Самый первый коммерческий микропроцессор в истории, Intel 4004, был представлен в 1971 году. Тогда это была революция — на его площади размещалось целых 2250 транзисторов. Всего через 7 лет, в 1978-ом, был представлен Intel 8086 с 29 тысячами транзисторов. И ровно через 42 года, в 2020-м, у нас есть Apple M1 — без прикрас революционный чип с 16 миллиардами транзисторов. А всё благодаря техпроцессу.

Сегодня такие производители, как TSMC освоили производство чипов, а вернее сказать транзисторов, по 5-нанометровой технологии. Чтобы вы наглядно понимали, насколько малы такие транзисторы — волос человека имеет толщину 80 тысяч нанометров — выходит, на его разрезе в теории можно разместить 16 тысяч транзисторов. Вирус COVID-19 имеет размер 110 нм и на нём можно разместить целых 22 транзистора от Apple M1.

Однако есть теории, что производители нам немного врут и за этими значениями нанометров, как правило, скрываются другие цифры. В этом материале мы разберём с вами в том, как вообще устроен техпроцесс, что в нём измеряют, затронем производство чипов, поймём преимущества уменьшения размеров транзисторов и заглянем в будущее.

Что делают транзисторы в процессорах

Любое вычислительное устройство, будь то компьютер, смартфон или ваши AirPods, работает в двоичной системе счисления. То есть все операции записываются, просчитываются и выводятся в последовательности нулей и единиц.

Транзистор в процессоре можно представить в роли своеобразного переключателя. Если ток через него проходит — это 1, если нет — то это 0. И таких переключателей в современных процессорах миллиарды. Разная последовательность нулей и единиц образует информацию — программы, музыку, картинки, видео и даже этот текст. Раньше роль транзисторов в первых ЭВМ выполняли вакуумные лампы.

Например, в ENIAC (это первый компьютер общего назначения) использовалось 17,5 тысяч вакуумных ламп. На этом компьютере производили вычисления для создания водородной бомбы, а ещё составляли прогнозы погоды и решали задачи из математики и физики. Суммарное энергопотребление этих 17 с половиной тысяч вакуумных ламп составляло целых 150 кВт, а сама ЭВМ требовала площадь для её сборки в 167 квадратных метров при весе в 27 тонн.

Само собой, всё это очень ограничивало технические возможности таких компьютеров, благо в январе 1959 года Роберт Нойс, по совместительству один из восьми основателей легендарной компании Fairсhild Semiconductor Company в Кремниевой долине, изобрёл интегральную схему на основе кремния, принципы которой легли в основу производства всех микропроцессоров.

Почему кремний?

Все чипы, которые производятся для массового рынка, делаются на кремниевой основе. Если не углубляться совсем в какие-то страшные и непонятные цифры с формулами, то причина кроется в атомной структуре кремния, которая идеально подходит для того, чтобы делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.

Получают кремний, к слову, из песка. Да, самого обычного, который у вас есть на ближайшем берегу. Но вот в чём подвох — его чистота, если говорить в цифрах, составляет 99,5% (0,5% в таком кремнии составляют разные примеси). Может показаться, что это уже суперблизко к идеальной чистоте, но нет, для процессора необходимо, чтобы кремний имел чистоту 99,9999999%. Для этого материал проводят через цепочку определённых химических реакций. После этого кремний плавят и наращивают в один большой кристалл. Весит он под сотню килограмм и выглядит следующим образом:

После этот кристалл нарезается на пластины с диаметром около 30-сантиметров, которые тщательно шлифуются, чтобы не было никаких зазубрин. Дополнительно применяется ещё химическая шлифовка. Если хотя бы на одной пластине будут шероховатости — её забракуют. А вот готовые пластины кремния отправляют на дальнейшее производство.

Как создаются транзисторы процессора?

На отполированный кремниевый диск наносится специальный фоточувствительный слой, на который затем поступает поток света — он реагирует с молекулами слоя и изменяет свойства кремниевого диска. Этот процесс называется фотолитографией. В отдельных его частях после этого ток начинает проходить иначе — где-то сильнее, где-то слабее.

Затем этот слой покрывается изолирующим веществом (диэлектриком). После на него снова наносится специальный фоточувствительный слой и данный процесс повторяется несколько раз, чтобы на площади появились миллиарды мельчайших транзисторов. Которые потом ещё соединяют между собой, тестируют, разрезают на ядра, соединяют с контактами и упаковывают в корпус процессора.

Благодаря фотолитографии у инженеров есть возможность создания мельчайших нанометровых транзисторов. Однако, как оказывается, техпроцессом в разное время называли разные вещи.

«Он вам не техпроцесс»

Изначально техпроцессом производители обозначали длину затвора у транзистора. Затвор — это один из элементов транзистора, которым контролируется поток движения электронов. То есть, он решает — будет 0 или 1.

В соответствии с законом Гордона Мура (одного из основателей Intel), количество транзисторов в чипах удваивается в два раза каждые два года. Этот закон был им выведен в 1975 году сугубо на основе личных наблюдений, но они оказались в итоге верны.

За последние годы процессоры прибавили в количестве транзисторов, производительности, но не в размерах. Когда индустрия перешла с техпроцесса 1000 нм на 700 нм, производители обратили внимание, что другие элементы транзистора не так податливы уменьшению, в отличие от затворов. Однако и уменьшать затвор тоже уже было нельзя — потому что в таком случае электроны смогли бы проходить сквозь него и вызывать нестабильную работу чипа. 

В 2012 году с переходом на 22-нанометровый техпроцесс инженеры придумали новый формат проектирование транзисторов — FinFET (от «fin» — рус. «Плавник»). Потому что он действительно стал похож на плавник рыбы.

Принцип заключается в увеличении длины канала, через который проходят электроны. За счёт этого в целом увеличивается площадь поверхности канала, что даёт возможность прохождения через него большему количеству электронов. С увеличением длины производители также получили возможность упаковки транзисторов с большей плотностью на один квадратный миллиметр.

Это, кстати, повысило производительность чипов за последние несколько лет, особенно в мобильных процессорах. Однако, из-за того что транзисторы перестали быть плоскими, став трёхмерными — это усложнило измерения их размера. Простите за тавтологию.

Разные производители, как правило, по-своему производят измерения. Например, Intel берут среднее значение двух размеров от наиболее распространённых ячеек. Кто-то делает иначе, однако в целом всё равно — нанометры, о которых говорят в графе «техпроцесс» являются чем-то усреднённым, но в целом значение практически полностью соответствует размеру одного транзистора. Но ещё, что важно в процессоре — это плотность размещения транзисторов.

Что важнее — нанометры или плотность

Многие ругают Intel за то, что они ещё не смогли выпустить свой коммерческий процессор на архитектуре 5 или 7 нм, как это делают Apple и Qualcomm. Но вот по плотности размещения транзисторов — Intel безусловный лидер. На один квадратный миллиметр 10 нм процессора Intel помещается на целых 5% больше транзисторов, чем в чипах от Apple, Qualcomm или AMD. Кстати, последние поколения процессоров от этих трёх брендов производит TSMC. 

В интернете я наткнулся на сравнительную табличку процессоров Intel и TSMC:

Обратите внимание на 10- и 7-нанометровые чипы у Intel и TSMC соответственно. Размеры составляющих у них почти идентичны, поэтому 10-нанометров Intel не сильно-то и уступают 7 нм у TSMC. А вот по производительности, за счёт повышенной плотности транзисторов, как я уже сказал выше, даже выигрывают.

Однако, чем больше плотность — тем больше нагрев, поэтому чипы Intel не подойдут для использования в мобильной технике. Зато TSMC выигрывает в плане меньшего энергопотребления и тепловыделения.

А вот тут вы можете сказать — «стоп, но как Intel выдаёт больше производительности, если Apple M1, который производит TSMC разносит старые десктопные процессоры в пух и прах». Да, это действительно так, на деле Apple M1 действительно превосходит в вычислениях Intel, но причина тут не сколько в количестве транзисторов или техпроцессе, сколько в том, насколько эффективно процессор работает с этими транзисторами. В Intel x86 есть много лишних блоков команд, которые TSMC в некоторых производимых чипах, не использует. Об этом более подробно мы писали в отдельном материале с разбором x86 и Apple M1.

Так что дают нанометры

В действительности, уменьшение техпроцесса и правда положительно влияет на такие показатели, как энергопотребление и производительность. Однако многие нюансы в производстве чипов компании не раскрывают, и найти в интернете их невозможно. А из того, что есть — создаётся впечатление о множестве противоречий.

В целом я бы советовал воспринимать цифры, которые говорят нам производители чипов, как среднее значение от всех составляющих. Так что заявлять, что производители нам врут — нельзя, но и что нанометры полностью соответствуют действительности тоже нельзя. Влияет также то, по какому формату производятся эти чипы и какие применяются материалы. В любом случае — чем меньше техпроцесс, тем лучше.

Новая структура транзистора

Вполне возможно, что вместо уменьшения техпроцесса начнётся работа по изменению структуры создание транзисторов. К примеру, Samsung недавно анонсировали технологию Gate-All-Around FET (GAAFET) для технормы в 5 нм. Подобная структура транзистора обеспечивает вхождение электронов со всех сторон, что более эффективно.

На картинке выше вы можете увидеть, что гребень затвора не сплошной, а разделён на несколько нитей. Если подобное будет реализовано и в других чипах, тогда можно рассчитывать на повышение производительности в процессорах и понижение энергопотребления не уменьшением техпроцесса, а доведением до ума того, что есть сейчас.

Что ждать в будущем?

Летающие автомобили, киборги, путешествие со скоростью света и перемещение во времени — это всё фантастика. Но вот 3 нм или 1,4 нм чипы, вполне возможно, нет.

На сегодня известно, что Intel к 2029 году планируют освоить 1,4 нм техпроцесс, а TSMC уже начали исследование 2 нм. Для этого компании должны разработать новое оборудование для производства, обучить персонал и сделать многое другое.

Другой вопрос, что транзистор 1,4 нм по размерам сопоставим примерно с 10 атомами и это может плохо отразиться на производительности. Случайные электроны могут менять биты по несколько раз в секунду и тогда о стабильных вычислениях может не идти и речи. Может быть закон Мура уже не актуален и его эпоха просто подходит к концу, а мы ещё этого не понимаем?