コンピュータチップとは
コンピュータチップは、電子回路が埋め込まれた半導体材料の小さなウェハーです。データ信号を伝達するトランジスタという微細な電子部品が何百万個も入っています。当初、チップは物理的に大きく、コンピューティングは国立研究所、大学や大企業でのみ行われるものでした。コンピュータチップ技術のさらなる革新により、あらゆる種類の高度な分析、グラフィックス、および機械学習アプリケーションを可能にする高性能プロセッサが開発されました。コンピュータチップの小型化に伴い、家庭で使える小型のコンピュータが実現できるようになりました。電子レンジから歯ブラシに至るまで、今やコンピュータチップは私たちの生活の中に浸透しています。
コンピュータチップの製造方法
コンピュータチップは通常、ファブリケーションプラントまたはファブと呼ばれる工場で製造されます。コンピュータチップは、砂に含まれる一般的な化学元素であるシリコンから作られています。シリコンは半導体です。つまり、その電気伝導率は、銅のような金属とガラスのような絶縁体の中間に位置します。
チップの製造工程の概要は次のとおりです。
シリコンの抽出と成形
単結晶シリコンインゴットは、砂を溶かして精錬して取り出します。インゴットはほぼ 100% 純粋です。インゴットはウェハーのように薄いチップに切断され、洗浄、研磨して、二酸化ケイ素の層でコーティングします。フォトレジストとして知られる化学物質の追加コーティングが、シリコンウェハーの上に施され、感光性が向上します。この工程でゴミや異物が入らないように細心の注意を払います。基本的なシリコンチップの準備ができたら、電子回路をエッチングします。
回路エッチング
シリコンウェハーは、マスクと呼ばれる回路パターンのプレートで覆われ、紫外線にさらされます。光は、露出した回路パターンのフォトレジスト材料を硬化させます。次に、高温ガスが露出した材料を溶かして、下にある二酸化ケイ素を露出させます。マスクの回路設計パターンを複製した 3D ランドスケープが残されます。
チップ製造プロセスでは、エッチングはウェハーから層を化学的に除去することであり、ドーピングは不純物を取り入れてウェハーを変更することです。エッチングとドーピングのプロセスは、より複雑な集積回路を作成するために、同じコンピュータチップ上で何百回も繰り返される場合があります。
コンピュータチップが機能する方法
コンピュータチップは、回路要素を介して電気信号を送信することによって機能します。
アナログ集積回路
アナログ回路は、特定の時間内に連続して変化する信号を送信します。出力信号は、電圧が正比例する入力の線形関数です。このタイプの集積回路は、タイマー、コンパレータ、電圧レギュレータ、オペアンプなどのデバイス機能に使用されます。アナログチップは、スイープジェネレータ、オシレータ、オーディオアンプ、およびフィルターで使用されます。
デジタル集積回路
デジタル回路は、不連続信号またはバイナリ信号を送信します。出力電圧は高くなることも低くなることもあります。高電圧はブール値 1 を表し、低電圧は値 0 を表します。
デジタル回路は、AND、OR、NAND などのさまざまな論理演算を実行するように設計されています。例えば、論理 OR 演算はブール加算に対応し、コンピュータの加算演算の基礎となります。したがって、デジタル集積回路はすべてのコンピューティング操作の基礎を形成します。デジタル集積回路は、すべてのプログラマブルデバイス、ロジックボード、マイクロコントローラ、およびメモリにとって重要です。
混合信号集積回路
混合チップは、アナログチップとデジタルチップの両方の要素を組み合わせたものです。ハイブリッド設計により、デジタルからアナログおよびアナログからデジタルへのコンバーターとして機能するチップを持つことが可能になります。これらの高度な集積回路は、現代のコンピューティングのもう 1 つのコアコンポーネントです。
量子回路
量子回路は、コンピューティングの進化の次の段階です。量子回路は、基になる量子ビットに対する一連の論理的な量子操作を定義する計算ルーチンです。量子ビットは、ブール値のデジタル信号とは異なる量子粒子によって表されます。ブール信号は 1 または 0 ですが、量子ビットは状態の重ね合わせに配置できます。量子回路を備えたチップは、新興技術である量子コンピューティングの基礎を形成します。
コンピュータチップのタイプ
コンピュータチップは、機能に応じて次の 4 つの大きなカテゴリに分類されます。
メモリチップ
メモリチップは、プログラムやデータをコンピュータやストレージデバイスに保存します。RAM チップは一時的なストレージを提供しますが、フラッシュドライブとソリッドステートドライブ (SSD) は情報を永続的に保持できます。フラッシュメモリユニットは、電流がオフになっている場合でもデータを保存できます。
ロジックチップ
ロジックチップまたはプロセッサチップは、データを処理してタスクを完了します。それらは現代の電子機器の頭脳に当たります。CPU は、サーバーやその他のコンピューティングハードウェアのマイクロプロセッサに搭載されているロジックチップの主なタイプです。ただし、ロジックチップは特定の機能用に設計することもできます。次に例を示します。
- グラフィカルプロセッシングユニットは、ビジュアル表示を最適化するように設計
- ニューラルプロセッシングユニットは、深層学習および機械学習アプリケーション向けに設計
ASIC
特定用途向け統合チップ (ASIC) は、特定のアプリケーションの反復処理ルーチンを実行するように設計されています。これらの最新のチップは、バーコードスキャナーなどの単一目的のアプライアンス向けに大量に生産されます。もう 1 つの例はビットコインマイニングで、ASIC は新しいビットコインを生成するために必要な複雑な数学的ルーチンを実行します。
SoC
システムオンチップ (SoC) は、新しいタイプのチップです。システム全体に必要なすべての電子部品が 1 個のチップに組み込まれています。SoC の機能は、マイクロコントローラよりも広範です。マイクロコントローラは通常、CPU とメモリおよび I/O 処理を組み合わせたものです。一方、SoC は、グラフィックス、オーディオ、カメラ、および動画処理を統合できます。
AWS のコンピュータチップのイノベーションへの貢献方法
Amazon Web Services (AWS) は、クラウド用に最適化されたカスタムコンピュータチップの設計に何年も投資してきました。その結果、Amazon Elastic Compute Cloud (Amazon EC2) は、さまざまなコンピューティング、メモリ、ストレージ集約型ワークロード向けに最適化された AWS 設計のプロセッサを搭載したインスタンスを提供します。Amazon EC2 は、機械学習トレーニングと推論用の専用の機械学習 (ML) チップも提供します。
その他の AWS イノベーションは次のとおりです。
- AWS Nitro System は、次世代の Amazon EC2 インスタンスの基盤となるプラットフォームです。これにより革新のスピードを上げ、お客様のコスト削減をさらに進めながら、セキュリティの向上や新しいインスタンスタイプの提供といったさらなるメリットを実現します。
- AWS Graviton プロセッサは、アプリケーションに対して最高の料金パフォーマンスを実現します。AWS Graviton ベースのインスタンスは、同等の x86 ベースのインスタンスよりも最大 40% 優れた料金パフォーマンスを実現します。
- AWS Inferentia アクセラレータは、深層学習推論アプリケーションに最低コストで高いパフォーマンスを提供するために設計されたものです。
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