Последнее время в своих статьях я часто упоминаю технологию изготовления процессоров, указывая её характеристику в нанометрах — 28 нм, 90 нм и т.д. Но поскольку мой канал читает большое количество простых людей, не разбирающихся в тонкостях изготовления микропроцессоров, в комментариях регулярно появляются вопросы, а что это вообще такое, и на что оно влияет. Сегодня я постараюсь максимально доступно но по-возможности компактно это объяснить.
Итак, чтобы изготовить микропроцессор, требуется огромное количество шагов на очень сложном и тонком оборудовании, но их суть сводится к банальной послойной фотопечати. То есть, кладём кремниевую пластину, наносим на неё светочувствительный слой (фоторезист) и получаем аналог фотобумаги при фотопечати. Теперь с фотошаблона, на котором изображён рисунок топологии микропроцессора (аналог фотоплёнки), через фотоуменьшитель проецируем его на этот слой.
Там, куда попал свет, фоторезист меняет свои свойства, и его смывают. Всё точно так же, как и при фотопечати или при травлении печатной платы. Далее кремниевая пластина проходит необходимую обработку для формирования первого слоя и очередную засветку новым фотошаблоном. Так послойно на пластине вырастают транзисторы, конденсаторы, резисторы, диэлектрические изолирующие слои, металлические межсоединения и другие элементы.
Как мы с вами понимаем, все эти элементы получаются настолько мелкими, что измеряются в нанометрах. Чем меньше транзистор, тем меньше ему требуется питания для работы, а стало быть, тем меньше он греется. Поэтому, уменьшая размер транзисторов, можно сделать процессор той же площади, но с большим их количеством, не опасаясь проблем с теплоотводом и, как следствие, перегрева.
Так случилось, что начиная с определённого момента, в каждом новом поколении процессоров производители вдвое увеличивали количество транзисторов в них при сохранении площади чипа, и впоследствии эта закономерность стала правилом. При удвоении плотности размер любого элемента чипа (например, длина затвора транзистора) уменьшается в 0,7 раз (математическая взаимозависимость площади и длины стороны).
Отсюда у нас появился и этот ряд величин нанометров в названии техпроцессов, каждый в 0,7 раз меньше предыдущего — 500, 350, 250, 180, 130, 90, 65, 45, 32, 22, 16, затем ряд не такой стройный: 14, 10, 7, (6), 5, (4), 3, 2, 1.4, ну и далее, очевидно, последует 1 и 0.7 (или 10А и 7А, если в ангстремах (Å).
Итак, сначала нанометры техпроцесса определяли очень наглядно и логично — это был размер самого малого по длине или ширине геометрического элемента, сформированного данным технологическим процессом. Обычно он равнялся линейному разрешению оборудования. И так было до техпроцесса 250 нм включительно: 3 мкм, 1,5 мкм, 800 нм, 500 нм, 350 нм и 250 нм.
Затем величина техпроцесса согласно плана ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors — международный технологический план для производителей полупроводников) начала определяться минимальной шириной дорожки нижнего уровня металла (полушаг дорожки, что примерно вдвое длиннее затвора транзистора. Напомню, что шаг дорожек — это дорожка плюс промежуток между дорожками). Это правило должно было соблюдаться для норм 180 нм, 130 нм, 90 нм и 65 нм. Но фактически, как выясняется, это не соблюдалось:
Пока ещё соблюдалась только тенденция удвоения плотности, достигаемая за счёт изменения конструкции транзисторов и других мер.
В конце концов на форуме IEDM (International Electron Devices Meeting — международная встреча инженеров электроники) название техпроцесса «45 нм» и всех последующих постановили считать маркетинговым понятием. Intel предложила привязать переход на каждый следующий шаг к фактически происходящему удвоению степени интеграции (удельной плотности компоновки, измеряемой в МТр/мм² — миллионах транзисторов на квадратный миллиметр). То есть, фиксировалось правило, что в каждом новом поколении на той же площади кристалла должно помещаться примерно вдвое больше элементов, которое некоторое время соблюдалось.
Однако, начиная с техпроцесса 22 нм часть производителей перестало соблюдать это правило, а у оставшихся его соблюдение уже не давало возможности столь же эффективно наращивать производительность. Замечу, что процессоры от Intel, изготовленные по техпроцессу 22 нм, плохо разгоняются. Быстродействие транзисторов ограничивается малыми токами, а токи ограничиваются пропускной способностью узкого канала транзистора. Круг замкнулся.
С этого момента каждая новая цифра нанометров фактически обозначает только переход к некой новой совокупности технических решений, и ничего более.
Так что не пугайтесь приближению размера техпроцесса к размеру кристаллической решётки кремния (0,54307 нм) — это совсем разные нанометры ))) И судя по всему, суровый маркетинг продолжит уменьшать эту цифру ещё неопределённо длительное время )))
Более углублённо и развёрнуто по этой теме вы можете почитать тут.
Что это означает для России?
То, что мы (внезапно) несильно то и отстаём в техпроцессах. Разница в производительности процессоров, сделанных по технологиям 130 нм и 90 нм существенно выше, чем между процессорами, сделанными по технологиям 16 нм и 7 нм, и ещё выше, чем между процессорами, которые будут сделаны по технологиям 2 нм и 1,4 нм.
Рост частоты, в целом, закончился на техпроцессе 90 нм, а начиная с 22 нм перестали фактически уменьшаться и транзисторы. Точнее, по площади они уменьшились, но выросли в высоту. Да, за счёт вытянутой вверх геометрии канала сократились токи утечки. Однако путь электронов по каналу транзистора сократился не сильно, потому что теперь электроны описывают по его высоким рёбрам дугу. Далее сокращать длину канала уже не получаться из-за туннельных квантовых эффектов, приводящих к тому, что несмотря на все ухищрения с геометрией, транзистор начинает проводить ток постоянно.
Более того, с уменьшением проходящих через канал и управляющих затвором токов ограничилась и скорость переключения транзистора. С одной стороны, можно нарастить частоту из-за меньшего нагрева, но тут же нельзя это сделать из-за снижения быстродействия элементов.
Зная все эти трудности, становится понятно, почему Россия отказалась от прежних планов создать к 2030-му году технологию 7 нм, а сосредоточилась на технологии 28 нм. Ведь это последняя технология, после которой рост эффективности процессоров за счёт размера транзистора сильно тормозится, а увеличение производительности достигается другими средствами, доступными для реализации и на более толстых техпроцессах. Так что, как говорится, «а нафига козе баян»...
На сегодня всё. Ставьте нравлики, если статья была полезна, пишите свои отзывы и соображения в комментариях и, конечно, подписывайтесь на мой канал. Удачи!