Китайцы смогли освоить 7-нанометровый техпроцесс для производства микросхем. Как сообщает Bloomberg, новый смартфон Huawei Mate 60 Pro построен на собственном чипе Kirin 9000s, который выпускается в Китае компанией SMIC. Ранее китайские заводы могли производить только 14-нанометровые и более грубые чипы, поэтому Huawei была вынуждена после введения санкций перейти на американские решения Qualcomm с отключёнными 5G-модемами – санкции работали именно таким образом.
Американские санкции блокировали поставки в Китай оборудования для техпроцесса более современного, чем 14 нм, однако этого достичь не удалось: китайцы сами разработали свои 7-нанометровые решения и запустили их в серийное производство. Хотя на самом деле ещё в 2022 году сообщалось, что SMIC с 2021 года пытается выпускать 7-нанометровые микросхемы, причём «костыльным» способом: без литографических EUV-сканеров, поставки которых запрещены санкциями, а при помощи 193-нанометровых сканеров с использованием большего количества фотошаблонов, сырья, а также самих производственных операций. То есть, у SMIC себестоимость 7-нанометровых чипов выше.
Однако факт серийного производства флагманских смартфонов на новых «Киринах» говорит о том, что технологию как минимум отработали и она пригодна для массового, а не экспериментального производства. И даже если себестоимость выше – какое это имеет значение в эпоху санкций и деглобализации, если альтернатив всё равно нет?
Правда, это не самый технологичный техпроцесс: так, на тайваньской TSMC уже серийно выпускаются 4-нанометровые чипы, в перспективе – ещё более «тонкие» решения. Однако 7 нм – это относительно свежие технологии, например, по 7-нанометровому техпроцессу выпускались Qualcomm Snapdragon 865 и 870, анонсированные в конце 2019 и начале 2021 года соответственно. Однако разница между ними и их 4-нанометровыми собратьями куда более значительна, чем между 7 и 14 нм.
Тут важно понимать, что чем «тоньше» техпроцесс, тем эти нанометры становятся всё более маркетинговыми и далёкими от физики. Дело в том, что изначально под техпроцессом понимали минимальный размер одного полупроводникового элемента, который можно при помощи этого техпроцесса создать. Получился у вас 250-нанометровый транзистор – вот, пожалуйста, 250-нанометровый техпроцесс.
Но современные микросхемы делают в основном при помощи фотолитографии, то есть, берётся пластина со светочувствительным слоем и через систему линз проецируют на неё шаблон. И тут дальше вступают в силу законы физики: отдельный элемент не может быть меньше, чем половина длины волны лазера. При помощи сложнейших ухищрений можно достичь размера в четверть длины волны. . У SMIC длина волны – 193 нм, то есть, один элемент меньше 48,25 нм быть не может. Однако такие лазеры используются как раз для техпроцессов от 7 до 22 нм. Для EUV (а это техпроцессы 4, 5 и в перспективе 3 нм) используются лазеры с длиной волны 13,5 нм. То есть, тут меньше 3,375 нм один элемент никак не получить. То есть, разница, вроде бы, на порядок.
Но нет. Дело в том, что в «маркетинговых нанометрах» речь идёт не про дискретный элемент вроде диода или транзистора, а о более тонких материях. В смысле, этими нанометрами обозначают уже не размер одного полупроводникового элемента микросхемы, а лишь части этого полупроводника. Например, в транзисторе есть затвор – давайте писать размеры затвора, а не самого транзистора! Плевать, что сам транзистор в разы крупнее затвора и получится, как если мы вместо размеров смесителя для ванной будем указывать только диаметр одного из клапаноа. Главное – чтобы поменьше получилось. При этом в смесителе, помимо клапана, есть ещё второй клапан, вентили, патрубки, излив, переключатель на душевую лейку и т.п. – так и у транзистора, помимо затвора, есть подложка, исток, сток, и т.п. – то есть, готовый дискретный элемент «в сборе» куда крупнее одного из его фрагментов. А потом стали писать не длину затвора, а эффективную длину канала (т.е. расстояние, которое проходит электрон), а она стала уменьшаться из-за новых форм транзисторов – в итоге от физических параметров вообще ушли и нанометры берутся почти с потолка.
То есть, в зависимости от того, что именно конкретный производитель обозначает конкретным количеством нанометров, разница между двумя микросхемами может быть очень большой, а может и отсутствовать вовсе. В любом случае прогресс пока замедлился: ещё более «тонкие» техпроцессы потребуют лазеров с ещё меньшей длиной волны, а их пока не изобрели. Так что Китай хоть и отстаёт от передовых технологий, но уже незначительно – пока он догоняет, Запад не успеет уйти слишком далеко вперёд, и это очень хорошая новость.
Возникает логичный вопрос – а зачем эта вечная гонка за техпроцессом? К чему эти инвестиции? В России вон 90 нанометров на старом импортном оборудовании клепают – а это технологии 20-летней давности. Что, 20 лет назад микросхемы были плохими, что ли?
Всё дело в экономике и немного в физике. Что касается физики, то тут всё просто: производительность процессоров увеличивается только одним фундаментальным способом – увеличением количества тех самых транзисторов. Да, их можно объединять в разные схемы, придумывать всякие конвейеры, потоки и прочее, но чтобы быстрее считать – нужно тупо больше транзисторов. Соответственно, чем грубее техпроцесс, тем больше места эти транзисторы будут занимать. И процессор, эквивалентный по производительности современному, на старом техпроцессе имел бы размеры небольшой электроплитки.
Сравнение с электроплиткой не случайно, потому что чем больше физические размеры полупроводника, тем он в принципе больше энергии требует для функционирования, а энергия эта преобразуется в тепловую – значит, такая микросхема сильнее греется и требует более серьёзного охлаждения. И, например, для портативных устройств вроде смартфонов и планшетов подобные решения не подойдут, ибо кому нужен смартфон, с которым нужно будет постоянно сидеть возле розетки и который не уберёшь в карман из-за внушительных габаритов? Да и ноутбук будет настоящим «кирпичом».
А экономика тут в том, что чем меньше транзистор, тем ниже его себестоимость, что в итоге и двигает прогресс вперёд. То есть, уменьшается транзистор – улучшается соотношение цены и производительности – рынок расширяется и процессоры встраивают ещё в какую-нибудь новую категорию предметов – появляются деньги, которые инвестируются в дальнейшее уменьшение транзисторов, и так по кругу.