisem kui jõudlus ning nutitelefoni valides kipume aku tööiga jõudlusest kõrgemale hindama. Energiatõhususe suurendamiseks vähendame ebavajalikke toiminguid ja haldame sujuvalt tuumade tööd, et optimeerida jõudlust ja energiatarbimist. Seda tehakse protsessori jagamise teel suureks ja väikeseks struktuuriks: suured tuumad teostavad suure jõudlusega toiminguid, kuid neil on suur energiahaju, ja väikesed tuumad teostavad väikese jõudlusega toiminguid, kuid neil on väike energiahaju. Viimastel aastatel on see struktuur jaotatud veelgi suureks, keskmiseks ja väikeseks, et muuta energiahaldus tõhusamaks.
AP-tehnoloogia ei ole uus tehnoloogia; seda on varem manussüsteemides rakendatud ja see on olnud lahutamatu osa tavalistest elektroonikaseadmetest. Nutitelefonide tööstuse areng viimase kümnendi jooksul on aga AP-tehnoloogiasse investeerimist ja arendamist märkimisväärselt edasi lükanud. Kümme aastat võib tunduda pika ajana, kuid tööstuse vaatenurgast on see väga lühike aeg. Riistvara osas oleme suutnud protsessi täiustada ja kasutada täpsema töö tegemiseks äärmuslikku ultraviolettvalgust ning tarkvara osas töötame endiselt energiakadude minimeerimise nimel. Teha on veel palju täiustusi ning uued tehnoloogiad ja meetodid püüavad jätkuvalt probleeme lahendada. Kuna elektroonikast saab üha suurem osa meie elust, muutub selle roll üha olulisemaks. AP-tehnoloogia areneb edasi ja iga uue elektroonikaseadmega areneb ka AP-tehnoloogia. Seetõttu on AP-st väga oluline teada ning viimastel aastatel AP-s rakendatud uute tehnoloogiate mõistmine on oluline tööstuse tuleviku ennustamiseks.
