Технологии не стоят на месте. В сфере развития процессоров мы часто слышим слова «техпроцесс» и «нанометры». И почти всегда они означают одно и то же.
Еще в начале 2022 года были объявлены сроки появления процессоров, изготовленных по техпроцессу 2-нм, 1-нм и долгожданные 0,7-нм. Планировалось, что технологию 2-нм освоят уже в 2024-ом году, а в массовое производство запустят в 2025-ом. В свою очередь, 1-нм и 0.7-нм не стоило ждать как минимум до 2027-ого и 2029-ого года. Но существует ли какой-нибудь предел? Или после 0,7 нанометров последуют гораздо меньшие числа? Окунемся немного в историю.
Закон Гордона Мура.
На самом деле это даже не закон, а наблюдение основателя Intel Гордона Мура. Он заметил тенденцию, что каждый год количество транзисторов на микрочипах возрастало в среднем в два раза каждый год ввиду уменьшения техпроцесса и пришел к выводу, что так будет всегда. Чуть позже, правда, внес поправку, что каждые два года. Также, согласно идее Мура, максимальная теоретическая тактовая частота процессора могла быть 20 ГГц, на деле этот порог оказался непреодолим из-за утечек тока, но сейчас не об этом. Закон Мура выполнялся с успехом в течение многих лет. Количество транзисторов на кремниевой подложке удваивалось в соответствии со сроками, и все было хорошо, но...
Примерно в 2010 году закон стал нарушаться, Intel остановилась на 14 нанометрах и долгим, упорным трудом стала постигать 5 нанометров. Ради этих достижений пришлось перейти на УФ-литографию и вообще ввести немало других новшеств. Но что же дальше? Ладно, пусть и удалось дойти до 5 нанометров, до 2 тоже дело техники, но о преодолении барьера в 1 нанометр еще не сообщала ни одна компания в мире.
Когда писал эту статью, очень долго смотрел в интернете информацию по этому поводу. Один из юзеров форума около восьми лет назад писал про устройство транзистора и рассказывал, почему техпроцесс меньше 5 нанометров людям почти полностью недоступен. Приводились обоснованные и логичные доводы, но, как мы видим, уже сегодня 5 нанометров оказались не пределом.
Один нанометр — это сколько?
Теперь вернусь к теме, один нанометр составляет примерно 19 атомарных единиц длины.
Кто проходил в школе устройство простейшего транзистора, тот знает, что существуют: база, эмиттер, коллектор. Без этих составляющих транзистор просто теряет свою суть. Так вот, база – это тончайший слой, через который происходит некий «пробой электронов». Сначала они скапливаются в коллекторе, потом (в зависимости от величины напряжения и некоторых других факторов) или проходят в эмиттер, или стекают по базе на другой выход. (Да, объяснил криво, но попытался доходчиво) База не может быть слишком толстой, по отношению к другим частям транзистора и размерам одного электрона, но и слишком тонкой тоже, так как повышается вероятность «ложного пробоя» из-за которого теряется весь смысл транзистора. На практике её толщина (в PNP или NPN) транзисторе составляет около 0.1 мкм или 100 нанометров. А теперь подумаем, если тончайший слой это 100 нанометров, то два других ну минимум на вскидку по 200 каждый (цифра с потолка). Итого, теоретический размер стандартного транзистора получается 500 нанометров. Но как же так? Неужели нас решили надурить и убрать парочку нулей в единицах измерения? Нет, просто данная технология, на которой изготавливалось большинство транзисторов того времени, достигла своего предела, и инженерам пришлось искать выход из ситуации.
К слову, он нашелся очень скоро. Стала осваиваться технология кремниевых полупроводников, которая актуальна и по сей день. А какой теперь у нее предел? Ну, прикинуть, конечно, можно, хотя не факт, что эта прикидка даст точный результат.
Теоретический предел кремниевой технологии
Химически чистый кремний имеет решётку с шагом в 0,5 нанометров (это примерная величина). Кремниевый транзистор имеет структуру, схожую с обычным. То есть, существует некий канал и затвор. Затвор выполняет элемент базы, а канал - эмиттера или коллектора соответственно.
Вернемся к размеру. Допустим, ученым как-то удалось сделать затвор толщиной 0.5 нанометров, тогда канал не может быть меньше этой величины. Уже, даже теоретически я не представляю, что нужно делать с этим злосчастным кремнием, чтобы получить техпроцесс в 1 нанометр. Как тут бороться с банальными утечками тока, которых при таких размерах будет чуть ли не 90%? Или я просто неправильно пытаюсь посчитать, не знаю.
В любом случае, предел в 0,5 нанометров я расцениваю как максимальный, так как физическое устройство полупроводников из кремния не позволяет сделать размер транзистора меньше. А это уже говорит о том, что предел будет, и наступит очень скоро. Придется кардинально менять технологию или останавливаться на достигнутом. Будем смотреть, что произойдет через несколько лет.
Всем спасибо за прочтение статьи! Надеюсь, вам было интересно! Подписывайтесь на мой канал, всем добра и позитива!