Contagem de transistores - Transistor count

Fabricação de dispositivos semicondutores
Escalonamento MOSFET ( nós de processo )
010 µm  - 1971 006 µm  - 1974 003 µm  - 1977  1,5 µm  - 1981 001 µm  - 1984 800 nm  - 1987 600 nm  - 1990 350 nm  - 1993 250 nm  - 1996 180 nm  - 1999 130 nm  - 2001 090 nm  - 2003 065 nm  - 2005 045 nm  - 2007 032 nm  - 2009 022 nm  - 2012 014 nm  - 2014 010 nm  - 2016 007 nm  - 2018 005 nm  - 2020
Futuro 003 nm  ~ 2022 002 nm  ~ 2024
Meios nós Densidade CMOS Dispositivo ( multiportas ) Lei de Moore Contagem de transistores Semicondutor Indústria Nanoeletrônica
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A contagem de transistores é o número de transistores em um dispositivo eletrônico. Normalmente se refere ao número de MOSFETs ( transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico ou transistores MOS) em um chip de circuito integrado (IC), já que todos os ICs modernos usam MOSFETs. É a medida mais comum da complexidade do IC (embora a maioria dos transistores nos microprocessadores modernos esteja contida nas memórias cache , que consistem principalmente nos mesmos circuitos de células de memória replicados muitas vezes). A taxa na qual as contagens de transistores MOS aumentaram geralmente segue a lei de Moore , que observou que a contagem de transistores dobra aproximadamente a cada dois anos.

A partir de 2019, a maior contagem do transistor num microprocessador disponível comercialmente é 39,54  bilhões MOSFETs, em AMD 's Zen 2 baseado Epyc Roma , que é um 3D circuito integrado (com oito matrizes num único pacote) fabricado usando TSMC de 7 nm Processo de fabricação de semicondutores FinFET . Em 2020, a maior contagem de transistores em uma unidade de processamento gráfico (GPU) era o GA100 Ampere da Nvidia com 54 bilhões de MOSFETs, fabricados usando o processo de 7 nm da TSMC . A partir de 2019, a maior contagem de transistor, em qualquer circuito integrado IC foi Samsung 's 1 terabytes eUFS ( 3D-empilhados ) V-NAND flash de chip de memória , com 2 biliões de MOSFETs de porta flutuante ( 4 bits por transístor ). Em 2020, a maior contagem de transistores em qualquer chip IC era um mecanismo de aprendizado profundo chamado Wafer Scale Engine 2 da Cerebras , usando um design especial para rotear qualquer núcleo não funcional no dispositivo; tem 2,6 trilhões de MOSFETs, fabricados usando o processo FinFET de 7 nm da TSMC .       

Em termos de sistemas de computador que consistem em vários circuitos integrados, o supercomputador com a maior contagem de transistores em 2016 é o Sunway TaihuLight projetado na China , que tem para todas as CPUs / nós combinados "cerca de 400 trilhões de transistores na parte de processamento do hardware "e" o DRAM inclui cerca de 12 quatrilhões de transistores, e isso é cerca de 97 por cento de todos os transistores. " Para comparar, o menor computador , em 2018 anão por um grão de arroz, tem cerca de 100.000 transistores. Os primeiros computadores experimentais de estado sólido tinham apenas 130 transistores, mas usavam grandes quantidades de lógica de diodo . O primeiro computador nanotubo de carbono tem 178 transistores e é um computador com conjunto de instruções de 1 bit , mais tarde um é de 16 bits (enquanto o conjunto de instruções é RISC-V de 32 bits ).

Em termos do número total de transistores existentes, estimou-se que um total de 13 sextilhões ( 1,3 × 10 ²² ) Os MOSFETs foram fabricados em todo o mundo entre 1960 e 2018. Os MOSFETs representam pelo menos 99,9% de todos os transistores, a maioria dos quais foram usados ​​para memórias flash NAND fabricadas durante o início do século XXI. Isso torna o MOSFET o dispositivo mais amplamente fabricado da história.

Contagem de transistores

Gráfico de contagens de transistores MOS para microprocessadores em relação às datas de introdução. A curva mostra que as contagens dobram a cada dois anos, de acordo com a lei de Moore

Entre os primeiros produtos a usar transistores estavam os rádios transistores portáteis , lançados em 1954, que normalmente usavam de 4 a 8 transistores, muitas vezes anunciando o número na caixa do rádio. No entanto, os primeiros transistores de junção eram dispositivos relativamente volumosos que eram difíceis de fabricar em uma base de produção em massa , limitando a contagem de transistores e restringindo seu uso a uma série de aplicações especializadas.

O MOSFET (transistor MOS), inventado por Mohamed Atalla e Dawon Kahng no Bell Labs em 1959, foi o primeiro transistor verdadeiramente compacto que poderia ser miniaturizado e produzido em massa para uma ampla gama de usos. O MOSFET tornou possível construir circuitos integrados de alta densidade (ICs), permitindo a lei de Moore e integração em larga escala . Atalla propôs pela primeira vez o conceito do chip de circuito integrado MOS (MOS IC) em 1960, seguido por Kahng em 1961, ambos observando que a facilidade de fabricação do MOSFET o tornava útil para circuitos integrados. O primeiro MOS IC experimental a ser demonstrado foi um chip de 16 transistores construído por Fred Heiman e Steven Hofstein nos RCA Laboratories em 1962. A integração em grande escala foi possível com uma melhoria na fabricação de dispositivos semicondutores MOSFET , o processo CMOS , desenvolvido por Chih-Tang Sah e Frank Wanlass na Fairchild Semiconductor em 1963.

À medida que a indústria de fabricação de chips muda para processos mais novos, o número de transistores por unidade de área continua aumentando. A contagem e a densidade do transistor são freqüentemente relatadas como conquistas técnicas.

Microprocessadores

Parte de uma gaiola de placa IBM 7070 preenchida com placas de sistema modular padrão

Um microprocessador incorpora as funções da unidade de processamento central de um computador em um único circuito integrado . É um dispositivo multifuncional programável que aceita dados digitais como entrada, processa-os de acordo com as instruções armazenadas em sua memória e fornece resultados como saída.

O desenvolvimento da tecnologia de circuito integrado MOS na década de 1960 levou ao desenvolvimento dos primeiros microprocessadores. O MP944 de 20 bits , desenvolvido por Garrett AiResearch para o caça F-14 Tomcat da Marinha dos Estados Unidos em 1970, é considerado por seu projetista Ray Holt como o primeiro microprocessador. Era um microprocessador multi-chip, fabricado em seis chips MOS. No entanto, foi classificado pela Marinha até 1998. O Intel 4004 de 4 bits , lançado em 1971, foi o primeiro microprocessador de chip único. Isso foi possível com uma melhoria no design do MOSFET , a tecnologia MOS silicon-gate (SGT), desenvolvida em 1968 na Fairchild Semiconductor por Federico Faggin , que passou a usar a tecnologia MOS SGT para desenvolver o 4004 com Marcian Hoff , Stanley Mazor e Masatoshi Shima na Intel .

Todos os chips com mais de, por exemplo, um milhão de transistores têm muita memória, geralmente memórias cache no nível 1 e 2 ou mais níveis, respondendo pela maioria dos transistores em microprocessadores nos tempos modernos, onde grandes caches se tornaram a norma. Os caches de nível 1 do chip Pentium Pro representavam mais de 14% de seus transistores, enquanto o cache L2 muito maior estava em um chip separado, mas no pacote, portanto não está incluído na contagem de transistores. Os chips posteriores incluíram mais níveis, L2 ou mesmo L3 no chip. O último chip DEC Alpha feito tem 90% disso para cache.

Embora o pequeno cache i960CA da Intel de 1 KB, com cerca de 50.000 transistores, não seja uma grande parte do chip, ele sozinho seria muito grande nos primeiros microprocessadores. No chip ARM 3 , com 4 KB, o cache era superior a 63% do chip, e no Intel 80486 seu cache maior tinha apenas mais de um terço porque o resto do chip é mais complexo. Portanto, as memórias cache são o maior fator, exceto nos primeiros chips com caches menores ou até mesmo em chips anteriores sem nenhum cache. Então, a complexidade inerente, por exemplo, número de instruções, é o fator dominante, mais do que, por exemplo, a memória que os registros do chip representam.

GPUs

Uma unidade de processamento gráfico (GPU) é um circuito eletrônico especializado projetado para manipular e alterar rapidamente a memória para acelerar a construção de imagens em um buffer de quadro destinado à saída para um monitor.

O designer se refere à empresa de tecnologia que projeta a lógica do chip de circuito integrado (como Nvidia e AMD ). O fabricante se refere à empresa de semicondutores que fabrica o chip usando seu processo de fabricação de semicondutores em uma fundição (como TSMC e Samsung Semiconductor ). A contagem de transistores em um chip depende do processo de fabricação do fabricante, com nós semicondutores menores que normalmente permitem maior densidade de transistores e, portanto, contagens de transistores maiores.

A memória de acesso aleatório (RAM) que vem com GPUs (como VRAM , SGRAM ou HBM ) aumenta muito a contagem total de transistores, com a memória normalmente respondendo pela maioria dos transistores em uma placa de vídeo . Por exemplo, o Tesla P100 da Nvidia tem 15 bilhões de FinFETs ( 16 nm ) na GPU, além de 16 GB de memória HBM2 , totalizando cerca de 150 bilhões de MOSFETs na placa de vídeo. A tabela a seguir não inclui a memória. Para contagens de transistores de memória, consulte a seção Memória abaixo.    

FPGA

Um FPGA ( field-programmable gate array ) é um circuito integrado projetado para ser configurado por um cliente ou projetista após a fabricação.

Memória

A memória semicondutora é um dispositivo eletrônico de armazenamento de dados , frequentemente usado como memória de computador , implementado em circuitos integrados . Quase todas as memórias de semicondutores desde os anos 1970 usaram MOSFETs (transistores MOS), substituindo os transistores de junção bipolar anteriores . Existem dois tipos principais de memória semicondutora, memória de acesso aleatório (RAM) e memória não volátil (NVM). Por sua vez, existem dois tipos principais de RAM, memória dinâmica de acesso aleatório (DRAM) e memória de acesso aleatório estática (SRAM), bem como dois tipos principais de NVM, memória flash e memória somente leitura (ROM).

O CMOS SRAM típico consiste em seis transistores por célula. Para DRAM, 1T1C, o que significa uma estrutura de um transistor e um capacitor, é comum. Capacitor carregado ou não é usado para armazenar 1 ou 0. Para memória flash, os dados são armazenados em porta flutuante, e a resistência do transistor é detectada para interpretar os dados armazenados. Dependendo da escala precisa em que a resistência pode ser separada, um transistor pode armazenar até 3 bits , o que significa oito níveis distintos de resistência possíveis por transistor. No entanto, a multa da escala vem com custo de repetibilidade, portanto, confiabilidade. Normalmente, o flash MLC de 2 bits de baixo grau é usado para drives flash , portanto, um flash drive de 16  GB contém cerca de 64 bilhões de transistores.

Para chips SRAM, células de seis transistores (seis transistores por bit) eram o padrão. Os chips DRAM durante o início da década de 1970 tinham células de três transistores (três transistores por bit), antes que as células de transistor único (um transistor por bit) se tornassem padrão desde a era da DRAM de 4 Kb em meados da década de 1970. Na memória flash de nível único , cada célula contém um MOSFET de porta flutuante (um transistor por bit), enquanto o flash multinível contém 2, 3 ou 4 bits por transistor.  

Os chips de memória flash são comumente empilhados em camadas, com até 128 camadas em produção e gerenciados com 136 camadas, e estão disponíveis em dispositivos de usuário final de até 69 camadas dos fabricantes.

Computadores transistores

Antes de os transistores serem inventados, os relés eram usados ​​em máquinas tabuladoras comerciais e nos primeiros computadores experimentais. O primeiro computador digital programável e totalmente automático em funcionamento , o computador de comprimento de palavra de 22 bits de 1941 Z3 , tinha 2.600 relés e operava a uma frequência de clock de cerca de 4-5  Hz . O Computador de Número Complexo de 1940 tinha menos de 500 relés, mas não era totalmente programável. Os primeiros computadores práticos usavam tubos de vácuo e lógica de diodo de estado sólido . O ENIAC tinha 18.000 tubos de vácuo, 7.200 diodos de cristal e 1.500 relés, com muitos dos tubos de vácuo contendo dois elementos triodo .

A segunda geração de computadores eram computadores transistorizados que apresentavam placas cheias de transistores discretos, diodos de estado sólido e núcleos de memória magnética . O computador transistor de 48 bits experimental de 1953 , desenvolvido na Universidade de Manchester , é amplamente considerado o primeiro computador transistorizado a entrar em operação em qualquer parte do mundo (o protótipo tinha 92 transistores de contato de ponto e 550 diodos). Uma versão posterior da máquina de 1955 tinha um total de 250 transistores de junção e 1300 diodos de contato de ponto. O computador também usou um pequeno número de válvulas em seu gerador de relógio, portanto, não foi o primeiro totalmente transistorizado. O ETL Mark III, desenvolvido no Laboratório Eletrotécnico em 1956, pode ter sido o primeiro computador eletrônico baseado em transistor a usar o método de programa armazenado . Ele tinha cerca de "130 transistores de ponto de contato e cerca de 1.800 diodos de germânio foram usados ​​para elementos lógicos, e estes foram alojados em 300 pacotes de plug-in que podiam ser colocados e retirados." A arquitetura decimal de 1958 IBM 7070 foi o primeiro computador transistorizado a ser totalmente programável. Ele tinha cerca de 30.000 transistores de junção de liga de germânio e 22.000 diodos de germânio, em aproximadamente 14.000 cartões do Sistema Modular Padrão (SMS). O MOBIDIC 1959 , abreviação de "MOBIle Digital Computer", com 12.000 libras (6,0 toneladas curtas) montado no trailer de um caminhão semirreboque , era um computador transistorizado para dados do campo de batalha.

A terceira geração de computadores usava circuitos integrados (ICs). O Apollo Guidance Computer de 1962 de 15 bits usou "cerca de 4.000" Tipo G "(porta NOR de 3 entradas) circuitos" para cerca de 12.000 transistores mais 32.000 resistores. O IBM System / 360 , lançado em 1964, usava transistores discretos em placas híbridas . A CPU PDP-8 de 12 bits de 1965 tinha 1409 transistores discretos e mais de 10.000 diodos em muitas placas. Versões posteriores, começando com o PDP-8 / I 1968, usavam circuitos integrados. O PDP-8 foi posteriormente reimplementado como um microprocessador como o Intersil 6100 , veja abaixo.

A próxima geração de computadores foram os microcomputadores , começando com o Intel 4004 de 1971 . que usava transistores MOS . Eles foram usados ​​em computadores domésticos ou computadores pessoais (PCs).

Esta lista inclui os primeiros computadores transistorizados (segunda geração) e computadores baseados em IC (terceira geração) das décadas de 1950 e 1960.

Funções lógicas

A contagem de transistores para funções lógicas genéricas é baseada na implementação CMOS estática .

Sistemas paralelos

Historicamente, cada elemento de processamento em sistemas paralelos anteriores - como todas as CPUs da época - era um computador serial construído com vários chips. À medida que a contagem de transistores por chip aumenta, cada elemento de processamento pode ser construído com menos chips e, posteriormente, cada chip de processador de vários núcleos pode conter mais elementos de processamento.

Goodyear MPP : (1983?) Processadores de 8 pixels por chip, 3.000 a 8.000 transistores por chip.

Brunel University Scape (elemento de processamento de matriz de chip único): (1983) processadores de 256 pixels por chip, 120.000 a 140.000 transistores por chip.

Cell Broadband Engine : (2006) com 9 núcleos por chip, tinha 234 milhões de transistores por chip.

Outros dispositivos

Densidade do transistor

A densidade do transistor é o número de transistores que são fabricados por unidade de área, normalmente medida em termos do número de transistores por milímetro quadrado (mm ² ). A densidade do transistor geralmente se correlaciona com o comprimento da porta de um nó semicondutor (também conhecido como processo de fabricação de semicondutor ), normalmente medido em nanômetros (nm). Em 2019, o nó semicondutor com a maior densidade de transistor é o nó de 5 nanômetros da TSMC , com 171,3  milhões de transistores por milímetro quadrado.

Nós MOSFET

Veja também

• Contagem de portas , uma métrica alternativa
• Dennard scaling
• Indústria de eletrônicos
• Circuito integrado
• Lista dos dispositivos eletrônicos mais vendidos
• Lista de exemplos de escala de semicondutores
• MOSFET
• Semicondutor
• Dispositivo semicondutor
• Fabricação de dispositivos semicondutores
• Indústria de semicondutores
• Transistor
• Sistemas Cerebras

Notas

Referências

links externos

• Contagens de transistores de processadores Intel
• Evolução da Arquitetura FPGA