Сердце любого современного электронного устройства — процессор. Слово, конечно, мы все знаем, но есть люди, которые даже не задумываются о том, как работают глубинные процессы.
Самый последний существующий на данный момент техпроцесс в производстве чипов — 2-нм (нанометровый). Компании, такие как TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) и Samsung, активно разрабатывают технологии 2-нм и планируют начать массовое производство к 2025 году. А что вообще такое эти техпроцессы, нанометры и прочее? Можно разобраться.
Оглавление
Основы работы процессора
Процессор — невероятно сложное творение инженерной мысли. На крошечной кремниевой подложке размещаются миллиарды транзисторов, каждый из которых работает как микроскопический переключатель. Однако в основе их работы лежит простой принцип: транзистор либо пропускает электрический ток (состояние «1»), либо блокирует его (состояние «0»). Именно эти переключения создают двоичный код, на котором базируется вся современная вычислительная техника.
Структура транзистора
исток (source)
сток (drain)
затвор (gate)
канал между истоком и стоком
Когда на затвор подается напряжение, он либо открывает, либо закрывает канал между истоком и стоком, что и определяет состояние транзистора.
Нанометры в производстве процессоров
Нанометр — это одна миллиардная часть метра, размер, сопоставимый с размером цепочки из нескольких атомов. Когда мы говорим о техпроцессе, измеряемом в нанометрах, важно понимать физический смысл этих измерений. В производстве микросхем техпроцесс исторически определял два ключевых параметра: длину затвора транзистора и металлический полушаг — половину расстояния между соседними проводящими дорожками на чипе.
До 1990-х годов эти цифры отражали реальные физические размеры. В 130-нанометровом техпроцессе затвор транзистора действительно имел длину около 130 нанометров. Однако развитие технологий и переход к трехмерным структурам транзисторов изменили ситуацию. Теперь обозначение техпроцесса стало скорее показателем поколения технологии, чем реальным физическим размером.
В современных процессорах элементы существенно крупнее заявленного размера техпроцесса. Например, в 5-нм чипах реальные размеры структур могут достигать 20-30 нанометров. Измерение становится еще сложнее из-за использования многослойных конструкций и разных материалов в производстве.
Технологический процесс: от микронов до нанометров
История уменьшения размеров транзисторов началась с микронных технологий. Первые процессоры Intel 4004 в начале 1970-х годов производились по 10-микронному техпроцессу. Для сравнения: один микрон равен 1000 нанометров. К концу 1990-х производители перешли на субмикронные технологии, а затем — на нанометровые.
Почему размер имеет значение
Снижение энергопотребления:
меньшие расстояния для прохождения электронов
меньшее напряжение для переключения состояний
сокращение токов утечки
Повышение производительности:
более короткие пути прохождения сигнала
возможность увеличения тактовой частоты
больше транзисторов на единицу площади
Экономические преимущества:
больше чипов с одной кремниевой пластины
снижение себестоимости массового производства
улучшенная энергоэффективность конечных устройств
Маркетинг против реальности: разоблачение мифа о нанометрах
Обозначение техпроцесса в нанометрах изначально указывало на длину затвора транзистора. Хотя со временем производители начали использовать более сложные трехмерные структуры, где простое измерение длины затвора стало невозможным.
Технические особенности современных техпроцессов:
многослойная структура
использование FinFET-архитектуры
применение различных материалов для разных слоев
сложная геометрия элементов
Производственные тонкости
Переход на 3-нм техпроцесс требует еще более точных технологий, чем его предшественники. Основной метод производства — это глубокая ультрафиолетовая литография (EUV), которая используется для создания более компактных транзисторов. А самое главное — сниженное до 30% энергопотребление, при этом производительность сохраняется на высоком уровне.
2-нм техпроцесс — следующий важный шаг в миниатюризации полупроводниковых компонентов. Благодаря усовершенствованной литографии и новым материалам, 2-нм чипы снижают расход энергии на 35% а производительность увеличивает на 15% по сравнению с предыдущим поколением. Также 2-нм архитектура включает новую технологию транзисторов GAAFET (Gate-All-Around FET), которая обеспечивает лучшее управление током в каналах. А это ещё больше снижает утечки энергии и повышает плотность транзисторов.
Ключевые игроки рынка и их стратегии
TSMC доминирует на рынке: выпускает чипы для Apple, AMD и Qualcomm. Компания сейчас активно инвестирует в разработку 3-нм технологий. В строительство новых производственных мощностей вкладывают миллиарды долларов.
Intel от конкурентов немного отстает. Компания переходит от монолитной к чиплетной архитектуре и планирует внедрить ангстремовую номенклатуру. В модернизацию производств также вкладывают огромные деньги.
Samsung производит собственные мобильные процессоры и борется с TSMC за заказы других компаний. Компания для этого создала амбициозную программу развития.
Практическое применение 5-нм процессоров
В мобильных устройствах:
Apple A14 Bionic в iPhone 12
Apple A15 Bionic в iPhone 13
Snapdragon 888 в флагманских Android-смартфонах
Exynos 2100 в Samsung Galaxy S21
В компьютерной технике:
процессоры AMD Ryzen следующего поколения
серверные процессоры EPYC
специализированные решения для дата-центров
графические процессоры нового поколения
Перспективы развития технологий
Новые материалы:
графен
углеродные нанотрубки
двумерные полупроводники
Альтернативные архитектуры:
GAAFET (Gate-All-Around FET)
вертикальные транзисторы
квантовые вычислительные элементы
Новые методы производства:
атомарно-точное производство
самосборка наноструктур
трехмерное размещение транзисторов
Сообщения блогов группы «Личные блоги» (www.securitylab.ru)