длина световой волны в чем измеряется нм что это

Длина световой волны в чем измеряется нм что это

Ежедневно на протяжении всей своей жизни мы неразрывно связаны со светом, что оказывает влияние не только на наше зрительное восприятие окружающего мира, но и на здоровье, самочувствие, продуктивность и настроение.

С давних времен по своей природе человек с восходом солнца просыпается, когда солнце находится в своём пике – работает, а с наступлением ночи готовится ко сну. Это не случайно и взаимосвязано со светом. Каким образом? Для этого необходимо рассмотреть характеристики света

Световое излучение характеризуется такими параметрами, как световой поток, сила света, яркость, освещенность и др., но подробней хотелось бы остановиться на спектральных характеристиках и их взаимосвязи с природой.

Свет – это видимая область электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм. Именно в этом диапазоне оптическое излучение способно возбуждать сетчатку глаза человека и создавать зрительный образ.

Помимо видимой области излучения в светотехнике рассматривают также ультрафиолетовое (длина волны от 1 нм до 380 нм) и инфракрасное излучение (длина волны от 780 нм до 1 мк).

Видимое излучение с разной длиной волны воспринимаются глазом как разные цвета:

Таблица 1. Длины волн различных цветов

Длина волны

от 380 нм до 450 нм

от 450 нм до 480 нм

Границы цветов приблизительны – разные люди отличаются друг от друга восприятием цветовых сигналов головным мозгом. Для нас же самым наглядным примером видимого спектра в природе является радуга.

Полный видимый спектр на шкале излучений различных длин волн выглядит так:

Белый свет является смешением всех (или нескольких) цветов спектра в определенной пропорции. Если луч белого света пропустить через стеклянную призму, то он разложится на спектр (явление дисперсии света).

Различные цвета мы видим каждый день и не придаём значения тому, что это очень сложный процесс восприятия. Цвет предмета определяется спектральным составом света и спектральными характеристиками отражения и пропускания материалов.

Цвет – это объективная величина, которая может быть измерена и выражена конкретными параметрами. Для этого чаще всего используют колориметрическую систему координат цветности:

На рис. 3 представлено поле реальных цветов. На ограничивающей его кривой линии отмечены длины волн монохроматических излучений, воспринимаемых глазом – от 380 (фиолетовый цвет) до 700 (красный цвет) нм.

Средняя часть цветового поля – это область белых цветов. В ней проходит линия – кривая теплового излучения, то есть кривая координат цветности белого света.

Цветность белого света зависит от цветовой температуры – температуры чёрного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового фона, что и рассматриваемое излучение. Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина.

Цвет излучения тепловых источников света (ламп накаливания) очень точно соответствует данной кривой на графике.

На рис. 4 представлено наглядное сравнение источников света с различной цветовой температурой.

Многие ошибаются, полагая, что чем выше цветовая температура, тем свет «теплее», чем ниже – «холоднее». Ассоциация происходит с температурой тела и воздуха, когда при повышении температуры становится теплее.

В случае цветовой температуры света можно провести аналогию с цветом звёзд.

Цвет звезды зависит от температуры на поверхности: чем больше тепла звезда излучает, тем более голубой цвет она имеет, и наоборот, самые холодные звёзды по температуре на поверхности имеют оранжевый и красный цвет. Как видно из рис. 5, самые горячие небесные тела – голубые звёзды с температурой 30000 К, самые холодные звёзды – красные с температурой 3500 К, солнце в середине дня имеет температуру на поверхности 6000 К и желто-белый цвет.

2. Влияние цветовой температуры источников света на человека

В современном мире большая часть нашего активного времени суток проходит на рабочем месте, т.е. под воздействием искусственного освещения. Качество света и его достаточное количество – важная составляющая верного восприятия окружающего мира. Формы объектов, цвета, люди, предполагаемые опасности распознаются нами, если обеспечивается достаточные уровень освещенности, время воздействия света и его цветность. Наравне с визуальными эффектами, цветность влияет также и на другие сферы жизни человека.

С конца 20-го века было проведено большое количество исследований незрительного воздействия света на организм. Оказалось, что в глазах человека имеются не только известные рецепторы – колбочки и палочки, воспроизводящие изображения предметов, но и фоторецепторы, воспринимающие свет без образования изображения – меланопсин. Эти рецепторы отвечают за выработку гормона мелатонина, кортизола, регулируя циркадные ритмы человека.

Гормон мелатонин отвечает за отдых и расслабление организма и работает в партнерстве с другими гормонами (кортизол, серотонин, допамин). В течение дня кортизол обеспечивает бодрость и стрессовую реакцию организма, серотонин контролирует импульс и углеводную потребность, а допамин обеспечивает хорошее настроение, удовольствие, бдительность и координацию.

Высокий уровень мелатонина является причиной сонливости, но он может быть урегулирован воздействием на другие гормоны. Т.к. в течение рабочего дня регулировать уровень естественного освещения сложно, то оказывать влияние на эти четыре гормона, следовательно, и на циркадные ритмы, можно благодаря правильному выбору цветовой температуры источников искусственного освещения.

Воздействие на циркадные ритмы человека происходит за счет изменения уровня освещенности и цветовой температуры в определенные фазы суток. Например, синяя спектральная составляющая подавляет мелатонин и активизирует кортизол, что подходит для середины дня, обеспечивая высокую работоспособность человека, умственную и физическую активность. Излучения в желтом спектре подходят для утра и вечера, когда организм расслабляется и восполняет жизненные силы. Таким образом, изменяя цветовую температуру можно напрямую влиять на самочувствие человека, его настроение и работоспособность в течении дня, не нарушая жизненных циклов.

3. Практическое применение различной цветовой температуры в искусственном освещении

В настоящее время стало возможным применить на практике знания, что освещение в теплом спектре активизирует гормоны отдыха и действует расслабляюще на организм, освещение в нейтрально белом цвете обеспечивает комфортное выполнение текущих задач, а освещение в холодном спектре способствует умственной активности.

Для этого можно обеспечить биологически и эмоционально эффективное освещение двумя способами:

Например, для стандартного рабочего времени подходит цветовая температура источников света равная 4000 К.

Для совещаний и важных переговоров необходима цветовая температура в 5000 К. За счёт более холодной цветовой температуры активизируется выработка гормона кортизола, что приводит к улучшению мозговой деятельности и концентрации.

Но в течение рабочего дня человеку необходим ещё и отдых для восстановления сил. Для этой цели в помещениях отдыха обеспечивают цветовую температуру источников света 3000 К.

В основе данного метода лежит зависимость естественного солнечного цикла от цветовой температуры излучения и зависимость человека от солнечного цикла. Если понаблюдать за солнцем в течение дня, то можно увидеть следующую картину:

Как известно, человек ориентируется во времени по естественному освещению (смена дня и ночи), и что свет имеет влияние на человеческие биоритмы.

Утром, при восходе солнца (при теплой цветовой температуре) начинает снижаться выработка мелатонина, и организм пробуждается. Днём (при переходе от нейтральной цветовой температуры к холодной) при выработке кортизола повышается работоспособность. Вечером (при тёплой цветовой температуре) выработка кортизола уменьшается, мелатонина – увеличивается, организм входит в состояние покоя и готовится ко сну. Сохранить гармоничный для организма человека цикл цветовой температуры в искусственном освещении можно, организовав запрограммированное изменение цветовой температуры источников света.

Таблица 2. Зависимость организма от цветовой температуры источников света

Цветовая температура

Что происходит

Эффект

2700 – 3000 К, тёплая

Выработка гормона мелатонина, снижение выработки гормона кортизола

Утром – пробуждение, днём – отдых, расслабление, вечером – подготовка ко сну

4000 – 5000 К, нейтральная

Выработка гормона кортизола, снижение выработки гормона мелатонина

Основное рабочее время – увеличение концентрации

5000 – 6500 К, холодная

Выработка гормона кортизола

Пик активности мозга, концентрации, внимания и продуктивности

Таким образом, обеспечив один из подходов управления освещением на рабочем месте, можно грамотно положительно влиять на самочувствие и продуктивность сотрудников.

4. Торговое освещение

Где ещё можно наблюдать влияние цветовой температуры источников света на человека? В магазине. Да, это влияние не меняет настроения покупателя, но помогает сделать выбор. При правильном освещении булочки будут выглядеть вкуснее, а рыба и мясо – свежее.

В настоящее время вопрос, какой товар и в каком магазине выбрать, возникает каждый день. Современного потребителя, т.е. каждого из нас, окружает множество магазинов, конкурирующих между собой, но мы всегда пойдём в тот, где товар лучше. А товар лучше там, где его правильно презентуют.

В чём состоит взаимосвязь презентации товара и спектральных характеристик света?

Для торгового освещения важным требованием является качественная передача визуальной информации о товаре потребителю, что можно обеспечить с помощью качественного освещения. За это отвечают такие параметры как высокий уровень освещенности, высокий индекс цветопередачи, правильно подобранная цветовая температура источника и использование специальных спектров.

Различные группы товаров требуют различного освещения: существуют специальные спектры излучения источников, подчеркивающие натуральные оттенки предметов.

К примеру, мясо подсвечивают спектром со смещением в красный цвет, чтобы оно выглядело аппетитно.

Замороженные продукты и рыбу подсвечивают светом с холодной цветовой температурой (5000-6500 К), что подчеркивает свежесть, блеск и охлажденность.

Хлебобулочные изделия подсвечивают теплым светом (2700-3000 К). Как правило, хлеб выложен на натуральных материалах теплых оттенков (дереве), что усиливает гармоничный вид.

Фрукты и овощи освещают направленным светом с высокой цветопередачей, чтобы товар выглядел ярким, свежим и привлекательным.

В табл. 3 приведены дополнительные виды товаров, которые также можно выгодно подчеркнуть:

Таблица 3. Виды товарного ассортимента и необходимые им цветовая температура и смещение спектра

Товарный ассортимент

Цветовая температура, К;

Смещение спектра в цвет

Источник

Нанометр

Наноме́тр (нм, nm) — единица измерения длины в метрической системе, равная одной миллиардной части метра (т. е. 10 −9 метра). Устаревшее название — миллимикрон (10 −3 микрона; обозначения: ммк, mμ)

Это одна из наиболее часто используемых единиц измерения малых длин, равная 10 ангстремам — общепризнанной единице измерения, не входящей в систему СИ. Она часто ассоциируется с областью нанотехнологий и с длиной волны видимого света.

Один нанометр приблизительно равен условной конструкции из десяти атомов водорода выстроенных в линию, если за диаметр атома водорода принять два боровских радиуса.

Для человека длина волны видимого света составляет 380—760 нм (соответственно изменение спектра от фиолетового до красного цвета).

Расстояние между атомами углерода в алмазе равно 0,154 нм.

Данные на компакт-дисках записываются в виде углублений (по-английски такое углубление называются pit), имеющих размеры: 100 нм глубины и 500 нм ширины.

См. также

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Нанометр» в других словарях:

нанометр — нанометр … Орфографический словарь-справочник

нанометр — • нанометр (нм) единица длины, равная 10–9 м, 10–3 мкм, или 10 ангстремам (А). (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) Нанометр (нм) ед. измерения длины, равная 10″9м. (Источник: «Словарь терминов… … Словарь микробиологии

НАНОМЕТР — (обозначение нм), единица длины, равная 10 9 м. Применяется для измерения межмолекулярных расстояний и длин волн. Заменил АНГСТРЕМ единицу, ранее употреблявшуюся для подобных измерений … Научно-технический энциклопедический словарь

нанометр — сущ., кол во синонимов: 2 • единица (830) • миллимикрон (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

нанометр — а, м. nanomètre m. Одна миллиардная метра. В Гарвардском университете (США) созданы самые тонкие проволоки их диаметр менее десяти нанометров (тысячных долей микрона). Такая проволока состоит из всего 20 рядов атомов. НИЖ 1999 9 17. Километры,… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

нанометр — миллимикрон (10 9 метра) [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии Синонимы миллимикрон EN nanometer … Справочник технического переводчика

Нанометр нм — Нанометр, нм * нанаметр, нм * nanometer or nm единица длины, равная 10 Е, или 10 9 м … Генетика. Энциклопедический словарь

нанометр — nanometras statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dalinis ilgio matavimo vienetas, 10⁹ karto mažesnis už metrą: 1 nm = 10⁻⁹ m. atitikmenys: angl. nanometer; nanometre vok. Nanometer, n rus. нанометр, m pranc. nanomètre, m … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Источник

Длина световой волны в чем измеряется нм что это

Свет − это видимая часть электромагнитного спектра. Свет характеризуется тем, что имеет волновую природу [1]. Каждая волна описывается своей длиной − расстоянием между двумя соседними гребнями (рис. 1.4). Длина волны измеряется в нанометрах (нм). Нанометр − это одна миллионная часть миллиметра [3].

Рис. 1.4. Характеристики волны

Область электромагнитного спектра, видимая человеческим глазом, занимает диапазон примерно от 400 до 700 нм. Этот диапазон составляет всего лишь малую часть огромного спектра электромагнитных волн. Помимо видимых волн человек использует и многие другие невидимые волны: начиная с самых коротких волн − рентгеновских лучей − и кончая длинными волнами, которые улавливаются нашими теле- и радиоприемниками (рис. 1.5).

Внутри человеческого глаза имеются сенсоры света, чувствительные к электромагнитным волнам (палочки и колбочки) (раздел 1.2), длина которых попадает в видимый спектр.

Рис. 1.6. Спектральный состав видимого цвета

Когда на эти сенсоры попадают световые волны, они посылают сигнал нашему мозгу. Затем этот сигнал интерпретируется мозгом как определенный цвет. Какой именно цвет получится в результате этой интерпретации, зависит от сочетания в свете волн различной длины. Например, если сенсоры зарегистрируют волны сразу всех длин из видимого спектра, то мозг будет воспринимать этот свет как белый. Если не будет зафиксировано никаких волн с длиной волны из видимого спектра, то это значит, что никакого света нет, и мозг будет интерпретировать эту информацию как черный цвет.

Пропустив луч белого света через призму (рис. 1.6), можно разбить его на составляющие и таким образом понять, как наши глаза реагируют на каждую отдельную длину волны. Этот эксперимент показывает, что волны разной длины интерпретируются нами как разные цвета. Можно выделить основные области видимого спектра: красную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю и фиолетовую. Цвета плавно и непрерывно переходят друг в друга, образуя «радугу». Когда наша зрительная система регистрирует волны с длиной около 700 нм, мы видим «красный» цвет, а когда длина волны находится в диапазоне 450-500 нм, − «голубой»; длина волны 400 нм соответствует «фиолетовому» и так далее. Такая реакция глаза является основой для образования миллионов различных цветов, которые каждый день регистрирует наша зрительная система.

Источник

Как считают нанометры, как их на самом деле надо считать, и почему не все с этим согласны

Субъективное восприятие знания в голове можно разделить на несколько групп: мало что знаю и признаю́ это; что-то знаю и смогу объяснить простые вещи; много знаю и растолкую почти всё. Опасней всего оказаться во второй категории, когда кажется, что накопленной информации достаточно, чтобы комментировать новости и давать советы. Тема этой статьи — как раз из такого ряда знаний: вроде очевидно, а копнешь — всё сложно.

Есть в микроэлектронике такое понятие, как технорма (technology node; иногда пишут «critical dimension» — критический размер, но сейчас это разные понятия), ныне измеряемая теми самыми любимыми маркетологами нанометрами. Задача дать определение этому важнейшему термину не столь проста, как кажется. Когда-то под технормой понимался самый малый по длине или ширине элемент, формируемый данным технологическим процессом на фабрике (фабе, как говорят сами чиподелы). То есть для массового изготовления микросхем производственное и измерительное (метрологическое) оборудование настраивается на такой набор установок, который позволяет формировать на кристалле структуры с желаемыми параметрами и размерами — причем первое сильно зависит от второго.

Помимо технормы также важны: число слоев межсоединений (тонкие металлические и поликремниевые дорожки-проводки, соединяющие выводы транзисторов), диаметр кремниевой пластины (на ней формируется рисунок для сотен или тысяч будущих кристаллов, которые после ее распила вставят в отдельные корпуса), различные оптимизации под скорость и/или энергоэффективность и пр. С точки зрения верящего в прогресс оптимиста, главное во всем этом то, что на передовых фабах переход на новый техпроцесс происходит примерно каждые два года и является причиной выполнения «закона Мура» (хотя по факту это никакой не закон, а эмпирическая закономерность, самосбывающаяся лишь потому, что производители все еще готовы вкладывать в это деньги). Правда, рядом тут же появляется пессимист и язвительно замечает, что у слов «новый техпроцесс» может оказаться крайне неприятное для оптимиста толкование…

Самые главные (и дорогие) станки для производства микросхем — фотолитографы: именно они формируют рисунок из засветов на светочувствительном слое фоторезиста, который при травлении «чертит» очередной слой чипа. Когда технорма стала меньше длины волны света, используемого в их лазерах (а это произошло в конце 1990-х годов — вскоре после внедрения техпроцесса 250 нм), появилось два отдельных определения: для так называемых регулярных чипов (память, программируемые матрицы, фотодатчики — в том числе со встроенными логическими блоками) и для нерегулярных (сложная логика, часто содержащая кэши, буферы и все похожее на них). Тут речь идет о повторяющихся структурах на кристалле: например, ячеек любого вида памяти на современной большой микросхеме — миллиарды, но разных их видов — всего несколько. Так вот: для регулярных чипов того времени технорма — минимальный полушаг линейно-регулярной структуры (то есть одномерного ряда чего-то), а для нерегулярных — минимальная ширина дорожки нижнего уровня металла с контактами (что примерно вдвое длиннее затвора транзистора).

До субмикронных технорм (когда их и измеряли микронами, а не нанометрами) действовало простое лямбда-правило (этой греческой буквой обозначается длина волны света): если не считать разные оптические тонкости, влияющие на так называемую числовую апертуру, то при уменьшении длины волны вдвое можно формировать вдвое меньшего размера и сами структуры, главная из которых — длина затвора транзистора. Это дает вдвое бо́льшие достижимые частоты, вдвое меньшее напряжение питания и ввосьмеро (!) меньшее потребление на одно переключение транзистора между открытым и закрытым состояниями. Ясно, что такие идеалы вообще ни в какой микросхеме ни разу не соблюдались, но лучшие образцы вполне приближались к ним. (Тут автор позволит себе освободить читателя от созерцания лишних формул и таблиц.)

В 1990-е годы, после перехода на технормы менее микрона, стало применяться альфа-правило: теперь размеры отдельных элементов домножались на определенный коэффициент, который для очередного техпроцесса оказывался не обязательно линейно соответствующим разнице в технорме. Если точнее, каждый следующий шаг процесса выбирается примерно на 30% меньше предыдущего — вот откуда получается всем известный «нанометровый» ряд: 350, 250, 180, 130, 90, 65, 45, 32, 22… Можно наивно предположить, что основные параметры транзистора (частота, потребление и размеры) должны ровно так же уменьшаться на тот же коэффициент (в нужной степени). В реальности же длина затвора сначала падала быстрее уменьшения размера технормы, а затем медленнее. Прочие величины также уменьшаются слабее, а в 2010-х годах у отдельных фирм стали появляться чудеса и покруче, когда размеры отдельных частей вообще не меняются в новом процессе.

Момент демонстрации	Компания(-и)	Площадь, кв. мк
2004	TSMC	0,296
январь 2006	Intel	0,346
февраль 2006	Toshiba, Sony, NEC	0,248
апрель 2006	AMD	0,370
апрель 2006	STM, Freescle, NXP	0,250¹
июнь 2006	Texas Instruments	0,240²
ноябрь 2006	UMC	Краткий ответ: никак. К 45-нанометровому процессу Intel достигла длины затвора в 25 нм для традиционных планарных транзисторов (с плоским затвором), на чем и остановилась: дальнейшее уменьшение этого параметра уже ухудшило бы параметры транзистора. Поэтому начиная с техпроцесса 32 нм уменьшались остальные элементы, а вот длина затвора даже немного увеличилась — пока ее не стали считать иначе. После внедрения транзисторов с «плавниковым затвором» (FinFET) в 22-нанометровом процессе получилось так, что транзисторная плотность все еще могла увеличиваться, пока длина затвора (20–26 нм) и некоторые другие размеры оставались почти неизменными. Из-за свойств многозатворных транзисторов приходилось считать так называемую эффективную длину затвора-плавника: две высоты плюс одна ширина (то есть расстояние от истока до стока). Очевидно, что с такой существенно измененной геометрией бесполезно применять старую схему привязки технормы к «длине затвора». Дело дошло до того, что на очередном форуме IEDM (International Electron Devices Meeting — международная встреча инженеров электроники) технорму «45 нм» (и все последующие) постановили считать маркетинговым понятием — то есть не более чем цифрой для рекламы. Фактически, сегодня сравнивать техпроцессы по нанометрам стало не более разумно, чем 20 лет назад (после выхода Pentium 4) продолжать сравнивать производительность процессоров (пусть даже и одной программной архитектуры x86) по гигагерцам. Разница в техпроцессах при одинаковых технормах активно влияет и на цену чипов. Например, AMD использовала разработанный совместно с IBM 65-нанометровый процесс с SOI-пластинами (технология кремния-на-изоляторе нужна для уменьшения паразитных утечек тока, что снижает потребление энергии логики и памяти даже в простое), двойными подзатворными оксидами (во избежание туннелирования электронов из затвора в канал), имплантированным в кремний германием (улучшает подвижность электронов, расширяя межатомное расстояние в полупроводнике), двумя видами напряженных слоев (сжимающим и растягивающим — аналогичная оптимизация, имитирующая меньшую длину канала) и 10 слоями меди для межсоединений. А вот у Intel 65-нанометровый техпроцесс включал относительно дешевую пластину из цельного кремния (bulk silicon), диэлектрик одинарной толщины, имплантированный в кремний германий, один растягивающий слой и 8 слоев меди. По примерным подсчетам, Intel потребует для своего процесса 31 фотолитографическую маску (и соответствующее число производственных шагов на конвейере), а AMD — 42. В результате из-за значительной разницы в технологиях напряженного кремния и типа подложки (SOI-пластины стоили на тот момент примерно в 3,6 раза дороже простых) конечная цена 300-миллиметровой пластины для AMD была ≈$4300, что на 70% выше цены для Intel — ≈$2500. Кстати, процессоры Intel, как правило, оказываются еще и с меньшими площадями кристаллов, чем аналогичные по числу ядер и размеру кэшей процессоры AMD (по крайней мере, до первого внедрения архитектуры Zen). Теперь ясно, почему Intel стабильно показывала завидную прибыль, а AMD в начале 2010-х едва держалась на ногах, даже избавившись от своих фабрик и перейдя на бесфабричное производство (модель fabless). По докладам на IEDM можно составить сводную таблицу с параметрами техпроцессов ведущих компаний, актуальных на момент «перелома мышления» — около 2010 г. Из нее видно, что все техпроцессы с «мелкой» технормой (process node) перешли на двойное формирование (DP, double patterning — позволяет изготовить структуры вдвое меньше предельного размера за счет удвоенного числа экспозиций и масок для них) и иммерсионную литографию (использование оптически плотной жидкости вместо воздуха в рабочей зоне литографа), а напряжение питания (Vdd) давно остановилось на 1 вольте (потребление транзистором энергии и без этого продолжает падать, но не так быстро). Куда интересней сравнить длину затвора (LGate), шаг затвора с контактом (Contacted Gate Pitch) и площадь ячейки СОЗУ (SRAM Cell Size). Тут надо указать, что кэши изготовленных с той же технормой микросхем той же фирмы имеют в случае кэшей L2 и L3 площадь ячейки на 5%–15% больше указанной, а для L1 — на 50%–70% больше. Дело в том, что сообщаемые на IEDM цифры площади тоже являются несколько рекламными. Они верны лишь для одиночного массива ячеек и не учитывают усилители, коммутаторы битовых линий, буферы ввода-вывода, декодеры адреса и размены плотности на скорость (для L1). Для простоты возьмем только «скоростные» (High Performance) процессы Intel. Для 130 нм длина затвора составляла 46% технормы (при идеале 50%), а через несколько лет — 94%. Тем не менее, шаг затвора уменьшился в те же 4 раза, что и технорма. Однако если разделить площадь ячейки СОЗУ на квадрат технормы, то старым ячейкам нужно ≈120 таких квадратиков, а новым — уже ≈170. У AMD с ее SOI-пластинами — примерно так же. На техпроцессе 65 нм фактический минимальный размер затвора может быть снижен до 25 нм, но шаг между затворами может превышать 130 нм, а минимальный шаг металлической дорожки — 180 нм. Вот тут и видно, что начиная примерно с 2002 г. размеры транзисторов уменьшаются медленней технорм. Выражаясь простым языком, нанометры уже не те… Особенно интересно в этом плане рассмотреть хорошо уже исследованный техпроцесс Intel «22 нм», представленный в 2012 г. Вооружившись цифрами, можно проверить обещанное компанией. По предварительным цифрам выглядит неплохо: площадь ячейки — 0,092 квадратного микрона для «быстрой» и 0,108 мк² для энергоэффективной версии процесса (это данные 2009 г. для тестовой микросхемы СОЗУ на 22 нм). Для быстрой версии это эквивалентно 190 элементарным квадратам — еще чуть хуже, чем для прошлых технорм. Но Intel продолжает использовать 193-нанометровую иммерсионную литографию и для 14 нм — со все еще двойным формированием. А для 10 нм (которые Intel уже шесть лет пытается довести до ума) — экспозиций и масок уже от трех до пяти (не считая скругления вставок). При этом для процесса на 10 нм стоимость стадий литографии на единицу площади оказывается примерно в 6 раз больше, чем для 32 нм, а вот площадь меньше в 10 раз (то есть (32/10)² — как при идеальном уменьшении) не стала до сих пор; это, кстати, является причиной того, почему у Intel уже который год вместо обещанных честных 10 нм растет только число плюсов у обозначения технормы «14 нм», которая в очередной раз «улучшается». Тут уже даже неважно, почему Intel и ее коллеги из других компаний решили, что следующие два процесса будут иметь технормы 14 и 10 нм, а не 16 и 11, как можно было ожидать (если каждая следующая — в √2 раз меньше). Ведь цифры теперь мало что значат… Как сказал Паоло Гарджини (Paolo Gargini — ветеран Intel и пожизненный член IEEE): число нанометров промышленной технормы «к этому времени уже не имеет совершенно никакого значения, так как не обозначает размер чего-либо, что можно найти на кристалле и что относится к вашей работе». Скажем, в новейших техпроцессах «7 нм» Samsung и TSMC на кристалле нет ничего, что было бы настолько малым. Например, длина затворов там — 15 нм. Другая проблема, возникающая в этой связи — стоимость каждого транзистора. Все предыдущие 60 лет развития микроэлектроники основывались на уверенности в том, что даже несмотря на постоянное увеличение цены заводов и разработки техпроцессов и чипов цена самих чипов в пересчете на транзистор будет все время уменьшаться. Так и происходило — примерно до 32 нм, после которых наступил раскол: микросхемы памяти продолжили дешеветь на единицу объема (особенно это коснулось флэш-памяти, которая массово перешла на объемное хранение данных на десятках уровней — технология 3D-NAND), а вот логика сильно затормозилась. Да, последние версии техпроцессов 14 нм предлагают транзисторы все же чуть дешевле, чем у 22 нм — но именно что «чуть», и это после стольких лет возни. Да и производительность при том же потреблении энергии хоть и растет, но всё медленнее… Простейшим решением была бы перепривязка технормы к размеру не затвора, а чего-то другого, более представительного для современного транзистора. Одним числом тут не обойдешься, поэтому предложено использовать две меры длины: CPP, contacted (poly) gate pitch — шаг поликремниевого затвора с контактом (то есть между затворами соседних транзисторов); и MMP, metal-to-metal pitch — шаг первого уровня металлических дорожек, проходящих перпендикулярно поликремниевым линиям, нарезаемым на затворы. Причем теперь нет смысла делить оба шага на два, так как эта половина теперь менее важна. Эта пара значений на некоторое время стала «наименьшим общим знаменателем» в описании логического техпроцесса, а их произведение дает неплохую оценку возможной площади транзистора. Любой фактический транзистор на кристалле будет немного (или много) больше, но никак не меньше этого минимума, и к этому идеалу вполне можно приблизиться при тщательном проектировании и следовании правилам техпроцесса. Ситуация второй половины 2010-х годов получилась весьма похожей на то, что переживали в кризис производители продуктов питания: чтобы не увеличивать цены на привычные товары, их просто стали недоливать и недосыпать. Нет-нет, в каждом килобайте кэша все еще ровно 1024 байта, а не 970 (как написано число миллилитров на некоторых «литровых» бутылках молока). Но чиподелы просто окончательно отвязали свои рекламируемые нанометры от физических размеров чего-либо в изготавливаемых микросхемах. TSMC, например, выдала техпроцесс «16FF» с такими же шагами, как у предыдущего на 20 нм. А Intel пошла еще дальше и вспомнила принцип «не можешь отменить — возглавь»: в 2017 г. в ходе ежегодного мероприятия «Производственный день» (Manufacturing Day) старший заслуженный исследователь и директор по архитектурам техпроцессов и интеграции Intel Марк Бор (Mark Bohr) предложил коллегам по отрасли «внести ясность» в определение технологической нормы, изменив его так, чтобы растолковать потребителям, что именно в покупаемых ими микросхемах все-таки улучшается. Компания показала график, на котором видно, что переход на каждый следующий шаг приводил к удвоению степени интеграции (удельной плотности компоновки, измеряемой в МТр/мм² — миллионах транзисторов на квадратный миллиметр): на той же площади кристалла помещалось примерно вдвое больше элементов. Однако после техпроцесса 22 нм «другие компании» (по мнению Intel) отказались от этого, продолжив уменьшать число нанометров у технормы, но при минимальном, а то и совсем отсутствующем повышении плотности. По мнению Бора, это связано с ростом сложности дальнейшего уменьшения размеров. (От себя можно добавить: …и цены́ получаемых чипов — с учетом платежеспособности потребителей и получаемого срока окупаемости вложений в новый техпроцесс.) В результате декларируемые значения не дают представления о реальных возможностях техпроцесса и его положении на графике, который должен демонстрировать сохранение применимости закона Мура. Вместо этого Intel предложила определять возможности техпроцесса по новой формуле, в которую входят площади типовых блоков — простейшего вентиля 2-NAND (двухвходовый логический элемент «и-не») и более сложного синхронного триггера — и число транзисторов в них; их отношения умножены на «правильные» коэффициенты, отражающие относительную распространенность простых (0,6) и сложных (0,4) элементов. Сразу можно заподозрить, что все цифры подобраны для еще более наглядной демонстрации лидерства Intel в сравнении с «другими производителями». Но чуть позже всё стало выглядеть так, будто компания движется вспять, очередной оптимизацией техпроцесса добиваясь худшей плотности: исходный 14-нанометровый процесс (вышедший аж в 2014 г.) имел 44,67 МТр/мм², а дважды обновленный «14++ нм» (образца 2017 г.) — 37,22 МТр/мм². На самом деле это размен с потреблением энергии, которое в «двухплюсовой» версии процесса уполовинилось (опять же — со слов Intel). Тем не менее, общая идея этого перехода (перепривязка технормы от размера «чего-то там» на кристалле — к оценке среднеожидаемой плотности транзисторов для типичной схемы) имеет не только рекламный смысл, но и практический: если каждый чиподел будет публиковать значение, полученное по новой формуле, для каждого своего техпроцесса, то можно будет сравнивать разные техпроцессы и у одного производителя, и у разных. Причем независимые компании, занимающиеся обратной инженерией (Reverse engineering), типа Chipworks, смогут легко проверять заявленные значения. Внимательный читатель тут же заметит, что у микроэлектронной отрасли уже есть один интегральный показатель, позволяющий оценить эффективность техпроцесса по плотности транзисторов без привязки к величине нанометров: вышеупомянутая площадь шеститранзисторной ячейки СОЗУ, также являющейся распространенным строительным блоком для микросхем. Число ячеек заметно влияет на общую степень интеграции в виде среднего числа транзисторов на единицу площади кристалла. Тут Intel пошла на компромисс, предложив не отказаться от площади СОЗУ, а сообщать ее отдельно — учитывая, что в разных микросхемах соотношение сумм площадей ячеек памяти и логических блоков сильно отличается. Впрочем, даже с этим учетом на практике пиковая плотность невозможна и по другой причине: плотности тепловыделения. Чипы просто перегреют себя наиболее горячими местами, расположенными слишком близко друг к другу при высокоплотном дизайне. Поэтому их разряжают чем-то менее горячим (например, емкой памятью) и/или малоплотным (как контроллеры периферийных шин). И это еще без учета аналоговых элементов, которые в такие формулы не вписываются в принципе… Уменьшение транзисторов типа FinFET позволило весьма эффективно уменьшать управляющий ток (подаваемый на затвор для переключения) ростом высоты плавников и уменьшением их шага. С какого-то момента много затворов для высоких частот уже оказываются не столь нужны, и их число тоже можно уменьшить — вместе с числом подходящих к ним дорожек, причем без просадки скорости. В результате недавно введенная метрика «CPP × MMP» «развалилась», поскольку не учитывает меньшую высоту логических ячеек. Еще более скоротечной компромиссной полумерой было домножение ее на минимальное число дорожек металла для построения логического вентиля: «CPP × MMP × Tracks», сокращенно GMT. Однако не все дальнейшие оптимизации могут быть отображены даже в новой версии формулы. Например, расположение контакта непосредственно над затвором (а не сбоку от него) снижает высоту ячейки, а использование одного бокового ложного затвора вместо двух для смежных вентилей уменьшает ее ширину. Ни то, ни другое в формуле не учитывается, что и было формальной причиной для перехода на подсчет мегатранзисторов логики на квадратный миллиметр. Самая свежая из нынешних технологий литографии — ЭУФ (экстремальный ультрафиолет). Она использует длину волны 13,5 нм, ниже которой пока коммерчески пригодной дороги нет. А это значит, что размеры чего-либо на кристалле скоро совсем перестанут уменьшаться. Чиподелам, производящим логику (особенно процессоры и контроллеры), придется подсмотреть у своих «пекущих» память коллег технологии монолитной объемной компоновки, располагающие транзисторы (а не только связывающие их дорожки) слоями. В результате удельная плотность транзисторов на единицу площади будет расти уже с числом их слоев. Потому новой идеей было переопределение буквы T в формуле с «Tracks» на «Tiers», на которую надо не умножать, а делить. Кстати, предложил это тот же Паоло Гарджини, ныне ставший главой IRDS (IEEE International Roadmap for Devices and Systems) — организации «международного плана для приборов и систем» и преемницы почившей в бозе ITRS, собрания которой стали бессмысленными вследствие кризиса общего целеполагания мировой полупроводниковой отрасли и ввиду предсказания остановки уменьшения размеров транзисторов уже в 2028 г. С момента предложения формулы Бора прошло три года, и без труда можно заметить (на примере Intel и AMD — двух крупнейших производителей процессоров, сообщающих о своих новинках хоть сколько-нибудь подробно), что компании не перестали расхваливать свои чипы с упоминанием пресловутых нанометров. Зато Intel и AMD за это время поменялись местами: Intel, кажется, уже отчаялась доделать свой техпроцесс 10 нм и раздумывает над переходом сразу на что-то еще меньшее (неважно, с какой цифрой); зато AMD рекламирует свои новые процессоры архитектуры Zen2 как носящие 7-нанометровые транзисторы, подчеркивая преимущество над конкурентом. Впрочем, мелкими буквами указано, что речь идет только о кристаллах CCD (Core Complex Die), где размещены 8 x86-ядер и мегабайты кэша, а изготовлены они на фабе TSMC и имеют площадь всего 74 мм². А вот контроллеры памяти и периферии расположены на отдельном чипе — 12-нанометровом «client I/O Die» (cIOD) или 14-нанометровом «server I/O Die» (sIOD); оба вида делаются на заводе GlobalFoundries и имеют бо́льшую площадь из-за более грубого техпроцесса, однако по той же причине они и дешевле. Свежайший пример нелинейного улучшения плотности — параметры процессоров (точнее — SoC, однокристальных систем) для игровых приставок Microsoft серии XBox. Все эти чипы проектировались силами AMD, а производятся у TSMC, поэтому сравнивать их параметры весьма удобно. При почти неизменной площади 360–375 мм² переход от 28 нм к 16 увеличил плотность не втрое (как можно было ожидать при линейном уменьшении размеров транзисторов), а всего на треть (сравнивая XBox One и XBox One X). А следующий переход к 7 нм должен был дать аж 5-кратное уплотнение, но выдал только 2,3 раза. Цена процессора при этом не забывала расти. Год назад, видя такие дела, в университете Беркли (Калифорния, США) собрались видные теоретики микроэлектроники (в том числе все три изобретателя «финфетов»: Chenming Hu, Tsu-Jae King Liu и Jeffrey Bokor) и… Да-да, нетрудно догадаться: они предложили новую, очереднадцатую метрику. Назад к нанометрам возвращаться никто не призывает. Наоборот, профессоры и инженеры решили вместо одной цифры использовать три, к плотности транзисторов логики (DL) добавив плотность транзисторов памяти (DM — в битах/мм²; и это не старая-добрая СОЗУ, а еще более плотная динамическая память — ДОЗУ, или DRAM) и плотность связующих кристалл с подложкой шариковых выводов (DC — в тысячах на мм²). Последний параметр знаменует наибольшее отклонение от стандартных мерил техпроцессов, так как не имеет никакого отношения к транзисторам. Тем не менее, в последние годы стало ясно, что подвод питания и обеспечение всё большей пропускной способности и меньших задержек при доступе к памяти требуют от чиподелов показывать заметный прогресс и в этой величине. Как и версия Intel, новая метрика LMC (названая по индексам плотностей) использует интуитивное правило «больше — лучше» для всех трех своих цифр и не имеет верхних границ, обусловленных какими-то физическими пределами. Это дает определенную психологическую уверенность, что прогресс всё еще неостановим — что весьма важно в свете наблюдаемого в западных вузах падения популярности кафедр микроэлектроники, физики полупроводников, материаловедения и смежных прикладных наук. При этом числа остаются вполне уместными и отражающими возможности описываемых ими техпроцессов с точки зрения конечного пользователя: компьютеры продолжают улучшаться по основным параметрам логики, памяти и периферии — производительности, энергоэффективности и цене. Причем рост всех трех плотностей пока не прерывается и происходит одновременно, образуя важный баланс в развитии вычислительной техники — от смартфонов до суперкомпьютеров. Проще говоря, по этой метрике закон Мура все еще работает. Ложкой дегтя будет тот факт, что список производителей новейших «бочек меда» сократился до удивительного минимума. А именно: 180 нм умеют «печь» 29 фирм в мире, 130 нм — 26, 90 нм — 19, 65–40 нм — 14, 32–28 — 10… Дальше происходит как в известной песенке-считалке «Десять негритят»: Panasonic, STM, HLMC, UMC, IBM, SMIC, GF, Samsung, TSMC и Intel отправились печь чипы на 22–20 нм; первые трое обожглись, и их осталось семеро. На 16–14 нм сдалась IBM (продавшая свой самый крутой фаб коллегам из GlobalFoundries). А 10 и 7 нм и вовсе осилила лишь последняя тройка — пока не подтянется «Альянс общей платформы» (Common Platform Alliance: объединение GF, IBM, STM, UMC и Samsung — в котором владельцем обновленных фабов, видимо, останется только последняя); причем 7 нм у Intel появятся «в 2021 г.» (читай — в неопределенном будущем). То есть сложность и стоимость изготовления «тонких» техпроцессов и фабов для них оказывается столь запредельной, что это уже вопрос банального выживания на рынке. Куда уж тут до конкуренции и честности подачи нанометров… Источник ← длина прямоугольника 8 см чему равна площадь если периметр 28 длина свинчивания резьбы что это → Вам также понравится Что это такое электроовец 12.06.202312.06.2023 admin 0 говорят что в стране имеет место экономический рост когда 18.05.202318.05.2023 admin 0 если кажется что пахнет спиртом 20.05.202322.05.2023 admin 0 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email *