3-нанометровые чипы: как они работают и почему 3 нм — не размер транзистора

3-нанометровые чипы стали одним из важнейших этапов развития современной микроэлектроники. Они используются в мощных мобильных процессорах, компьютерах и специализированных ускорителях, которым необходимо сочетать высокую производительность с относительно низким энергопотреблением.

Название создаёт впечатление, что основные элементы такого процессора имеют размер ровно три нанометра. В действительности это не так. Современное обозначение техпроцесса больше не связано с одной конкретной деталью транзистора и служит названием целого поколения производственных технологий.

Переход на 3 нм позволяет размещать больше транзисторов на ограниченной площади, уменьшать расход энергии или повышать производительность. Но результат зависит не только от техпроцесса. Огромное значение имеют архитектура процессора, программное обеспечение, система охлаждения и качество производства.

Что означает обозначение «3 нм»

Нанометр — это одна миллиардная часть метра. Для сравнения: толщина человеческого волоса составляет десятки тысяч нанометров.

В первые десятилетия развития микроэлектроники название технологического процесса действительно было связано с измеряемым размером определённых элементов транзистора. По мере усложнения производства эта связь постепенно исчезла.

Сегодня обозначения 5 нм, 3 нм или 2 нм являются названиями технологических поколений. Они указывают на совокупность характеристик:

• плотность размещения транзисторов;
• устройство самих транзисторов;
• минимальные расстояния между некоторыми элементами;
• число и устройство металлических соединений;
• применяемые материалы;
• возможности по энергопотреблению и производительности.

У разных производителей техпроцессы с одинаковым числом в названии могут заметно различаться. Сравнивать их только по нанометрам неправильно.

Один 3-нм процесс способен иметь более высокую плотность логики, другой — лучше подходить для высокой частоты, а третий — показывать более высокую энергоэффективность.

Насколько малы современные транзисторы

Внутри современного процессора находятся миллиарды транзисторов. Каждый из них работает как микроскопический электронный переключатель, который может пропускать или блокировать ток.

Транзистор состоит не из одной детали, поэтому фраза «транзистор размером три нанометра» слишком упрощает реальность. У него есть канал, затвор, контакты и окружающие изолирующие материалы.

Некоторые элементы современных транзисторных структур действительно имеют размеры в несколько нанометров. Но другие расстояния значительно превышают число, указанное в названии техпроцесса.

Поэтому нельзя взять линейку, измерить одну часть 3-нм транзистора и обязательно получить три нанометра.

Название следует воспринимать примерно как обозначение поколения автомобиля. Оно помогает определить место технологии в линейке производителя, но не описывает одной цифрой всю конструкцию.

Зачем вообще уменьшать элементы чипа

Чем компактнее транзисторы и соединения между ними, тем больше вычислительных элементов можно разместить на кристалле определённой площади.

Дополнительные транзисторы используются для создания:

• более мощных процессорных ядер;
• увеличенной кеш-памяти;
• графических блоков;
• нейронных ускорителей;
• контроллеров камер;
• модулей обработки звука;
• систем безопасности;
• средств управления энергопотреблением.

Миниатюризация также уменьшает расстояние, которое проходят электрические сигналы. В благоприятных условиях это позволяет повысить скорость работы и снизить количество энергии, необходимой для переключения транзисторов.

Но уменьшение техпроцесса не означает, что новый процессор автоматически станет одновременно намного быстрее, холоднее и экономичнее. Разработчик может использовать преимущество по-разному.

Один производитель направит его на увеличение производительности, другой — на продление времени автономной работы, а третий добавит больше вычислительных блоков, сохранив прежнее энергопотребление.

Почему 3-нм процессор может нагреваться

Маленькие транзисторы могут работать экономичнее, но их на одном кристалле становится больше. Кроме того, производители повышают частоты и стараются получить максимальную производительность.

В результате общая мощность процессора не обязательно уменьшается. На небольшой площади может выделяться большое количество тепла, которое необходимо быстро отводить.

Температура зависит от нескольких факторов:

• числа активных транзисторов;
• тактовой частоты;
• напряжения;
• выполняемой задачи;
• площади кристалла;
• корпуса микросхемы;
• системы охлаждения.

Поэтому два процессора, произведённые по близкому техпроцессу, могут иметь совершенно разные показатели температуры и энергопотребления.

Как производят 3-нанометровые чипы

Производство начинается с идеально очищенной пластины монокристаллического кремния. На ней последовательно формируют множество слоёв, из которых возникают транзисторы и соединяющие их проводники.

Рисунок каждого слоя создаётся с помощью фотолитографии. На пластину наносят светочувствительный материал, после чего через сложную оптическую систему переносят необходимое изображение.

Для самых ответственных слоёв передовых техпроцессов используется экстремальная ультрафиолетовая литография — EUV. Она работает с излучением длиной волны около 13,5 нанометра.

Это значение больше трёх нанометров, но специальные оптические методы, химические процессы и многократная обработка позволяют формировать элементы меньшего размера.

Производственный цикл включает сотни и даже тысячи операций:

• нанесение тонких плёнок;
• экспонирование;
• проявление рисунка;
• травление материала;
• внедрение примесей;
• полировку поверхности;
• измерение и проверку;
• формирование металлических соединений.

Малейшая частица пыли способна повредить участок будущей микросхемы. Поэтому производство ведётся в чистых помещениях, где количество частиц в воздухе строго контролируется.

Почему изготовление таких чипов настолько дорого

Современный полупроводниковый завод стоит миллиарды долларов. Особенно дороги литографические установки, системы контроля, сверхчистые помещения и оборудование для нанесения атомарно тонких слоёв.

Разработка нового техпроцесса требует огромного количества экспериментов. Инженеры должны подобрать материалы, режимы обработки и конструкцию транзисторов, которые смогут стабильно работать в массовом производстве.

Не все кристаллы на кремниевой пластине получаются исправными. Производители оценивают выход годных изделий — долю чипов, прошедших проверку.

Если выход годных низкий, стоимость каждого рабочего процессора возрастает. По мере совершенствования процесса дефектов обычно становится меньше, а производство — экономически эффективнее.

Именно поэтому новейшие технологии сначала применяются в дорогих устройствах. Позднее, после отладки производства, они становятся доступнее для более массовой электроники.

FinFET и GAA: разные транзисторы поколения 3 нм

Производители не обязательно используют одинаковую конструкцию транзисторов.

В технологии FinFET канал выполнен в форме узкого вертикального выступа, похожего на плавник. Затвор охватывает его с нескольких сторон, что улучшает контроль над прохождением тока.

TSMC сохранила FinFET в своём семействе 3-нм процессов N3. Компания развивала знакомую и уже хорошо освоенную архитектуру, повышая плотность и энергоэффективность.

Samsung при переходе на 3 нм начала применять транзисторы GAA — Gate-All-Around. В них затвор окружает канал со всех сторон. Каналы выполнены в форме горизонтальных нанолистов.

Более полный контроль над каналом помогает уменьшать токи утечки и настраивать характеристики транзистора. Но новая структура сложнее в производстве и требует серьёзных изменений технологического процесса.

Поэтому одинаковая цифра «3 нм» может обозначать разные конструкции и производственные решения.

Что изменилось для обычного пользователя

Пользователь не взаимодействует с транзисторами напрямую. Он замечает результат их развития по работе готового устройства.

Переход на более современный техпроцесс может обеспечить:

• более длительную работу смартфона от батареи;
• повышение скорости приложений;
• улучшение мобильной графики;
• более быструю обработку фотографий и видео;
• выполнение задач искусственного интеллекта непосредственно на устройстве;
• снижение энергопотребления при небольшой нагрузке;
• создание более тонких и лёгких устройств.

Но название техпроцесса не гарантирует хороший результат. Неудачная архитектура или плохое охлаждение могут свести часть преимуществ к минимуму.

При выборе смартфона или компьютера полезнее смотреть на реальные испытания производительности, автономности и температуры, а не только на число нанометров.

Почему 3 нм не стали пределом

Когда размеры элементов приближаются к атомному масштабу, возникают серьёзные физические проблемы. Электроны способны проходить через очень тонкие барьеры благодаря квантовому туннелированию. Это увеличивает утечки тока и затрудняет полное выключение транзистора.

Одновременно растёт сложность производства. Незначительные отклонения в форме или составе материала начинают сильнее влиять на характеристики каждого транзистора.

Тем не менее 3 нм не стали последним технологическим поколением. Полупроводниковая промышленность уже перешла к процессам, обозначаемым как 2 нм, и разрабатывает следующие поколения.

Продолжать развитие помогают:

• транзисторы GAA с нанолистами;
• новые изолирующие и проводящие материалы;
• усовершенствованная EUV-литография;
• более точное управление производственными процессами;
• размещение элементов в нескольких вертикальных слоях;
• новая система питания транзисторов с обратной стороны кристалла;
• трёхмерная компоновка микросхем.

Миниатюризация продолжается, но теперь она всё чаще происходит не только в горизонтальной плоскости.

Почему закон Мура замедляется

Закон Мура описывал историческую тенденцию, при которой число транзисторов на доступной по цене микросхеме регулярно увеличивалось.

Долгое время уменьшение элементов одновременно повышало производительность, снижало энергопотребление и удешевляло каждый транзистор. Теперь получить все эти преимущества сразу становится сложнее.

Разработка новых техпроцессов занимает больше времени, а фабрики и оборудование дорожают. Некоторые компоненты почти не уменьшаются при переходе на новое поколение.

Особенно трудно масштабировать аналоговые цепи, элементы ввода-вывода и часть памяти. Поэтому плотность готового процессора растёт не так равномерно, как можно предположить по названию техпроцесса.

Закон Мура не остановился мгновенно, но его продолжение требует всё более сложных инженерных решений.

Чиплеты вместо одного огромного кристалла

Одним из главных направлений развития стали чиплеты. Вместо производства одного большого кристалла систему собирают из нескольких меньших компонентов.

Например, вычислительные ядра можно изготовить на передовом техпроцессе, а контроллеры ввода-вывода — на более зрелом и дешёвом. Затем элементы объединяются в одном корпусе с помощью высокоскоростных соединений.

Такой подход имеет несколько преимуществ:

• маленькие кристаллы проще производить без дефектов;
• разные части системы можно выпускать по разным технологиям;
• конструкцию легче изменять;
• снижается зависимость от одного огромного кристалла;
• повышается гибкость создания новых процессоров.

Однако чиплеты требуют очень быстрых межсоединений и сложной упаковки. Передача данных между отдельными кристаллами потребляет энергию и создаёт задержки.

Зачем микросхемы начинают строить вверх

Когда уменьшать элементы в одной плоскости становится слишком трудно, инженеры размещают компоненты друг над другом.

Уже применяются многослойная память, вертикальные соединения и трёхмерная упаковка. Отдельные кристаллы могут располагаться в одном корпусе почти вплотную или устанавливаться слоями.

Это сокращает расстояние между вычислительными блоками и памятью. В результате данные передаются быстрее и с меньшими энергетическими затратами.

В будущем вертикальное размещение может коснуться и самих транзисторов. Разработчики исследуют конструкции, в которых транзисторы разных типов располагаются один над другим.

Так развитие микроэлектроники постепенно переходит от простого уменьшения размеров к более сложному проектированию в трёх измерениях.

Почему не все чипы переводят на 3 нм

Передовой техпроцесс нужен далеко не каждому устройству. Простому датчику, контроллеру стиральной машины или электронному термометру не требуются миллиарды сверхмалых транзисторов.

Для многих задач старые технологии оказываются дешевле, надёжнее и удобнее.

Зрелые техпроцессы продолжают использоваться в:

• бытовой технике;
• автомобилях;
• промышленном оборудовании;
• системах питания;
• радиокомпонентах;
• микроконтроллерах;
• датчиках;
• недорогой электронике.

Новейшие процессы наиболее полезны там, где особенно важны высокая вычислительная плотность и энергоэффективность: в мобильных процессорах, серверных ускорителях, графических системах и оборудовании искусственного интеллекта.

Даже внутри одного устройства могут находиться микросхемы, изготовленные по совершенно разным техпроцессам.

Что появится после 3-нанометровых технологий

Следующим крупным этапом становятся 2-нм процессы и дальнейшее развитие транзисторов GAA. Производители также внедряют новые способы подачи питания и более совершенные технологии упаковки.

Названия будущих поколений продолжат уменьшаться, но они всё меньше будут напоминать реальные размеры элементов.

Вместо одной цифры инженеры всё чаще оценивают сразу несколько показателей:

• плотность логических элементов;
• скорость переключения;
• энергопотребление;
• площадь памяти;
• стоимость производства;
• выход исправных кристаллов;
• эффективность соединения нескольких чипов.

Поэтому будущее микроэлектроники зависит не только от уменьшения транзисторов. Не менее важными становятся архитектура, программное обеспечение, специализированные вычислительные блоки и трёхмерная интеграция.

Не конец миниатюризации, а изменение её правил

3-нанометровые чипы не являются окончательным пределом. Но они показывают, что прежняя простая формула «меньше — значит лучше» больше не объясняет развитие процессоров полностью.

Уменьшение элементов становится дороже и сложнее, а преимущества зависят от конкретной конструкции. Производителям приходится одновременно менять форму транзисторов, способы их соединения, подачу питания и компоновку кристаллов.

Вместо бесконечного уменьшения одного плоского чипа отрасль переходит к сочетанию нескольких подходов: новым транзисторам, чиплетам, вертикальному размещению и специализированным ускорителям.

Поэтому 3 нм — не финальная точка микроэлектроники. Это граница, после которой развитие продолжается уже по новым правилам.