Вообще-то после изобретения в 1958 году первой интегральной схемы американским инженером Джеком Килби добрых 15 лет в полупроводниковой промышленности шла битва не за нанометры (миллиардная часть метра), а за микроны (миллионная часть метра). И только в 1975 году японской компании Canon удалось выпустить фотолитограф FPA-141F, способный «печатать» чипы в субмикронном диапазоне (0,8 микрон = 800 нанометров). С той поры и до наших дней в мировой микроэлектронике не утихает битва за нанометры (с целью их уменьшения, конечно).
Вопреки широко распространённому заблуждению число нанометров характеризует не размер всего чипа, и даже не размер основного строительного блока чипа — транзистора, а размер наименьшего элемента, который возможно на этом чипе изготовить. Традиционно речь шла о длине затвора транзистора, хотя со временем, по мере уменьшения размеров, стали говорить вообще о любом минимальном размере элемента.
Чем меньше количество нанометров в техпроцессе, тем меньше размеры транзисторов и расстояния между ними. А чем выше плотность транзисторов в чипе, тем выше его производительность. И в этой гонке за производительностью техпроцессы в нанометрах неуклонно снижаются. В первую пятилетку двухтысячных годов в мире доминировали техпроцессы от 130 до 90 нм, во вторую— техпроцессы 65 и 45 нм. Третья пятилетка — это переход на техпроцессы 32, 22 и 14 нм, ну а четвёртая пятилетка — это уже чипы, изготовленные по 10 нм, 7 нм и 5 нм технологиям.
В наше время бал правят ультрасовременные чипы, произведённые по техпроцессам 3 нм на EUV (экстремальный ультрафиолет) фотолитографических машинах. К примеру, смартфоны iPhone 16 оснащены «системой на кристалле» Apple, производимой по 3 нм техпроцессу, а современные андроид-смартфоны массово используют 3 нм «системы на кристалле» Snapdragon Qualcomm. Поскольку недавно голландский монополист ASML развернул выпуск EUV фотолитографов с высокой числовой апертурой (обеспечивающих невероятно высокое разрешение системы), предполагается, что в ближайшие годы нас ждёт массовое производство чипов по техпроцессам в 1 нм и даже ниже.
Возникает вопрос, как вообще возможна работа на столь малых размерах? Ведь ширина атома кремния составляет около 0,2 нм. При толщине 1 нм на затворе будут располагаться всего несколько атомов, так что в полный рост могут встать такие квантовые эффекты, как туннелирование (преодоление электронами изолирующих слоёв). И как тогда всё это контролировать?
Но на самом деле переживать по этому поводу ещё рано. Дело в том, что «настоящие» размеры в нанометрах относятся к планарным (плоским) транзисторам, которые используются в техпроцессах до 28 нм включительно. А вот начиная с 22 нм техпроцессов микросхемы изготавливаются на 3D транзисторах (объёмных). Элементы конструкции одних транзисторов нельзя впрямую сравнить с элементами конструкции других. Но техпроцессы всё равно продолжили обозначать в нанометрах, но условных, характеризующих производительность чипа.
Однако имеются и реальные размеры. Их проще всего оценивать по разрешению системы. К примеру, фотолитограф EUV с низкой числовой апертурой способен производить чипы с минимальным размером элемента 13 нм, а фотолитограф EUV с высокой числовой апертурой оперирует элементами размером 8 нм. Это, конечно, тоже очень мало, однако до размеров, сопоставимых с атомами, ещё далеко. В общем, пока в микроэлектронике битва за нанометры продолжается.
❗ Для знатоков и любителей микроэлектроники, полупроводниковой промышленности и фотолитографии: заходите в премиум-раздел канала «Фотолитограф».