Что такое компьютерный чип?
Компьютерный чип – это крошечная пластина из полупроводникового материала со встроенной электронной схемой. Он содержит миллионы микроскопических электронных компонентов (транзисторов), которые передают сигналы данных. Изначально чипы были большими, а вычисления выполнялись только в национальных лабораториях, университетах или крупных компаниях. Инновации в технологии компьютерных чипов привели к разработке высокопроизводительных процессоров, на которых работают все типы многофункциональных приложений аналитики, графики и машинного обучения. Когда размер компьютерного чипа уменьшился, это дало возможность создавать компьютеры меньшего размера, которые можно было бы использовать дома. Сегодня компьютерный чип используется везде: и в микроволновке, и в зубной щетке.
Как делают компьютерные чипы?
Чипы для компьютеров обычно производятся на предприятиях, называемых заводами по производству или заводами. Они сделаны из кремния – распространенного химического элемента, содержащегося в песке. Кремний является полупроводником – это означает, что его электропроводность занимает усредненную позицию где-то между металлами, такими как медь, и такими диэлетриками, как стекло.
Краткое описание процесса производства чипов.
Добыча и обработка кремния
Слитки монокристаллического кремния добывают путем плавления и очистки песка. Слитки почти на 100 % чистые. Их нарезают на тонкие пластины (чипы), которые очищают, полируют и покрывают слоем диоксида кремния. Чтобы повысить светочувствительность, кремниевые пластины покрывают дополнительным слоем химического вещества, известного как фоторезист. Во время этого процесса соблюдаются строгие меры предосторожности, которые обеспечивают отсутствие загрязнения пластин пылью или другими посторонними веществами. Когда базовые кремниевые чипы готовы, на них вытравляются электронные схемы.
Травление электронных схем
Кремниевая пластина накрывается пластинкой с рисунком микросхемы, которая называется маской, и подвергается воздействию ультрафиолетового света. Под воздействием излучения затвердевают оголенные участки фоторезиста с рисунком схемы. Затем горячие газы плавят подвергающийся воздействию материал, обнажая диоксид кремния под ним. На нем отображается 3D-рисунок, точно соответствующий модели проектирования схемы на маске.
В процессе производства микросхем травление – это химическое удаление слоев с пластины, а легирование – это добавление примесей в состав пластины с целью ее изменения. Процесс травления и легирования может повторяться сотни раз на одном и том же компьютерном чипе для создания более сложных интегральных схем.
Как работают компьютерные чипы?
Компьютерные чипы работают, передавая электрические сигналы через элементы схемы.
Аналоговые интегральные схемы
Аналоговые схемы передают непрерывные изменяющиеся сигналы в заданный период времени. Выходной сигнал является линейной функцией входного сигнала с прямо пропорциональными напряжениями. Этот тип интегральной схемы используется в функциональных устройствах, таких как таймеры, компараторы, регуляторы напряжения и операционные усилители. Аналоговые микросхемы используются в генераторах развертки, осцилляторах, аудиоусилителях и фильтрах.
Цифровые интегральные схемы
Цифровые схемы передают прерывистые или двоичные сигналы. Выходное напряжение может быть высоким или низким. Высокое напряжение представляет логическое значение 1, а низкое напряжение – значение 0.
Цифровые схемы предназначены для выполнения различных логических операций, таких как AND, OR и NAND. Например, логическая операция OR соответствует логическому сложению и является основой компьютерных операций сложения. Таким образом, цифровые интегральные схемы являются основой всех вычислительных операций. Они имеют ключевое значение для всех программируемых устройств, логических плат, микроконтроллеров и памяти.
Интегральные схемы со смешанными сигналами
Чипы со смешанными сигналами сочетают в себе элементы как аналоговых, так и цифровых микросхем. Гибридная конструкция позволяет использовать чипы, которые действуют как цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. Эти усовершенствованные интегральные схемы являются еще одним ключевым компонентом современных вычислений.
Квантовые схемы
Квантовые схемы – это следующий этап эволюции вычислений. Квантовая схема – это вычислительная процедура, определяющая серию логических квантовых операций над базовыми кубитами. Кубиты представлены квантовыми частицами, которые отличаются от логических цифровых сигналов. Логические сигналы соответствуют значениям 1 или 0, но кубиты могут быть помещены в суперпозицию состояний. Чипы с квантовыми схемами составляют основу квантовых вычислений, являя собой новую технологию.
Каковы типы компьютерных чипов?
Компьютерные чипы подразделяются на четыре основные категории в зависимости от функциональности.
Чипы памяти
Чипы памяти хранят программы и данные на компьютерах и запоминающих устройствах. Чипы RAM (ОЗУ) обеспечивают временное хранение, тогда как флэш-накопители и твердотельные накопители (SSD) могут хранить информацию постоянно. Блоки флэш-памяти могут сохранять данные даже при отключении электрического тока.
Логические чипы
Логические или процессорные чипы обрабатывают данные для выполнения задач. Это мозг современных электронных устройств. ЦП – это основной тип логических чипов, используемых в микропроцессорах серверов и другого вычислительного оборудования. Однако логические чипы также могут быть разработаны для выполнения определенных функций. Ниже приведено несколько примеров.
- Графические процессоры предназначены для оптимизации визуального отображения
- Нейронные процессоры предназначены для приложений глубокого обучения и машинного обучения
Подробнее о глубоком обучении »
Подробнее о машинном обучении »
ASIC
Интегральные схемы для конкретного применения (ASIC) предназначены для выполнения повторяющихся процедур обработки для конкретной задачи. Эти современные чипы производятся большими партиями для узкоспециализированных устройств, таких как сканеры штрих-кода. Другим примером является майнинг биткойнов, в процессе которого ASIC выполняют сложные математические процедуры, необходимые для создания новых биткойнов.
SoC (СнК)
Система на кристалле (SoC, СнК) – это новейший тип чипа. Все электронные компоненты, необходимые для всей системы, встроены в один чип. У SoC более обширные возможности, чем у микроконтроллеров. Микроконтроллер обычно сочетает в себе ЦП с памятью и обработкой ввода-вывода. Однако SoC может интегрировать обработку сигналов графики, звука, камеры и видео.
Как AWS способствует инновациям в области компьютерных чипов?
Компания Amazon Web Services (AWS) потратила годы на разработку специализированных компьютерных микросхем, оптимизированных для работы в облаке. В результате эластичное вычислительное облако Amazon (Amazon EC2) предлагает управляемые процессорами AWS инстансы, которые оптимизированы для использования в большом числе интенсивных рабочих нагрузок, связанных с вычислениями, памятью и хранением данных. Amazon EC2 также предлагает специализированные микросхемы для машинного обучения (МО) и логического вывода.
Ниже приведены некоторые другие инновации AWS.
- Система AWS Nitro – это базовая платформа для наших инстансов Amazon EC2 следующего поколения. Система дает нам возможность быстрее внедрять инновации, продолжать снижать цены для своих клиентов и предоставлять дополнительные преимущества, такие как повышение безопасности и новые типы инстансов.
- Процессоры AWS Graviton предлагают наилучшее соотношение цены и производительности для ваших приложений. Инстансы на основе AWS Graviton предлагают улучшенное на 40 % соотношение цены и производительности по сравнению с оптимизированными для вычислений инстансами на базе x86.
- Акселераторы AWS Inferentia предназначены для обеспечения высокой производительности при минимальных затратах для ваших приложений вывода на основе глубокого обучения.
- Микросхемы машинного обучения AWS Trainium предлагают лучшее соотношение цены и производительности в облаке для обучения моделей глубокого обучения.
Начните работу с инстансами AWS на базе специализированных компьютерных микросхем, создав бесплатную учетную запись уже сегодня.
AWS: дальнейшие шаги
Получите мгновенный доступ к уровню бесплатного пользования AWS.
