Строительные блоки технологий
Трудно представить современный мир без микрочипов. Они лежат в основе устройств, которые мы используем для работы, путешествий, поддержания здоровья и развлечений — от автомобилей и смартфонов до МРТ-сканеров, промышленных роботов и дата-центров.
Что такое микрочип
Микрочип (микросхема, интегральная схема или просто чип) — это набор электронных схем на небольшом плоском кусочке кремния. На нем вытравлены транзисторы — миниатюрные электрические переключатели, которые могут включать или выключать ток, а также пассивные элементы, которые им в этом помогают.
Разновидности чипов
Все микросхемы делятся на цифровые, аналоговые и (совсем немного) смешанные. Цифровые, в свою очередь, можно классифицировать по функционалу (как и аналоговые — но их слишком много разных, а мы не хотим, чтобы вы запутались): логические чипы, память, специализированные интегральные схемы и однокристальные системы. Каждую группу можно категоризировать глубже — но опять же, не будем заходить так далеко.
По способу изготовления микросхемы делятся на тонко- и толстопленочные гибридные, монолитные фотолитографические и эпитаксиально-планарные — но по большому счету вся эта классификация осталась в прошлом веке, и сейчас техпроцесс, применяющийся гигантами индустрии, плюс-минус одинаков принципиально и различается только разрешением.
Наноразмеры
Микросхема размером с ноготь содержит миллиарды транзисторов, поэтому легко понять, насколько маленькими должны быть элементы на чипе. В XXI веке размеры их измеряются в нанометрах и с развитием технологий продолжают уменьшаться, вплотную подойдя к физическому пределу.
Популярный нынче нанометр — это одна миллиардная метра или одна миллионная миллиметра. Для сравнения, диаметр эритроцита человека составляет в среднем 7000 нанометров, а вируса гриппа — около 100 нанометров. Самые передовые микрочипы содержат элементы размером всего в несколько десятков нанометров.
Цифровое золото
У передовиков же, не в последнюю очередь благодаря взаимным многомиллиардным инвестициям, техпроцесс в нанометрах продолжает уменьшаться, дойдя до 2 нм (выпуск уже начат, TSMC и Intel обещают наладить массовое производство в 2025–2026 году) с плотностью 200–300 миллионов транзисторов на мм2 — близко к пределу.
Дальнейшее увеличение интеграции столкнется с непреодолимыми трудностями, которые потребуют принципиально иных подходов и новых решений.
Квантовая механика
Когда размер транзистора приближается к 1 нм (примерно 5–10 атомов кремния), начинают доминировать квантовые эффекты, такие как туннелирование электронов через изоляторы. Это делает транзисторы ненадежными — они либо пропускают ток, когда не должны, либо не могут переключаться достаточно быстро.
Разрешение литографии
Самые современные машины High-NA EUV от ASML позволяют достичь разрешения 8–10 нм. Для дальнейшего его увеличения приходится прибегать к ухищрениям вроде многократной экспозиции. На большее ультрафиолет просто не способен, а электронно-лучевая литография — слишком медленная для массового производства.
Экономические пределы
Стоимость разработки и производства растет экспоненциально. Например, переход с 5 нм на 3 нм увеличил затраты TSMC на фабрику с 20 до 30 миллиардов долларов. Стоимость литографической производственной линии доходит до 380 миллионов долларов, ее установка и наладка занимает месяцы и обходится в миллионы.
При сохранении приверженности нынешним технологиям прорыв за пределы 1 нм маловероятен (хотя работы в этом направлении ведутся). Будущее за квантовыми и фотонными вычислениями, нейросетевыми алгоритмами и новыми материалами — графеном и двумерными пленками.
Текст: Сергей Кобин
Microsoft представила первый квантовый чип на основе «топологических кубитов»
Инженеры создали самый маленький в мире микроконтроллер
Впервые в мире запустили биокомпьютер с клетками мозга человека
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram