О нанометрах. Просто

Поговорим о нанометрах. Просто и доступно. Что такое «тонкий» и «толстый» нанометры? В чем отличия? И кто лучше?

Собеседник — Халиль Эль‑Хажж, руководитель службы проектов и внедрения НТЦ «Модуль». В прошлом — старший инженер сектора физического дизайна (топологии) цифровых СБИС НТЦ «Модуль».

Халиль, давай начнем с самого простого вопроса, потому что не многие ответят на него с лету, без ИИ‑подсказки. Так что такое нанометр?

Нанометр — это просто очень маленькая единица длины, одна миллиардная часть метра (1 нм = 10⁻⁹ м).

В микроэлектронике нанометр определяет длину канала транзистора. Это расстояние, которое электронам нужно преодолеть под затвором, при перемещении от истока к стоку транзистора. Именно этот размер влияет на быстродействие и энергопотребление транзистора.

В «золотую эру» масштабирования цифровых полупроводников, примерно до 1990-х годов, цифра техпроцесса (например, 250 нм или 130 нм) соответствовала физической длине затвора транзистора. Но где‑то с 1997 г. это соответствие было нарушено. Чтобы получить преимущество в производительности, затвор чипов начали уменьшать быстрее, чем остальные части транзистора. Результат: за последние 30 лет цифра техпроцесса перестала быть точным физическим размером. После того как производители преодолели планку в ~65 нм, цифра тех. процесса стала своего рода маркетинговым инструментом.

«Толстый»/«тонкий» нанометр — что это такое?

Толстый (зрелый) нанометр — это зрелые, отлаженные и недорогие технологии для массовой электроникие. В среднем, сегодня в мире для полупроводниковой техники толстыми нанометры считают 300–28 нм.

Тонкий нанометр — это нанометр от ~16 нм до 1 нм и ниже. Пока наиболее распространены 7, 5 и 3 нм. Это дорогие и сложные технологий, которые доступны всего на нескольких полупроводниковых фабриках в мире. Передовые технологии применяют при производстве самых мощных и энергоэффективных микросхем, компенсируя дороговизну технологии массовостью продаж конечного продукта (смартфоны, ПК, серверные материнские платы, промышленных видеокарт и др).

А в чем «плюсы» «толстых» нанометров и где они нужны?

Очень большой плюс — Устройство, построенное на «толстых» нанометрах, практически не «течёт». То есть, почти не потребляет электричество в режиме ожидания, будучи просто включенным в розетку. Это критично для устройств, которые большую часть времени находятся в спящем режиме (IoT, датчики, индивидуальные приборы учета ресурсов).

Ещё одно преимущество «зрелых» нанометров — превосходная работа с высокими напряжениями и мощностью. Такие нанометры позволяют создавать транзисторы с толстым подзатворным диэлектриком, способным выдерживать высокое напряжение. Это делает их незаменимыми для чипов управления питанием, драйверов электродвигателей, высоковольтных зарядок для электромобилей и силовой электроники, где «тонкие» процессоры просто не выживут.

Еще один плюс«зрелых» нанометров — повышенная надежность и устойчивость к внешним факторам. Они незаменимы в космической и авиационной технике. На высоте в несколько тысяч метров, в космосе, жёсткое излучение может повредить тонкие изолирующие слои чипов и привести к сбою важной системы воздушного судна или космического корабля. Крупные транзисторы зрелых нанометров более устойчивы к радиационному воздействию.

Также плюсом, несомненно, является отлаженность технологии и предсказуемость поведения ^[1] транзисторов при проектировании. Для 65 нм или 180 нм существуют выверенные десятилетиями математические модели поведения ^[2] транзисторов. Разработчик точно знает, как чип поведёт себя в любом сценарии рабочих температур и напряжений. Огромное количество готовых проверенных блоков (память ^[3], интерфейсы) доступно «из коробки». Время вывода чипа на рынок для таких проектов минимально и предсказуемо, в то время как на 3–5 нм каждый новый проект — это риски миллиардных потерь. Сегодня даже лидеры отрасли полупроводникового производства планируют увеличивать объёмы выпуска чипов на «толстых» нанометрах.

Однако при всех своих плюсах, созданное на «толстых» нанометрах конечное изделие, получается большим из‑за самой величины встроенного транзистора. А чем больше транзисторы, тем меньше на одну единицу площади мы сможем их поставить. Соответственно, конечное устройство обладает меньшей производительностью, однако более длинным жизненным циклом.

Для чего годится «толстый» нанометр?

Он идеален для космоса и авиации. Это отрасли, где необходимо, чтобы устройство было супернадёжным, радиационно‑стойким, легко воспроизводимым, с низким процентом брака.

«Зрелые» нанометры также подходят для бытовых приборов. В чайники, посудомоечные и стиральные машины ставить процессоры ниже 28 нм — нет никакого смысла. Такой продукт будет дороже и хуже по энергопотреблению. Для бытовых приборов учета (счетчика) также нужен толстый нанометр, например — 130 нм. Такой прибор может поддерживать работу устройства с достаточной скоростью. Но при этом утечки токов будут очень небольшие. Счетчик с такими нанометрами получится максимально энергосберегающим, а его батарея без смены прослужит порядка 10 лет.

«Зрелые» нанометры необходимы для автомобильной электроники, функционирующей в условиях экстремальных температур, перепадов, тепловых расширений.

В чем плюсы «тонких» нанометров и где они нужны?

Безусловное преимущество — высокая производительность для ресурсоемких задач. Уменьшение размеров транзисторов позволяет им переключаться быстрее, что напрямую увеличивает тактовую частоту и, как следствие, производительность микросхемы. В частности, переход с 5-нм на 3-нм техпроцесс обеспечивает прирост производительности до 15%. Эти проценты критичны для приложений искусственного интеллекта ^[4], машинного обучения ^[5], высокопроизводительных вычислений и рендеринга, где важна каждая единица вычислительной мощности.

Важной характеристикой прорывных техпроцессов в современной вычислительной технике является высочайшая плотность размещения транзисторов на единице площади полупроводника (например, кремния). Это ключ к созданию сложнейших систем‑на‑кристалле, которые объединяют мощные CPU, GPU, нейронные процессоры (NPU) и модемы на одном крошечном кусочке кремния. По сравнению с 7-нм техпроцессом, 3-нм может предложить до 70% более высокую плотность транзисторов. К примеру, 3-нм техпроцесс ведущей мировой фабрики обеспечивает плотность около 300 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр. Это позволяет создавать чипы с тысячами ядер для сложнейших вычислений.

Тонкий нанометр дает высокую энергоэффективность для мобильных устройств. В то время как «толстые» нанометры позволяют нам уйти от статических утечек энергии в режиме ожидания, «тонкие» дают возможность снижать динамическое потребление во время активной работы устройства. Меньшие транзисторы требуют меньше энергии для своего переключения. Например, 3-нм техпроцесс по сравнению с 5-нм снижает энергопотребление на 25–30% при той же производительности. Это означает, что смартфоны и ноутбуки на новых чипах могут работать значительно дольше без подзарядки, оставаясь при этом мощными.

Тонкий нанометр необходим и серверам, которым нужна быстрая и эффективная работа, поддерживающая высокочастотные протоколы. Например, известный протокол PCI Express, с помощью которого видеокарта общается с центральным процессором, невозможно реализовать на толстых нанометрах.

Говорят, что чем меньше нанометр, тем мощнее, производительнее устройство. Это миф? Вообще, расскажи о самых «популярных» мифах о нанометрах

Миф 1. Основной — да, он звучит как «чем меньше нанометр, тем круче устройство».

Но правда в том, что если для достижения тонких нанометров длина канала транзистора уменьшается ниже некого порогового значения (примерно 20–15 нм) результатом становится появление ряда физических явлений, которые невозможно контролировать. Например, появляется так называемый туннельный квантовый эффект, который приводит к неопределенности работы транзистора, различного рода поломкам.

Миф 2: для «космической» техники 90 нм «вполне достаточно».

Это заблуждение: современные системы требуют всё более высокой производительности и энергоэффективности даже в спецприменениях. Сегодня мы наблюдаем переходный период. «Толстые» техпроцессы по‑прежнему доминируют в космосе, но уже не потому, что они «вполне достаточны», а потому что они проверены и доступны. Вызовы производительности растут. Сегодня инженеры выбирают технологию не по принципу «толще или тоньше», а по принципу «оптимально для данной задачи», и сегодня этот оптимум смещается в сторону более тонких, но специально спроектированных чипов.

А можешь подробнее рассказать, почему штуки, сделанные на «тонких» нанометрах сбоят? Говорят, что виной всему «тёмный» кремний?

Я бы сказал, что «тёмный» кремний — это парадокс ^[6] современной микроэлектроники: мы научились размещать на кристалле десятки миллиардов транзисторов, но одновременно включить их все не можем. Значительная часть чипа в любой момент времени может отключиться, чтобы не перегреть и не расплавить устройство.

Представьте, что вы построили небоскреб, но можете использовать только первые 10 этажей — остальные стоят пустыми, «тёмными». Так и здесь: транзисторы физически есть на кристалле, но они обесточены и не активны. Это не ошибка ^[7] проектирования, а вынужденная инженерная стратегия, позволяющая чипу работать безопасно, не сгорая от перегрева. Просто все упирается в тепло и энергопотребление. Раньше действовал закон Деннарда: при уменьшении транзисторов они становились эффективнее пропорционально своему количеству. Но этот закон сломался — токи утечки через закрытые транзисторы резко выросли и, при попытке включить все транзисторы одновременно, плотность мощности на кристалле становится огромной. Потому что охлаждение не справляется.

Кстати, по данным исследователей, начиная с 8-нм техпроцесса, доля «тёмного» кремния может достигать 50–80% кристалла в зависимости от архитектуры и нагрузки. Это означает, что из десяти миллиардов транзисторов в вашем смартфоне в моменте работают лишь 2–5 миллиардов.

Как же выйти из тупика «темного кремния»?

Сегодня инженеры и ученые ищут выход по нескольким направлениям.

Пока есть вот такие варианты:

● Умное управление питанием — динамически включать и выключать блоки по мере необходимости.

● Специализированные ускорители — вместо одного мощного универсального процессора использовать набор специализированных блоков (AI‑ускорители, видеопроцессоры), которые активируются только для своих задач.

● Гетерогенные архитектуры — комбинировать разные типы ядер на одном кристалле.

● Новые материалы и транзисторы — например, GAA (Gate‑All‑Around) вместо FinFET.

● Передовые системы охлаждения — вплоть до лазерного охлаждения чипов.

Некоторые исследователи даже предлагают переосмыслить подход: не бороться с «тёмным» кремнием, а использовать его как ресурс — проектировать чипы с «морем» специализированных ядер, которые поочерёдно включаются под конкретную задачу.

В любом случае, если массовая замена кремния произойдет, то это вопрос не одного года, а, скорее всего, целого десятилетия.