Was ist ein Computerchip?
Ein Computerchip ist ein winziger Wafer aus Halbleitermaterial mit einer eingebetteten elektronischen Schaltung. Er enthält Millionen von mikroskopisch kleinen elektronischen Bauteilen, die Transistoren genannt werden und Datensignale übertragen. Ursprünglich waren Chips sehr groß, und Computer waren nur etwas, das in nationalen Labors, Universitäten oder großen Unternehmen eingesetzt wurde. Weitere Innovationen in der Computerchiptechnologie führten zur Entwicklung von Hochleistungsprozessoren, die alle Arten von fortschrittlichen Analyse-, Grafik- und Machine-Learning-Anwendungen antreiben. Mit der Verkleinerung des Computerchips wurde es möglich, kleinere Computer zu bauen, die man zu Hause benutzen konnte. Heute ist der Computerchip in unserem Leben allgegenwärtig – von der Mikrowelle bis zur Zahnbürste.
Wie werden Computerchips hergestellt?
Computerchips werden in der Regel in Fabriken hergestellt, die als Produktionsstätten oder Fabriken bezeichnet werden. Sie werden aus Silizium hergestellt, einem chemischen Element, das häufig im Sand vorkommt. Silizium ist ein Halbleiter, d. h. seine elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen Metallen wie Kupfer und Isolatoren wie Glas.
Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung des Chip-Herstellungsprozesses.
Gewinnung und Formgebung von Silizium
Einkristall-Siliziumbarren werden durch Schmelzen und Raffinieren von Sand gewonnen. Die Barren sind nahezu 100 % rein. Sie werden in hauchdünne Chips geschnitten, die gereinigt, poliert und mit einer Schicht aus Siliziumdioxid überzogen werden. Eine zusätzliche Beschichtung aus einer als Fotolack bekannten Chemikalie wird auf die Oberseite der Siliziumwafer aufgebracht, um die Lichtempfindlichkeit zu erhöhen. Bei diesem Verfahren werden strenge Vorsichtsmaßnahmen getroffen, um eine Verunreinigung durch Staub oder andere Fremdstoffe auszuschließen. Nachdem die einfachen Siliziumchips fertig sind, werden elektronische Schaltkreise darauf geätzt.
Ätzen von Schaltkreisen
Der Siliziumwafer wird mit einer als Maske bezeichneten Platte mit einem Schaltkreismuster bedeckt und ultraviolettem Licht ausgesetzt. Das Licht härtet das belichtete Fotolackmaterial im Schaltkreismuster. Heiße Gase schmelzen dann das exponierte Material, um das darunter liegende Siliziumdioxid freizulegen. Zurück bleibt eine 3D-Landschaft, die das Schaltkreismuster der Maske nachbildet.
Beim Chipherstellungsprozess ist das Ätzen das chemische Entfernen von Schichten vom Wafer, und das Dotieren ist das Einführen von Verunreinigungen zur Veränderung des Wafers. Der Prozess des Ätzens und Dotierens kann hunderte Male auf demselben Computerchip wiederholt werden, um komplexere integrierte Schaltkreise zu erzeugen.
Wie funktionieren Computerchips?
Computerchips funktionieren durch die Übertragung von elektrischen Signalen durch die Schaltkreiselemente.
Analoge integrierte Schaltungen
Analoge Schaltungen übertragen fortlaufende, variierende Signale in einem bestimmten Zeitraum. Das Ausgangssignal ist eine lineare Funktion des Eingangssignals mit direkt proportionalen Spannungen. Diese Art von integrierter Schaltung wird für Gerätefunktionen wie Timer, Komparatoren, Spannungsregler und Operationsverstärker verwendet. Analoge Chips werden in Wobbelgeneratoren, Oszillatoren, Audioverstärkern und Filtern eingesetzt.
Digital integrierte Schaltungen
Digitale Schaltkreise übertragen unstetige oder binäre Signale. Die Ausgangsspannung kann hoch oder niedrig sein. Die hohe Spannung stellt den booleschen Wert 1 dar, und die niedrige Spannung stellt den Wert 0 dar.
Digitale Schaltungen sind so konzipiert, dass sie verschiedene logische Operationen wie AND, OR und NAND ausführen. Beispielsweise entspricht die logische OR-Operation einer Booleschen Addition und ist die Grundlage von Computer-Additionsoperationen. Digitale integrierte Schaltungen bilden also die Grundlage aller Rechenoperationen. Sie sind von entscheidender Bedeutung für alle programmierbaren Geräte, Logikkarten, Mikrocontroller und Speicher.
Integrierte Schaltungen für gemischte Signale
Gemischte Chips kombinieren Elemente aus analogen und digitalen Chips. Das hybride Konzept ermöglicht die Herstellung von Chips, die sowohl als Digital-Analog- als auch als Analog-Digital-Wandler fungieren. Diese fortschrittlichen integrierten Schaltkreise sind eine weitere Kernkomponente der modernen Computertechnik.
Quantenschaltkreise
Quantenschaltkreise sind die nächste Stufe der Computerentwicklung. Ein Quantenschaltkreis ist eine Rechenroutine, die eine Reihe logischer Quantenvorgängen auf zugrunde liegenden Qubits oder Quantenbits definiert. Qubits werden durch Quantenpartikel dargestellt, die sich von booleschen digitalen Signalen unterscheiden. Boolesche Signale sind 1 or 0, aber Qubits können in eine Überlagerung von Zuständen versetzt werden. Chips mit Quantenschaltkreisen bilden die Grundlage für das Quantencomputing, das eine aufstrebende Technologie ist.
Welche Arten von Computerchips gibt es?
Computerchips werden je nach Funktionalität in vier große Kategorien eingeteilt.
Speicher-Chips
Speiche-Cchips speichern Programme und Daten auf Computern und Datenträgern. RAM-Chips bieten temporären Speicher, während Flash-Laufwerke und Solid-State-Laufwerke (SSDs) Informationen dauerhaft speichern können. Flash-Speichereinheiten können auch bei abgeschaltetem Strom Daten speichern.
Logik-Chips
Logik- oder Prozessor-Chips verarbeiten Daten, um Aufgaben auszuführen. Sie sind die Schaltzentralen moderner elektronischer Geräte. CPUs sind die Hauptart von Logik-Chips, die in den Mikroprozessoren von Servern und anderer Computerhardware zu finden sind. Logik-Chips können aber auch für bestimmte Funktionen entwickelt werden. Hier sind einige Beispiele:
- Grafische Verarbeitungseinheiten wurden entwickelt, um visuelle Anzeigen zu optimieren
- Neuronale Verarbeitungseinheiten sind für Deep-Learning- und Machine-Learning-Anwendungen konzipiert
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ASICs
Anwendungsspezifische integrierte Chips (ASICs) sind dafür konzipiert, sich wiederholende Verarbeitungsroutinen für eine bestimmte Anwendung auszuführen. Diese modernen Chips werden in großen Chargen für Einzweckgeräte wie Barcode-Scanner hergestellt. Ein weiteres Beispiel ist das Bitcoin-Mining, bei dem ASICs die komplexen mathematischen Routinen ausführen, die für die Erstellung neuer Bitcoins erforderlich sind.
SoCs
Das System-on-a-Chip (SoC) ist eine neuere Chipart. Alle für ein Gesamtsystem benötigten elektronischen Komponenten sind in einem Chip verbaut. Die Fähigkeiten von SoCs sind umfangreicher als die von Mikrocontrollern. Ein Mikrocontroller kombiniert in der Regel die CPU mit Speicher und E/A-Verarbeitung. Das SoC kann jedoch Grafik-, Audio-, Kamera- und Videoverarbeitung integrieren.
Wie trägt AWS zur Computerchip-Innovation bei?
Amazon Web Services (AWS) hat jahrelang in die Entwicklung kundenspezifischer, für die Cloud optimierter Computerchips investiert. Infolgedessen bietet Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) Instances mit von AWS entwickelten Prozessoren, die für eine Reihe von datenverarbeitungs-, arbeitsspeicher- und speicherintensiven Workloads optimiert sind. Amazon EC2 bietet auch speziell für Machine Learning (ML) angefertigte Chips für ML-Training und Inferenz.
Hier sind einige andere AWS-Innovationen:
- Das AWS Nitro System ist die zugrunde liegende Plattform für unsere nächste Generation von Amazon-EC2-Instances. Dadurch können wir Innovationen schneller vorantreiben, die Kosten für unsere Kunden weiter senken und zusätzliche Vorteile wie erhöhte Sicherheit und neue Instance-Typen bereitstellen.
- AWS-Graviton-Prozessoren bieten die beste Preisleistung für Ihre Anwendungen. AWS-Graviton-basierte Instances bieten ein bis zu 40 % besseres Preis-Leistungs-Verhältnis als vergleichbare x86-basierte Instances.
- AWS-Inferentia-Beschleuniger wurden entwickelt, um eine hohe Leistung zu den niedrigsten Kosten für Ihre Deep-Learning-Inferenzanwendungen zu liefern.
- AWS-Trainium-ML-Chips wurden entwickelt, um das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für das Training von Deep-Learning-Modellen in der Cloud zu bieten.
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