Как мы с вами уже знаем, все наши перспективные разработки в области оборудования для производства микропроцессоров нацелены именно на техпроцесс 28 нм. Дополнительно отмечу, что я не о текущих разработках оборудования для техпроцесса 350 и 130 нм, которые разрабатываются прямо вот уже сейчас, а именно о перспективных, которые планируется реализовывать с помощью рентгеновского излучения с длиной волны 11,2 нм.
То же самое делает и Китай. Он уже может выпускать своё оборудование для 90 нм, но в настоящий момент пытается допилить свои литографы и для 28 нм. Что же это за такие волшебные 28 нм, что все к ним стремятся?
Дело в том, что в каждом новом техпроцессе применяется ряд новых технологий, которые так или иначе нацелены на то, чтобы уплотнение транзисторов, к которому пытаются привязываться разработчики, оказалось возможным. И вот среди этих технологий самой известной является конструкция затвора транзисторов.
Напомню, что прохождение тока через канал транзистора управляется напряжением, подающимся на лежащий поперёк канала затвор. Сначала затвор просто накладывался сверху канала, следующим слоем.
Это было просто для реализации, и такая конструкция сопровождала все техпроцессы вплоть до 28 нм., запущенном в 2010-м году (топовый представитель — Intel Core i7 3970X, 6 ядер, 3,5 ГГц, Sandy Bridge)
При дальнейшем уменьшении транзисторов выяснилось, что затвор плохо управляет проводимостью канала. При малой длине канала растут токи утечки. При длине канала менее 25 нм работа транзистора становится нестабильной, так что длину канала уже трудно сокращать далее.
К тому же при уменьшении размеров транзистора приходится также уменьшать и слой диэлектрика под затвором, что увеличивает также и токи утечки с затвора через канал в подложку.
В общем, казалось бы, тупик. Для того, чтобы снизить энергопотребление, сохранив частоту, нужно уменьшить транзистор. А чтобы уменьшить транзистор, нужно придумать, как сохранить управляемость каналом.
И вот в этот момент, для того, чтобы перейти на техпроцесс 22 нм, разработчики решились на существенное усложнение конструкции транзистора. Затвор теперь не накладывался на канал сверху, а огибал его с трёх сторон.
На рисунке ниже показан транзистор с каналом, состоящим из трёх гребней. Каждый гребень окружён телом затвора. В результате электрическое поле от потенциала, приложенного к затвору, более полно проникает в канал, что улучшает управление им.
Чтобы увеличить ток транзистора, что важно для его быстродействия, делают параллельно несколько гребней, управляемых одним затвором. И чем тоньше техпроцесс, тем количество параллельных гребней для сохранения стабильной работы на высоких частотах приходится делать больше:
Замечу, что для экономичных процессоров количество каналов в транзисторе сокращают, но при этом снижается быстрота его переключений, и приходится снижать частоту процессора.
Итак, мы видим, что на рубеже техпроцессов 28/22 нм произошло резкое усложнение конструкции транзисторов, что существенно повысило трудозатраты при изготовлении процессоров, а стало быть, и его себестоимость. При этом частота не выросла (она вообще уже фактически не росла с техпроцесса 130 нм). Возросла лишь энергоэффективность и, соответственно, снизилось тепловыделение.
Поэтому перед технологически отстающими в микроэлектронике странами вопрос цели решился вполне логично. Чтобы не порвать себе штаны, следующая ступень для них выглядит именно так — наиболее совершенный техпроцесс из самых простых и дешёвых. Освоив его, можно уже идти дальше путём усложнения конструкции.
Примечательно, что по большому счёту, для удовлетворения потребностей России в настольных компьютерах и серверах, нам достаточно обладать техпроцессом 130 нм. Он уже позволяет одноядерным процессорам достичь скорости 3,4 ГГц, которая является обычной для современных компьютеров. Остаётся только придумать, как отводить тепло от многоядерных процессоров.
Например, можно разносить ядра на разные чипы одного чиплета, равномерно размазывая их по всей поверхности большой крышки процессора и используя эффективную охлаждающую систему, либо использовать в обычных компьютерах многопроцессорную конфигурацию, а в серверах — сверхмногопроцессорную.
Что касается мобильных устройств, таких, как смартфоны, то тут — да, нужны, конечно, более современные техпроцессы.
Кстати, к настоящему моменту новая конструкция транзистора также исчерпала свой потенциал, и сейчас ведущими мировыми фабриками начиная с техпроцесса 3 нм (Samsung) и 2 нм (TSMC и Intel) осуществляется переход на ещё более новую и более сложную конструкцию. Теперь гребни канала полностью отсоединяются от подложки и располагаются вертикальной стопкой таким образом, чтобы затвор окружал их со всех сторон:
Этим достигнута максимально возможное проникновение электрического поля в канал и минимизация утечек в подложку. Более эффективной для управления конструкции, видимо, придумать уже нельзя, и следующими шагами повышения характеристик транзистора станет, очевидно, применение других материалов.
А пока планируется дальнейшее повышение плотности размещения транзисторов за счёт совмещения комплементарных пар транзисторов (пар транзисторов разной полярности) в одной конструкции — сначала в горизонтальной, а потом и в вертикальной.
Ну и следующим этапом станут, очевидно, многоярусные слои транзисторов, например, расположение кэшей над логикой или логики над логикой, или кэшей между логикой и т.п. Возникает вопрос, как при этом обеспечить теплоотвод изнутри такой конструкции. Возможно, между слоями будут прокладываться какие-нибудь теплоотводящие наноконструкции. Ну, или с помощью новых материалов добьются существенного снижения тепловыделения.
На сегодня всё. Ставьте нравлики, подписывайтесь на канал и делитесь своим мнением в комментариях. Удачи!