Как производят микрочипы и нужно ли обращать внимание на нанометры в характеристиках
Один из ключевых параметров современных чипов, работающих в смартфонах, ноутбуках и видеокартах, — техпроцесс. Его указывают как в технических характеристиках, так и в рекламных материалах. В 2025 году производители микросхем обещают прорыв в освоении более совершенных технологий производства. Рассказываем, что такое техпроцесс, на что он влияет и есть ли у него предел.
Что такое техпроцесс
Основной элемент любого микрочипа — транзистор. Это — микроскопические переключатели, управляющие потоками электрического тока. Их в одном чипе может быть от нескольких миллионов до десятков и даже сотен миллиардов. Из этих элементов состоят логические элементы, которые, работая согласованно, могут выполнять различные вычисления — обрабатывать команды программ, рисовать графику в играх, кодировать видео, распознавать речь и многое другое.
Чем больше в микрочипе транзисторов и чем быстрее они могут «общаться» между собой, тем больше логических элементов можно разместить на чипе и тем выше его производительность и набор возможностей. Именно поэтому разработчики микроэлектроники стараются увеличить число этих элементов на микросхеме.
Что такое транзистор
Транзистор представляет собой электронный ключ. Он может либо пропускать электрический ток, либо блокировать его прохождение через цепь. Эти два состояния — «включено» и «выключено» — легко сопоставить с двумя цифрами двоичного кода: 1 и 0. Комбинируя миллиарды таких простых переключателей, инженеры создают сложные логические схемы, способные выполнять любые математические и логические операции.
Транзисторы могут отличаться в деталях конструкции, но общая схема общая — это затвор, который либо пропускает, либо блокирует прохождение тока.
Чем больше транзисторов удаётся разместить на кристалле чипа, тем больше операций он может выполнять в единицу времени. Это напрямую связано со скоростью работы компьютера, качеством графики в играх и возможностью запускать ИИ-алгоритмы на смартфоне.
Техпроцесс — возможности оборудования по созданию транзисторов определённого размера.
Как создают чипы
Создание кремниевой подложки. Процесс начинается с обычного кварцевого песка, из которого получают сверхчистый кремний. Затем из расплавленного кремния выращивают огромные цилиндрические монокристаллы, которые нарезают на тонкие круглые пластины — кремниевые подложки.
Фотолитография. На этих пластинах запускают процесс, фотолитографии. Он похож на проявку фотографий или нанесение рисунка через трафарет. На пластину наносят специальный светочувствительный слой (фоторезист), а затем через систему линз и масок «засвечивают» нужные участки ультрафиолетовым светом. Там, где свет попал или не попал на подложку, в зависимости от типа резиста, слой меняет свои свойства.
Затем следуют процессы травления (удаление ненужных участков), нанесения тончайших слоёв различных материалов вроде диэлектриков, металлов для проводников и легирования — так называют добавление примесей в кремний для изменения его свойств. Эти операции повторяются многократно, и слой за слоем на пластине создаётся трёхмерная структура из миллиардов транзисторов и соединений между ними.
Установка для EUV-литографии
Для формирования элементов размером в несколько нанометров специалисты используют литографию в глубоком ультрафиолете (Deep Ultraviolet, DUV) или литографию в экстремальном ультрафиолете (Extreme Ultraviolet, EUV). Оборудование для EUV-литографии в середине 2020-х годов позволяет производить самые продвинутые чипы и стоит сотни миллионов долларов, а производит его единственная компания в мире — нидерландская ASML.
Когда все слои сформированы, большая кремниевая пластина, содержащая сотни или тысячи одинаковых чипов, проходит строгий контроль качества, а затем разрезается на отдельные кристаллы. Каждый кристалл представляет собой готовый процессор, графический ускоритель или другой чип, который после упаковки в корпус отправится в гаджеты или другие устройства.
Больше транзисторов — больше проблем
Постоянное наращивание количества элементов на чипе приводит к серьёзным техническим и экономическим трудностям.
Тепловой барьер
Каждый раз, когда транзистор переключает своё состояние, что происходит от тысяч до миллиардов раз в секунду, он потребляет немного энергии и выделяет немного тепла. Когда таких транзисторов миллиарды, суммарное тепловыделение становится огромным. Отводить тепло от такого раскалённого кристалла — сложная инженерная задача. Перегрев снижает производительность и может даже повредить чип. Растёт и общее энергопотребление — это критично как для мобильных гаджетов, которые работают от аккумуляторов, так и для гигантских дата-центров, которым требуются всё более мощные источники электроэнергии и сложная инфраструктура энергоснабжения.
Физические размеры и цена
Если не уменьшать сами транзисторы, то для размещения большего их числа придётся увеличивать площадь кристалла. Но кремниевые пластины, из которых их «выпекают», имеют стандартный диаметр, обычно 300 мм. Для перехода на выпуск более крупных пластин потребуется вложить десятки миллиардов долларов на реконструкцию производства, поэтому производители решаются на такой шаг не чаще раза в несколько десятилетий. Чем крупнее получается один чип, тем меньше таких чипов поместится на одной пластине. Это увеличивает себестоимость каждого экземпляра, так как затраты на обработку всей пластины делятся на меньшее количество готовых изделий.
Кремниевая пластина. Источник: Laura Ockel/Unsplash
Дорогая разработка
Переход на каждый новый, более «тонкий» техпроцесс требует колоссальных вложений в научные исследования (R&D) и закупку нового дорогого оборудования. Затраты растут экспоненциально: если разработка 7-нм-технологии обошлась примерно в $300 миллионов, то переход на 5 нанометров стоил уже $540 миллионов, а на 3 нанометра — около $1,5 миллиарда.
Закон Мура
В 1965 году один из основателей компании Intel, Гордон Мур, заметил интересную закономерность: количество транзисторов, помещающихся на кристалле интегральной схемы, удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение получило название «закон Мура» и долгое время сохраняло актуальность.
Производители постоянно изобретали способы делать транзисторы всё меньше и размещать их всё плотнее. И им это удавалось: за полвека размеры транзисторов уменьшились с десятков микрометров (миллионных долей метра) до единиц нанометров (миллиардных долей метра). Но при приближении к ангстремным размерам (1 ангстрем равен 0,1 нанометра), следовать закону Мура становится сложнее.
График, иллюстрирующий соблюдение закона Мура (по данным «Википедии»).
Как инженеры решают эти проблемы
Чтобы продолжать наращивать мощь чипов, обходя возникающие препятствия, инженеры используют несколько подходов.
Уменьшение транзисторов
Главным образом специалисты стараются уменьшить размеры транзисторов. Это даёт сразу несколько преимуществ:
- Снижение энергопотребления и тепловыделения. Маленький транзистор требует меньше энергии для переключения и меньше греется.
- Повышение плотности. На той же площади кристалла можно разместить больше транзисторов, увеличив производительность.
- Увеличение скорости. Уменьшается расстояние, которое должны пройти электроны, что потенциально увеличивает количество операций за единицу времени, которые может совершить чип — его тактовую частоту.
Техпроцесс производства микрочипов принято измерять в нанометрах (нм) или с недавних пор в ангстремах (обозначается символом Å). Исторически эта цифра примерно соответствовала длине затвора — одного из ключевых элементов транзистора.
Однако со временем производители перестали придерживаться этого правила. С переходом на техпроцессы тоньше 20 нм название лишь отображает примерный прогресс по плотности размещения транзисторов и эффективности нового техпроцесса относительно предыдущих поколений и решений конкурентов.
Тем не менее внутри линейки одного производителя правило обычно такое: чем меньше цифра, тем совершеннее технология, стоящая за обозначением техпроцесса, и тем более плотные и энергоэффективные чипы она позволяет создавать. Поэтому упоминание нанометров в самых совершенных техпроцессах на 2025 год порой исключается, как, например: N2, A16, Intel 7, Intel 4, Intel 18A.
Слайд из презентации компании, который объясняет новую систему обозначений техпроцессов.
Оптимизация без уменьшения
Иногда компании выбирают путь улучшения существующего техпроцесса, не переходя на новый, более дорогой. Они могут оптимизировать форму транзисторов, материалы, производственные этапы. Это позволяет получить некоторый прирост производительности или снизить энергопотребление, хотя и не так сильно, как при переходе на более «тонкие» процессы. Классический пример — компания Intel, которая несколько лет совершенствовала свой 14-нм-техпроцесс, выпуская версии 14+, 14++, 14+++.
Когда производители микроэлектроники упёрлись в пределы простого масштабирования, они начали изобретать инновации на уровне архитектуры. Например, на смену традиционным плоским (планарным) транзисторам пришли FinFET (с «плавником»-затвором), а сейчас внедряются ещё более сложные объёмные структуры — GAAFET (Gate-All-Around), Nanosheet, RibbonFET, которые позволяют лучше контролировать ток в канале транзистора при сверхмалых размерах. Это позволяет уменьшать размеры элементов, избегая при этом утечек тока через затвор.
Схема транзисторов — плоскостного и FinFET
Кроме того, исследователи испытывают новые полупроводниковые материалы на замену традиционного кремния, которые могли бы обеспечить лучшую подвижность носителей заряда. На данный момент одной из лучших альтернатив ему может стать графен — двумерный материал, состоящий из атомов углерода.
Чиплеты
Вместо того чтобы делать один огромный и сложный монолитный кристалл, производители всё чаще собирают процессор из нескольких небольших специализированных кристаллов — чиплетов. Один чиплет может содержать вычислительные ядра, сделанные по самому передовому техпроцессу, другой — контроллер памяти попроще, третий — графику и так далее. Их соединяют на одной подложке с помощью скоростных интерфейсов. Это удешевляет, снижает процент брака в производстве и даёт гибкость в проектировании.
Демонстрация чиплетной структуры в процессорах семейства Intel Arrow Lake-S (Core Ultra 200S). Отдельные элементы чипа не только находятся на разных физических плитках, но и выпускают по разным техпроцессам.
Новые методы упаковки
Инженеры разрабатывают и новые способы упаковки чипов и чиплетов, позволяющие размещать их ближе друг к другу, в том числе друг над другом (3D-упаковка), для более быстрой связи и меньших задержек. Пример — технология CoWoS от TSMC.
Какие техпроцессы актуальны сегодня и что нас ждёт завтра
В 2025 году самые продвинутые чипы в потребительских устройствах производятся по 3-нм- и 5-нм-техпроцессам. Например, процессор Apple M4 в последних iPad Pro создан по 3-нм-техпроцессу компании TSMC и содержит 28 миллиардов транзисторов. Он показывает вдвое большую производительность по сравнению с чипом Apple M1 (16 миллиардов транзисторов), созданным по техпроцессу 5-нм.
Но индустрия не стоит на месте. На пороге — эра ангстремных техпроцессов. Хотя фактические размеры элементов всё ещё измеряются нанометрами, новые названия (18A, 16A, 14A, 10A) призваны подчеркнуть революционность перехода. Ключевые производители микросхем уже анонсировали свои планы:
Intel 18A — это новый технологический процесс Intel с размером элементов около 1,8 нанометра. В нём используются транзисторы нового типа (RibbonFET) и особая система подачи питания (PowerVia), которая подводит электричество с обратной стороны чипа. По заявлению производителя, эти улучшения дают до 25% больше производительности при том же энергопотреблении и позволяют разместить на 28% больше элементов на той же площади по сравнению с предыдущим техпроцессом Intel 3. Первые клиентские ПК на чипах серии Panther Lake, выполненных по техпроцессу 18A, должны выйти на рынок в конце 2025 года. Серверные 288-ядерные процессоры Xeon Clearwater Forest, созданные по той же технологии, должны появиться уже в 2026 году.
TSMC 16A (или A16) — технологический процесс тайваньской компании TSMC с размером элементов 1,6 нанометра. В нём также используются новый тип транзисторов на основе нанолент и специальная технология подачи питания Super Power Rail. По сравнению с предыдущей технологией (N2P) этот процесс обеспечивает 8–10% прироста производительности или экономит 15–20% энергии при той же скорости работы. Важное преимущество — технология не требует самого современного литографического оборудования (High-NA EUV), что делает производство чипов на таком техпроцессе дешевле. Массовое производство планируется начать в конце 2026 года.
Intel 14A — будущий техпроцесс с размером элементов 1,4 нанометра. Это первая в индустрии технология, для производства которой будет использоваться новейшее литографическое оборудование High-NA EUV. Intel планирует начать массовое производство таких чипов в 2027 году.
Intel 10A — самый передовой из объявленных техпроцессов Intel с размером элементов всего 1 нанометр. Его разработка и освоение планируются после 14A — в конце 2027 года. По предварительной информации, в основе будут лежать транзисторы совершенно нового типа (CFET). Они будут представлять собой многослойные комплементарные структуры, разработанные совместно с Samsung и TSMC. Точные детали технологии пока не раскрываются.
Таблица сравнительных характеристик передовых техпроцессов.
Где предел
Однако вечно уменьшать транзисторы не получится. Инженеры уже сейчас сталкиваются с фундаментальными ограничениями:
- Квантовые эффекты. Когда размеры элементов приближаются к радиусу нескольких атомов, начинают проявляться странные законы квантовой механики. Например, электроны могут «просачиваться» через закрытый затвор транзистора (квантовое туннелирование), вызывая утечки тока и ошибки.
- Атомарный предел. В конечном счёте невозможно создать транзистор размером меньше отдельного атома. Диаметр атома кремния — около 0.24 нм (2.4 Å). Даже если перейти на другие материалы, предел всё равно существует: самый маленький атом водорода имеет размер около 1 Å.
Что будет после нанометров
Когда дальнейшая миниатюризация станет невозможной или экономически невыгодной, фокус сместится на другие пути повышения производительности: новые архитектуры, 3D-компоновку, чиплеты, оптимизацию программного обеспечения и алгоритмов. Будущее — за компромиссами и комплексными решениями, где прирост производительности достигается не только в лоб за счёт уменьшения размера транзисторов, но и благодаря более изощрённым инженерным подходам.
Пока мощность процессоров растёт из года в год, будут расти и возможности потребительских устройств — смартфонов, ПК, планшетов и видеокарт. Возможно, этот рост будет не таким стремительным, как предсказывал закон Мура, но прогресс не остановится.
В качестве альтернативы прямому наращиванию производительности приходят технологии, которые помогают изменить подход к решению задач. Самый яркий пример — бум ИИ-функций, как в промышленных и корпоративных задачах, так и в персональных гаджетах и ПК.